基于單片機的火車道口安全報警的研究與設(shè)計

1、基于單片機的火車道口安全報警的研究與設(shè)計基于單片機的火車道口安全報警的研究與設(shè)計 電子信息工程專業(yè) 摘 要道口是鐵路安全運輸問題的重點和薄弱點。本課題針對我國鐵路平交道口 的現(xiàn)狀，利用單片機技術(shù)開發(fā)了平交道口來車自動報警系統(tǒng)，采用了可靠性高、價位 低、普及程度高、利于基層技術(shù)人員掌握學(xué)習(xí)的 89C51 作為控制芯片，利用了軌道傳 感器采集回來的車輪信息，準(zhǔn)確地將來車信息通知道口值守人員及過往行人，大大減 少了事故發(fā)生的隱患。針對系統(tǒng)工作環(huán)境的惡劣和工作的特殊性，在系統(tǒng)硬件設(shè)計過 程中，重點突出了系統(tǒng)運行的可靠性、設(shè)備的堅固程度，在軟件的編制上也采取了有 力的抗干擾措施，因此，本系統(tǒng)的研究與設(shè)計

2、具有重要的社會意義以及推廣價值。 關(guān)鍵詞 運輸安全；鐵路平交道口；單片機 The Research and Design Based on The Single-chip Computer for The Rail-road Crossing Warning System Electronic Information Engineering TANG Li-jun Abstract: The Level road crossing is emphasis and weak point.This article discusses the present situation of our rai

3、l level road crossing,use single-chip microcomputer system to design the coming vehicle automatic warning system for level road crossing.The core chip is 89C51 which has high reliability,low price and good universality.Most technicians can master it easily.The system gets the coming vehicles message

4、,and gives notice to the crossing keeper and the people.So it can reduce the hidden dangers and provide the insurance for the rail traffic. Because of the bad running environment and working important,so we think much of the system running reliability,firmness of device.Some measures also are taken

5、in the software. So the research and design of this system is very necessary. Key words：Traffic Safety; Rail-way Crossing; 89C51 畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作 明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人 成果及已獲得 或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書使用過的材料。與 我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明

6、 并表示了謝意。 論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文（設(shè)計）作者同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交 論文（設(shè)計）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計）被查閱和借閱。本人 授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè) 論文（設(shè)計） 。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計）或與該論文 （設(shè)計）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時，單位署名為 。 論文（設(shè)計）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 目 錄 1 緒論 .1 1.1 問題的

7、提出 .1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究的目的好意義 .1 1.3 設(shè)計任務(wù)和要求.1 2 微機自動報警系統(tǒng)概述 .2 2.1 系統(tǒng)組成部分 .2 2.2 系統(tǒng)主要組成部分.2 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .2 3.1 傳感器的選用.2 3.1.1 傳感器的選擇 .2 3.1.2 傳感器檢測道口狀況的方法。 .3 3.2 信號處理電路的設(shè)計.3 3.2.1 信號輸入 .4 3.2.2 信號整形 .4 3.2.3 光電隔離 .4 3.3 系統(tǒng)主電路的設(shè)計.5 3.3.1 AT89C51 性能介紹 .5 3.3.2 系統(tǒng)主電路 .5 3.4 語音報警功能的設(shè)計.6 3.4.1 ISD1420 芯片介紹 .6

8、 3.4.2 語音報警電路 .7 3.5 道口欄木驅(qū)動控制電路設(shè)計.8 3.5.1 芯片 L298N 的介紹。 .8 3.5.2 驅(qū)動控制電路圖及工作原理 .8 3.7 硬件抗干擾設(shè)計 .10 3.7.1 系統(tǒng)抗干擾性及可靠性設(shè)計原則 .10 3.7.2 系統(tǒng)干擾源分析以及硬件抗干擾措施.11 4 軟件設(shè)計 .12 4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計.12 4.2 交通燈控制軟件設(shè)計.13 4.3 語音廣播軟件設(shè)計.14 4.4 道口欄木軟件設(shè)計.15 4.5 軟件抗干擾措施.15 7結(jié)論與展望 .16 參考文獻(xiàn) .17 附錄 語音板電路原理圖 .18 致謝 .19 1 緒論 1.1 問題的提出 鐵路是

9、國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國民經(jīng)濟(jì)的大動脈、交通運輸體系的骨干，對于國 家社會經(jīng)濟(jì)的正常運行和發(fā)展具有舉足輕重的作用和全局性的作用。鐵路運輸?shù)倪\輸 能力大、能夠負(fù)擔(dān)大量客貨運輸?shù)娜蝿?wù)、速度快、受氣候條件限制小、可全天候運營、 運輸成本低等優(yōu)點。因此，我國正大力發(fā)展鐵路行業(yè)的建設(shè)事業(yè)。 平交道口是鐵路和公路的平面交叉，隨著鐵路行車速度、密度的不斷提高和公路 車輛的急速增多，平交道口的安全問題，已經(jīng)變的非常突出。為改善鐵路平交道口尤 其是站內(nèi)道口的安全狀況，有必要設(shè)計一種具有高可靠性的道口報警設(shè)備，在列車接 近道口前告警，提示道口職守人員及行人、車輛注意，以確保列車安全通過，減少以 至杜絕道口交通事故的

10、發(fā)生 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究的目的好意義 現(xiàn)在我國站內(nèi)道口來車管理大多還是處于靠電話通知和道口工眺望的狀態(tài)，遇到 天氣狀況不好，或是電話線路不暢的時候，就存在了事故的隱患。鐵道部對此尚無在 全國推廣的定型產(chǎn)品，均為各鐵路局自己開發(fā)的設(shè)備，而且利用率也不是太高。 在鐵路網(wǎng)比較發(fā)達(dá)的歐洲，道口密度大，事故風(fēng)險也相對比較高。其中，英國的 安全工作做的比較好，這主要得益于英國政府增加警力，強行控制道口違章行為。同 時，英國西屋鐵路系統(tǒng)公司在別國成功技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了一種新型的平交道口預(yù) 測器。該設(shè)備符合道口報警設(shè)備的一般設(shè)計原理，但是其價格昂貴，同時英國鐵路軌 道電路與我國軌道電路有諸多不同之

11、處，所以無法將其移用至我國鐵路道口中。 鐵路道口安全工作的好壞，直接關(guān)系到人民生命財產(chǎn)的安全，它是推動和促進(jìn)鐵 路跨越式發(fā)展目標(biāo)能否順利實現(xiàn)的一個重要方面。 道口自動報警系統(tǒng)提高了道口來車報警的可靠性和準(zhǔn)確性，可以有效的降低誤報、 錯報事件的出現(xiàn)幾率，從而有效的避免道口交通事故的發(fā)生。 所以，立足我國鐵路現(xiàn)狀，開發(fā)實用的站內(nèi)道口自動報警設(shè)備仍是當(dāng)務(wù)之急。 1.3 設(shè)計任務(wù)和要求 系統(tǒng)總體采用 AT89C51 單片機為平交道口自動報警系統(tǒng)的核心，用安裝在鋼軌內(nèi) 側(cè)的車輪傳感器組成檢測點，感應(yīng)到的車輪信息通過標(biāo)準(zhǔn)信號電纜傳送到道口房的主 機內(nèi)，由單片機控制道口交通燈的轉(zhuǎn)換和語音報警功能的開關(guān)，并控

12、制道口欄目升降 從而達(dá)到自動檢測、報警通知和提升道口整體安全狀況的目的。 本系統(tǒng)列車接近報警系統(tǒng)的主要功能設(shè)計如下： （1）列車接近道口語音報警功能。當(dāng)列車接近道口時，系統(tǒng)自動播報“司機、行人請 注意，火車就要開過來了，請不要搶行和翻越欄桿” 。 2）交通燈切換功能。當(dāng)列車接近道口，傳感器采集到列車接近信息，系統(tǒng)立即控制交 通燈的紅色信號燈亮，綠色信號暗，以提示行人、車輛禁止通行。 （3）道口欄木升降功能。 （4）系統(tǒng)復(fù)原功能。 2 微機自動報警系統(tǒng)概述 2.1 系統(tǒng)組成部分 根據(jù)上述方案設(shè)計了道口自動報警系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示： 傳 感 器 信 號 處 理 單片機 道口交通燈 語音

13、報警 欄木電動機驅(qū)動 圖 1 系統(tǒng)組成框圖 2.2 系統(tǒng)主要組成部分 系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)以及系統(tǒng)功能實現(xiàn)模塊四部 分組成。 （1）傳感器系統(tǒng)：根據(jù)系統(tǒng)需求，數(shù)據(jù)采集元件選用的是凸出極磁電式軌道 傳感器。由傳感器采集來車信息送信號處理電路。 （2）信號處理系統(tǒng)：信號處理系統(tǒng) 將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為開關(guān)量，并分離出信號中的故障信號，是系統(tǒng)的重要組 成部分。 （3）單片機系統(tǒng)：單片機系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的中央處理系統(tǒng)，他通過硬件與軟 件的結(jié)合來控制各個部分的工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。 （4）功能實現(xiàn)模塊：功能實 現(xiàn)模塊包括 3 個功能：道口交通燈轉(zhuǎn)換控制功能、語音報警功能和

14、道口欄木升降功能。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 傳感器的選用 3.1.1 傳感器的選擇 本系統(tǒng)對傳感器的要求很苛刻，站內(nèi)道口傳感器的工作條件比區(qū)間道口惡劣的多。 其工作位置靠近站臺和道路，夏天雨水浸泡，冬天冰雪覆蓋，沙土垃圾掩埋，人為破 壞等。所以對傳感器提出了要有較高的靈敏度和輸出范圍；堅固耐用無維修或極少維 修；測試范圍寬并盡可能無源等要求。經(jīng)過綜合比較，本課題最終決定選擇凸出極磁 電式軌道傳感器。該傳感器可以長期穩(wěn)定的工作，而且除了定期清掃鐵屑外，無需維 修，能夠適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的工作環(huán)境。根據(jù)需要本系統(tǒng)應(yīng)用了兩個凸出極磁電式軌道傳 感器。 3.1.2 傳感器檢測道口狀況的方法。 圖 2 是該

15、鐵路和公路平交道口的平面位置示意圖。在 P1和 P2點設(shè)置了兩個傳感器 元件，用于檢測是否有火車通過道口。P1和 P2這兩點距離較遠(yuǎn)，因此一列火車不會同 時壓在兩個壓敏傳感器上。A 和 B 是兩個柵門，當(dāng)火車由東向西或由西向東通過 P1P2 段，且當(dāng)火車的任何部分位于 P1P2之間時，柵門 A 和 B 應(yīng)同時關(guān)閉，道口的紅色交通 燈亮，綠色交通燈滅，公路禁止通行；否則柵門 A 和 B 同時打開，道口的綠色交通燈 亮，紅色交通燈滅，公路允許通行。傳感器的功能是當(dāng)火車經(jīng)過時，產(chǎn)生邏輯電平 1， 否則產(chǎn)生邏輯電平 0。設(shè)位于 P1和 P2兩點的傳感器所輸出的信號分別為 I1和 I2，柵門 A 和 B

16、 的開閉由圖 2 所示的電路控制?？刂齐娐返妮斎胧莻鞲衅魉l(fā)出的信號 I1和 I2，輸出信號 Z 用來控制柵門 A 和 B，當(dāng) Z=1 時，柵門關(guān)閉；Z=0 時柵門打開。 圖 2 鐵路和公路平交道口的平面位置示意圖 3.2 信號處理電路的設(shè)計 信號處理電路的設(shè)計原則為：傳感器輸出的信號是包括故障信息和車論信息的復(fù) 合模擬信號。這樣的信號必須經(jīng)過必要的處理，將不同的有用信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān) 量，才能供數(shù)字式控制系統(tǒng)使用。根據(jù)傳感器信號和控制系統(tǒng)的需要，本系統(tǒng)的信號 處理電路必須要完成下列功能： 將復(fù)合信號中車輪信號分離并整形為脈沖信號 分離出復(fù)合信號中包含的故障信息 對車輪信號中的顫動信號進(jìn)行濾

17、波 對傳感器及線路傳輸?shù)母蓴_信號進(jìn)行處理 1信號處理電路包括 1 縱向通道，處理 2 路傳感器的信號，其中一路傳感器的信 號構(gòu)成 int0 中斷，另一路傳感器的信號構(gòu)成 int1 中斷。信號處理電路由信號輸入級、 整形級、光電隔離級、鎖存選通級和中斷控制邏輯形成電路組成。信號處理電路如圖 4 所示： 圖 4 信號處理電路 3.2.1 信號輸入 對信號輸入級的要求，一是檢測信號的瞬時變化，二是連續(xù)檢測信號電平的變化， 所以采用圖示電路。其中 C1 為濾波電容，YM1 為壓敏元件，可以防止雷電以及車電 高電壓竄入。R1 為限流電阻，D1、D2 為單向整流限幅二極管，防止輸入過壓，且完 成傳感器輸入

18、信號的尖脈沖波形到方波脈沖的轉(zhuǎn)換。RP1 為 22k 分壓電阻。 3.2.2 信號整形 信號整形級選用得是 74HC245 芯片，74HC245 的 DIR 端接電源后，使方向為 A 到 B，第 19 管腳接地，使其始終選通。 3.2.3 光電隔離 在實際的信號處理電路中，不可避免的存在各種的干擾信號，為了保證信號傳輸 的準(zhǔn)確性，決定在信號處理電路中增加光電隔離級，即采用隔離技術(shù)來增強抗干擾能 力。在硬件上常用光電耦合器來實現(xiàn)電光電的隔離，這樣就可以有效的阻止干擾信號 的傳遞。 本系統(tǒng)采用的是光電耦合器是 TLP521-4，這是一種完全對稱特性的光電模擬信號 隔離器。該光電隔離器的特點是：其內(nèi)

19、部結(jié)構(gòu)為 4 個光電耦合器，它們的物理特性完 全一直、重復(fù)性好、并且 4 個光電耦合器的 4 個電源實現(xiàn)了完全隔離，有良好的線形 度，地面的干擾完全消除。這樣該光電耦合器在電路中就將選中的模擬信號的輸入級、 輸出級完全隔離開來，阻止了相互之間的電聯(lián)系，從而消除了輸入級、輸出級之間的 干擾。 3.3 系統(tǒng)主電路的設(shè)計 設(shè)計原則首先是可靠，其次是簡單，具有可以滿足系統(tǒng)工作需要的計算速度，而 且要考慮系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)成本。因此，我們選用技術(shù)成熟而且可以穩(wěn)定工作的 89C51 作為系統(tǒng)主電路的核心。 。 3.3.1 AT89C51 性能介紹性能介紹 AT89C51 是一種低功耗、高性能的 8 位單片機，

20、片內(nèi)帶有一個 4K 字節(jié)的 Flash 可 編程可擦除只讀存儲器(PEROM)，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易 失性存儲器(NURAM)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容。片內(nèi)的 Flash 存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。 因此 AT89C51 是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，它可方便地應(yīng)用在各種 控制領(lǐng)域。 AT89C51 的主要性能有: 與 MCS-51 微控制器產(chǎn)品兼容; 4KB 可改編程序 Flash 存儲器;(可經(jīng)受 1,000 次的寫入/擦除周期)； 全靜態(tài)工作:OHZ-24MHZ; 三級存儲

21、器保密; 128X8 字節(jié)內(nèi)部 RAM; 32 條可編程 I/0 線; 2 個 16 位定時器/計數(shù)器; 6 個中斷源; 可編程串行通道; 片內(nèi)時鐘振蕩器; 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容。 3.3.2 系統(tǒng)主電路系統(tǒng)主電路 本系統(tǒng)道口交通燈只有紅綠兩個。模擬交通燈使用發(fā)光二極管，可直接接單片機 引腳,其中紅燈接 P1.0 和 P1.1；綠燈接 P1.2 和 P1.3,再用軟件來進(jìn)行控制紅綠燈的切換。 單片機電路設(shè)計如圖 5 所示 1 1 2 2 3 3 4 4 DD CC BB AA Title NumberRevisionSize A4 Date:2009-5-29

22、Sheet of File:D:Program Files.Sheet1.SchDocDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 T

23、XD 11 RXD 10 MCS-89S51 12M XTAL 33pF C1 33pFC2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10K RPVCC VCC 200 R19 1K R20 22uF C10 RST P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P36 P37 RST VCC D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LE Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 OE 74HC373 12 GREEN 12 GREEN 12 RED 12 RED 利用 74HC373 鎖存器軟件控制紅綠燈。 圖 3-2 單片機電路 3.4 語音報警功能的設(shè)計 語音

24、報警功能是本系統(tǒng)的第二個主要功能。 語音電路是針對室外語音廣播而設(shè)計的。其核心為 microchip 公司生產(chǎn)的 PIC16C71 單片機，語音芯片為 ISD（Information Storage Device）公司生產(chǎn)的 ISD1420 芯片。 3.4.1 ISD1420 芯片介紹 ISD1420 芯片特點：SD1420 芯片采用直接模擬存儲技術(shù)，且錄放音質(zhì)極好，并有一定 的混響效果；它的外圍元件簡單，僅需簡單的阻、容元件即可組成簡單的錄、放電路； 但電源供電，典型電壓+5V。待機時低功耗，放音電流 15mA；放音時間 20s,可擴充級 聯(lián)；可持續(xù)放音，也可分段錄放，最小分段：20s/16

25、0 段=0.125s/段，可分段 160 段； 錄、放次數(shù)達(dá) 10 萬次；斷電信息存儲，無需后備電池，信息可存儲 100 年；不需要專 用的編程器及語音開發(fā)器；高優(yōu)先級錄音，低電平或負(fù)邊沿放音。 ISD1420 芯片引腳介紹 ISD1420 芯片封裝有 DIP 硬封裝和 COB 軟封裝兩種形式，均為 28 引腳 A0A7地址或操作模式控制端 VSSD數(shù)字地 VSSA模擬地 SP+、SP音頻信號輸出端，可以驅(qū)動 816 歐揚聲器 VCCA模擬電源 VCCD數(shù)字電源 MIC話筒輸入端，可用駐級體話筒，通過電容耦合 MICREF話筒輸入考端，若不用應(yīng)懸空 AGC自動增益控制端，調(diào)整芯片內(nèi)部前置放大器

26、增益，使錄入信號不失真 ANAIN、ANAOUT兩端間接電容，該端用于模擬信號的直接輸入、輸出 XCLK外部時鐘或接地（一般用戶接地即可） REC錄、放音控制，低電平為錄音 PLAYL電平放音控制（低電平有效） ，放音時應(yīng)該保持低電平 PLAYE邊沿放音控制，下降沿開始放音（此時 REC=0） RECLED錄音指示，接發(fā)光二極管，錄音時亮，放音結(jié)束閃爍 3.4.2 語音報警電路 該部分電路中包含了為語音系統(tǒng)供電的電源部分電路設(shè)計。電源部分采用二極管 整流電路，接在電源變壓器的次級輸出端，用四個二極管組成橋式整流電路。它們的 后級為濾波電容，交流電整流后，要求將交流成分濾的越干凈越好，所以濾波電

27、容選 用大容量的電解電容。語音報警電路如圖 6 所示。 圖 6 語音報警電路 3.5 道口欄木驅(qū)動控制電路設(shè)計 道口欄木是保證行人安全的重要措施，本系統(tǒng)道口欄木驅(qū)動選用了 SBS 公司生產(chǎn) 的 L298N 芯片。 3.5.1 芯片 L298N 的介紹。 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進(jìn)電機。L298N 芯 片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直 接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO 口提供信號；而且電

28、路簡單，使 用比較方便。L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 VSS，VSS可接 457 V 電壓。4 腳 VS接電源電壓，VS電壓范圍 VIH為2546 V。輸出電流可達(dá) 25 A，可驅(qū)動電感 性負(fù)載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳 感信號。L298 可驅(qū)動 2 個電動機，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動機， 本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12 腳接輸入控制電平，控制電機的 正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。圖 7 是 L298N 芯片的引腳圖。 圖 7 L298N 芯片的引腳

29、圖 3.5.23.5.2 驅(qū)動控制電路圖及工作原理驅(qū)動控制電路圖及工作原理 單片機輸出口 P3.0、P3.1 為 L298N 提供脈沖信號，L298N 正常工作時，輸入信號 INT1 和 INT2 來控制步進(jìn)電動機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及停止，通過單片機輸出脈沖頻率控制步 進(jìn)電動機轉(zhuǎn)速即欄木升降的快慢。表 1 為 L298N 芯片功能表。 L298N 芯片功能表 圖 8 驅(qū)動控制電路圖 3.6 電源電路設(shè)計電源電路設(shè)計 一個系統(tǒng)要想正常穩(wěn)定的工作，必須要有一套穩(wěn)定可靠的電源系統(tǒng)做保障系統(tǒng)電 源板直接引入 220V 交流電源，經(jīng)過變壓、整流處理后分別為主機和傳感器供電。 電源電路設(shè)計如圖 3-15 所示：

30、 圖中后部分電路為蓄電池電路，如停電，則用蓄電池為主機供電，當(dāng)電池電壓低 于一定值后，自動斷電。 圖 9 電源電路 3.7 硬件抗干擾設(shè)計硬件抗干擾設(shè)計 3.7.1 系統(tǒng)抗干擾性及可靠性設(shè)計原則系統(tǒng)抗干擾性及可靠性設(shè)計原則 近幾年來，單片機系統(tǒng)對工業(yè)自動化、生產(chǎn)過程控制、智能化儀器儀表等領(lǐng)域造 成的干擾后果主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1、 數(shù)據(jù)采集誤差加大 2、 控制狀態(tài)失靈 3、 數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化 4、 程序運行失靈 針對這些內(nèi)部和外部因素的干擾，采取有效的軟硬件措施加以解決，是可靠性設(shè) 計的基本任務(wù)。導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行的內(nèi)部因素主要有三個：1、元器件本身的性能 與可靠性；2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)

31、計是否合理；3、安裝與調(diào)試。外部因素是指系統(tǒng)所處工 作環(huán)境中的外部設(shè)備或空間條件導(dǎo)致運行不可靠的因素，主要包括：1、外部電器條件， 如電源電壓的穩(wěn)定性、強電場和磁場的影響；2、外部空間條件，如溫度、濕度、空氣 清潔度等；3、外部機械條件，如振動、沖擊等；4、惡劣的自然現(xiàn)象影響，如雷電等。 因此在系統(tǒng)設(shè)計中，元器件的選擇是根本，合理的安裝調(diào)試是基礎(chǔ)，系統(tǒng)的設(shè)計是手 段，外部環(huán)境是保證。這是本系統(tǒng)在抗干擾性以及可靠性設(shè)計方面遵循的基本原則。 3.7.2 系統(tǒng)干擾源分析以及硬件抗干擾措施系統(tǒng)干擾源分析以及硬件抗干擾措施 干擾形成必須具備三個主要因素，即：干擾源、耦合通道、對于干擾敏感的接受 電路，如

32、下圖所示： 本系統(tǒng)受到的主要干擾來自電網(wǎng)供電，空間電磁波，信號傳輸通道和雷電。 1、較惡劣的供電條件及抗干擾措施 由于車站現(xiàn)場運行的各種電器設(shè)備眾多，特別是感性負(fù)載的啟停，可使電網(wǎng)電壓 產(chǎn)生大幅度的漲落（浪涌）和較大幅度的高頻振蕩電壓，而各種大功率開關(guān)的通斷， 電機的啟停，又會形成很強的尖峰干擾，極易造成單片機應(yīng)用系統(tǒng)得誤動作、數(shù)據(jù)丟 失甚至死機。 系統(tǒng)針對供電條件的干擾所采取的抗干擾措施主要有：1、在電源引入線上加帶有 屏蔽罩的電源濾波器（低通濾波器） ，它一方面抑制分布在火線上的干擾，另一方面也 可解決寬頻帶瞬變狀態(tài)下的干擾。其設(shè)計力圖僅允許 50HZ 交流電通過，對高頻干擾 電壓有較好的

33、衰減作用。2、在電源引入線的線間和每線對地間加裝 430V 壓敏電阻， 可有效抑制較高幅度的振蕩電壓和尖峰脈沖。 2、較強的空間電磁波干擾以及抗干擾措施 空間電磁波的干擾無處不在，車站附近可以認(rèn)為是電磁波重污染區(qū)。這里密集了 各種無線通信和廣播電視信號，內(nèi)然機車和電力機車上的各種大功率電機電器和車站 的各種設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。系統(tǒng)抗電磁干擾的能力又稱為電磁兼容性，目前，各種 軍用、民用電子設(shè)備對電磁兼容性的要求越來越高。 電磁兼容性設(shè)計主要包括電路設(shè)計、接地和屏蔽設(shè)計。 電路設(shè)計包括帶寬控制、去耦、濾波和隔離。帶寬控制主要是選用高抗干擾能力 的邏輯芯片。CMOS 一般比 TTL 好，功耗小，所

34、以優(yōu)先選用 CMOS 芯片。盡量選用比 較低的時鐘頻率，本單片機系統(tǒng)選用 6MHZ。對輸入的開關(guān)量要進(jìn)行限幅、RC 濾波、 整形。去耦措施是對共模耦合采取分開回路的設(shè)計，對互阻耦合，采取使空間導(dǎo)體彼 此遠(yuǎn)離，尺寸盡量減小，就近接地和加粗地線。濾波措施是對進(jìn)入電路內(nèi)部的連接電 纜，都加濾波環(huán)節(jié)，以抑制其傳導(dǎo)干擾，同時在內(nèi)部電路的信號輸入部分也加有濾波 電容。隔離措施是用光電耦合器把內(nèi)部電路與外部接口隔離開，將各單元電路也盡可 能隔離開。 通過以上抗干擾措施從而減小外部環(huán)境對系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 至此，整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計部分介紹完畢，實驗表明本設(shè)計的硬件系統(tǒng)設(shè)計較為 合理，工作穩(wěn)定，

35、能完成預(yù)定的各種功能要求，具有較高的可靠性。 4 軟件設(shè)計 硬件電路確定以后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)能否正常可 靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計外，與功能完善的軟件設(shè)計是分不開的。軟件采用匯 編語言進(jìn)行程序設(shè)計。 4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 系統(tǒng)軟件總體上分三大部分：初始化及設(shè)備自檢和斷線檢測、鍵盤管理、列車接 近檢測報警等。系統(tǒng)總體程序框圖如圖 4-1 所示： 初始化 語音報警 紅燈亮 下欄桿 語音報警 紅燈亮 下欄桿 電機停 開始 欄桿是否完全放下？欄桿是否完全放下？ 火車是否離開？ 火車是否離開？ 電機停 來車方向是否為從左到右來車方向是否為從右到左 停止語音報警 綠燈亮

36、欄桿升起 停止語音報警 綠燈亮 欄桿升起 欄桿是否完全升起欄桿是否完全升起 Y N Y N YY N Y Y NN Y NN N 圖 4-1 軟件總體框圖 在圖 4-1 中，程序開始時，首先初始化，判斷來車方向是否為從左到右，若不是， 重新判斷，是往下執(zhí)行，語音報警提示，紅燈亮，下欄桿，當(dāng)欄桿完全放下后，電機 停止，然后判斷火車是否離開，離開則綠燈亮，欄桿升起，完全升起后，重復(fù)開始， 進(jìn)入到下一次循環(huán)。如果來車方向是從右到左，也如前所述，開始聲光報警并下放欄 桿，然后判斷火車是否離開，完成后，重新開始循環(huán)。 4.2 交通燈控制軟件設(shè)計交通燈控制軟件設(shè)計 交通控制部分是系統(tǒng)主要功能是通過道口紅綠

37、燈控制行人的通過的報警系統(tǒng)。 交通控制軟件系統(tǒng)采用針對的 PIC 單片機的匯編語言編寫。系統(tǒng)流程如圖 4-8 所 示： 紅燈亮、綠燈暗 初始化 結(jié)束 檢測是否有列車通過 列車是否完全通過 N N Y Y 圖 4-8 交通燈控制流程 在圖中首先初始化，在檢測是否有列車通過，若無列車通過，則重新檢測；若系統(tǒng) 檢測到有列車通過道口，則紅燈亮，綠燈暗，然后檢測列車是否完全通過，若沒有完 全通過重新檢測，若列車已完全通過道口則程序結(jié)束。 4.3 語音廣播軟件設(shè)計語音廣播軟件設(shè)計 語音廣播部分軟件系統(tǒng)采用針對的 PIC 單片機的匯編語言編寫，在本系統(tǒng)中由于 單片機是將“司機、行人請注意，火車就要開過來了，

38、請不要搶行和翻越欄桿”或 “還有火車開過來，請不要搶行和翻越欄桿”兩句話，所以軟件流程比較簡單。如圖 4-8 所示 圖 4-8 廣播流程 4.4 道口欄木軟件設(shè)計道口欄木軟件設(shè)計 生成電機控制邏輯 驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 中斷標(biāo)志清0 Y N 中斷響應(yīng) 電機控制指令 返回 道口欄木軟件流 中斷響應(yīng)后，執(zhí)行電機控制指令，再生成電機控制邏輯，生成的電機控制邏輯驅(qū) 動電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，然后中斷完成，把中斷標(biāo)志清零，最后返回到主程序。若果不 執(zhí)行電機控制，則直接終止中斷，返回到主程序。 4.5 軟件抗干擾措施軟件抗干擾措施 雖然本單片機系統(tǒng)在硬件抗干擾方面已經(jīng)采取了很多措施，從理論到實際也確實 可行，但是

39、對于一個系統(tǒng)的整體抗干擾能力來說，還是不夠，必須在軟件編制上盡可 能采取強有力的抗干擾措施。 系統(tǒng)采用數(shù)字濾波即延時重復(fù)讀取開關(guān)量輸入值的措施來提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 傳感器脈沖信號在傳入時往往會迭加上干擾脈沖，所以除了硬件抗干擾電路外， 軟件采樣時，必須讓脈沖信號延時讀取，且只有重復(fù)讀取值 8 次相同時才認(rèn)為讀入值 有效， 該抗干擾程序流程如圖 5-3 所示。 計數(shù)器清零 讀入本次值 與前次值相同嗎？ 計數(shù)器加1等于8嗎？ 前次寄存器置初值 讀入數(shù)有效 N N Y Y 圖 5-3 軟件抗干擾流程 總之,系統(tǒng)在采取了以上措施后,經(jīng)過實際的試驗和應(yīng)用,取得了較好的效果，達(dá)到了 設(shè)計要求。 7結(jié)論

40、與展望 本課題對鐵路站內(nèi)道口自動報警系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計，針對目前道口報警主要 靠電話通知和人工瞭望的狀態(tài)，設(shè)計了可以實時采集來車信息并通知道口值守人員及 過往行人的報警系統(tǒng)，并最終達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，主要工作有： 1、選取了凸出極磁電式傳感器，并在該傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計出了來車信息采集及測速 的方法，為系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性、實時性打下了基礎(chǔ)。 2、設(shè)計了單片機系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以準(zhǔn)確處理傳感器采集的信息并產(chǎn)生聲光、語音報警 信息，達(dá)成了最終的報警功能。 3、系統(tǒng)各大模塊的軟件設(shè)計。 參考文獻(xiàn) 1李顯軍.道口報警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J北京:鐵路技術(shù)創(chuàng)新。2004，3：56 2李玲桂.國外平交道口的安全措施

41、J北京：鐵道知識，2005、2，2223 3TB10007-99s.鐵路信號設(shè)計規(guī)范 4張伯敏.鐵路車站接發(fā)列車安全性系統(tǒng)分析J上海鐵道大學(xué)學(xué)報，1999、4，3335 5張迎新.單片微型計算機原理、應(yīng)用、及接口技術(shù)M國防工業(yè)出版社，1993，221-230 6陳章龍.實用單片機大全M黑龍江技術(shù)出版社，1989，277-311 7李雙全，李凱昕.一種用于單片機間的串行通訊方法J黑龍江工程學(xué)院學(xué)報， 2003，17，3739 8金秋生.氧化鋅壓敏電阻的過電壓保護(hù)J安全用電 2004、12，3537 9楊華舒，楮福濤.單片計算機系統(tǒng)抗干擾的軟件設(shè)計途徑J電子技術(shù)應(yīng)用，2001、3，2022 附錄

42、語音板電路原理圖 致謝 內(nèi)部資料 僅供參考 內(nèi)部資料 僅供參考 9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!zn%Mz849GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$

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