铁路道口报警及控制系统设计.docx

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铁路道口报警及控制系统设计

1绪论

1.1研究背景与社会价值

1.1.1单片机的发展以及应用现状

我国经济持续快速增长的情况下，交通运输业也随之发达起来。

而路网的建设速度是有限的，现在制约铁路发展的最重要的就是安全问题。

公路运输优势存在于灵活性强、速度快、实现“点到点”的运输，且其建设周期较短、投资低。

铁路运输也有其优点例如：

强大的输送能力、低廉的运输成本、运行时间的可持续性强可达到全天候运行。

我国国土面积广阔交通网络发达，截止12年数据我国的公路里程达180万公里，铁路约为7万公里，形成了以公里以及铁路为主体的交通运输网络。

关于铁路道口我国目前的现况是路口多，需要大量的人力物力进行路口安全的持续性监控，为解决此问题研发了铁路道口自动报警系统，本课题在软硬件设计中，特别具有针对性的拟解决特殊条件下的系统可无人监控且准确、有效可靠的执行任务提路口高安全性，尤其在天气条件较差的情况下，更是凸显作用和价值现。

平交路口问题是是运输安全的重点，所以，如何去提高通过的安全性，当务之急是我们首先要解决的。

2系统的硬件设计

利用单片机技术实现铁路道口报警和控制系统，研发了自动报警系统。

在车头及车尾设置安装满足条件的传感器，采用89C51作为系统控制芯片，把安装在铁轨上的传感器所搜集的信息通过发送装置发送回去，语音报警系统将会及时的通知路口值班人员及过往行人，从而大大的提高了路口安全性以及保障性。

2.1传感器的选择

传感器的主要部件是以AT8951单片机为主，进行的报警系统的研究设计，然后就是对所在系统进行保护设计。

因为道路环境以及自然环境条件比较恶劣，所以对传感器的各种抗性要求都是非常苛刻的。

针对于这些要求和条件，凸出极磁电式轨道传感器最为适合作为该系统的传感器。

其工作原理为：

法拉第电磁感应定律有此：

E=一N半d0／dt。

2.2传感器使用和安装

安装需要考虑因素有：

在系统设计时传感器到铁轨的高37毫米，只放车辆的情况下，高度调整到34毫米。

单片机系统对于速度的测试，要求共两点第一关于传感器的安装位置要求在触发器的两端，第二传两个感器的距离是一个固定值S）。

原理如图2．1所示。

图2.1测速原理

2.3传感器输出信号处理的电路设计

2.3.1设计原则及方案

输出信号是包括车轮信息以及故障信息两种相加的一种复合模拟信号。

信号经过相应的处理，采及能够让获得的各种信号源转化为相应的开关量，才能够实现数字电路控制的目的。

根据信号以及系统的要求，根据要求可以确定设计原则。

信号处理电路必须要完成的功能：

1）使复合信号里面的车轮信号分离，并且要求整形为脉冲信号；

2）分离的复合信号里面需要有故障信息；

3）彻底滤波是针对颤动信号

4）对传感器传输的干扰信号加工；

5）隔离内以及外地。

传感器输出信号电路设计如图2．2所示。

2.3.2信号输入级设计

系统对信号输入级要求是非常严格的，首先是测出来车信号瞬时变化以及记录，其次可以记录连续信号电平的变化情况。

因此采用如上图所用的信号处理电路：

VI=（RI+RCG）／（RpI+RI+RcG）·V+

=（o．51+0．83）／（22+0．51+0．83）×5

=0．287V

如果传感器CG断线，则使得vI转变成V+5V，断线检测的基础就因此可以确立。

系统的连续工作时，应该连续不停的检测所有373的输入端，只要发现连续10秒的低电，就可以判断为断线。

2.3.3信号整形级所选用芯片[1]

选用74HC245芯片。

单片机是具有一定的负载能力的，要是超载的情况下，就需要增加驱动器。

该芯片系列的逻辑、端排列和74LS系列是相同的。

工作速度也是和74LS亦接近。

74HC系列还具有其他的抗过载能力如：

噪声高亢度以及驱动负载能力。

74HC系列属于性价比高的高速低能耗产品；可以从扇出能力上了解，20是属于74LS系列[1]，然而在直流时可以高达1000以上的是74HC系列。

74HC245介绍图2．3：

[10]

图2.374HC245管脚图

引出端符号：

A………………………………………………A（总线端）

B………………………………………………B（总线端）

G……………………………三态允许端（低电平有效）

DIR……………………………………………方向控制端

引脚定义说明如下：

第1引脚dir，端口输入输出量的转换，当dir=“1”则发生高电平时信号由A到B的输出过程，当dir=“0”则发生低电平时信号由B到A输出过程；

第2-9引脚“A”信号端口功能输入输出，如果dir=“0”G=“0”则信号输入输出端口B0入A0出，其它端口类同；

第11．18引脚“B”信号端口，功能与“A”端相同；

第10引脚GND，作为电源地；

第20引脚VCC，作为电源正极【11,12】。

2.3.4光电隔离的技术及其应用

各种信号的之间存在一定的干扰信号时不可以避免掉的，为了保证数据的正确性和唯一性，所以在电路设计技术中我们选择采用，光电隔离技术来达到我们既定的目标即是数据的准确性，这样就能有效的避免干扰信号所带来的影响。

光电隔离技术所采用的光电耦合器是一种完全对称的模拟性光电隔离TLP521．4型。

他具有以下特点：

内部共有光电耦合器4个在物理性质方面几个他们性能都是非常优越的不论重复性还是耦合性，线性度也是非常好的，工作的情况下基本可以完全消除地面抗性的干扰。

2.3.5锁存的通级设计

在接受到相应的中断信号后CPU也会对信号的发源做出相应的判断。

为了判定是哪个传感器发出的中断信号系统采用了锁存电路分别由74HC373、74HC30、74HC02组成，在这种情况下锁存器的输出会自动的与数据总线再次相接，然后CPU接收到数据信号通过74LSl38译码按照优先级会依次选择通各锁存器，从P0121开始进行数据的读入，所得到的数据就可以判断是哪个传感器所发生的中断数据。

关于中断信号的选着也有其标准在太宽的情况下不能正常运行太窄的话对于数据反馈会受到影响。

对于宽度选取的条件如下标准：

T=RC=12kO×4700pf-5s

芯片的使用进行简要介绍。

[10]

74hc30HC373，lsl38HC02，74系列常用的产品。

◆74xx（标准型）；

◆74LSxx（低功耗肖特基）；

◆74Sxx（肖特基）；

◆74ASxx（先进肖特基）；

◆74Fxx（高速1）。

9类74大系列产品，只要后面的标签是一样的，它的逻辑功能和引脚排列在同一。

用户应根据不同条件和不同类型的74系列产品的需求选择。

1）74HC373

74 HC373 8 D触发器具有三态缓冲输出（锁存允许输入回送功能），在单片机系统中常用的地址锁存和出口扩张。

74 HC373引脚图如图2.4所示。

1D．8D…………………………………数据输入端

1Q．8Q…………………………………数据输出端

VCC……………………………………电源

GND……………………………………地

图2.474HC373管脚图

2）74HC30管脚如图2．5所示

图2.574HC30管脚图

引出端符号说明

A．H…………………………………数据输入端

Y………………………………………数据输出端

VCC……………………………………电源

GND……………………………………地

3）74HC02

74HC02管脚如图2．6所示。

图2.674HC02管脚图

引出端符号说明[10]

A………………………………………数据输入端

B………………………………………数据输入端

Y………………………………………数据输出端

VCC………………………………………电源

GND………………………………………地

4）74HC138

各个端口引脚：

[10]

ABC………………………………………输入端：

有效地址的输入

CS0……………………………………………选通端

CSl、CS2……………………………………选通端（在低电时有效）

Y0．Y7………………………………………输出端（在低电时有效）

VCC…………………………………………电源

GND…………………………………………地

图2.774HC138管脚图

2.4系统电路的设计[10]

2.4.1设计原则和方案

设计的主要原则：

第一是稳定性强可靠性好，和第二，操作简单，第三是制作成本合适。

关于核心电路的设计，应该能可以达到对速度的计算，设备技术成熟，运行相对平稳，同时经济成本也适中，整个系统。

为了提高生产能力，制定切实可行的安全。

图2．8单片机接线设计图

2.4.2AT89C51单片机简介[2]

MCS 51单片机是1980推出的英特尔产品，已经超过10种产品在市场热销，可以被分为51和52系列。

他们的区别在于：

切片数据存储256字节。

在8kb的芯片程序存储器的增加。

5系列的典型产品有8031，8051和8751个通用的产品，如他们的指令系统完全兼容芯片引脚。

1）主要特性：

[10]

●与MCS51兼容

●4K字节可编程闪存

●寿命：

1000次/写周期

●数据保留时间：

10年

●静态工作：

所有零赫兹。

24赫兹

●水平3程序内存锁定

●“128”内部RAM

●编程线数：

32个I/O线

●两个16位定时器／计数器

●5个中断源

●在低功耗模式的电力低怠速和损失

图2.774HC138管脚图

2）管脚说明：

[3][10]

①VCC：

供电电压。

GND：

接地端。

P3口：

P3口八引脚是内部上拉电阻与双向I/O端口，接收多个电流输出四1]。

当P3后写一个“1”，他们都是高水平的内部上拉，并作为输入端口。

作为输入，由于外部条件的低水平，P3将输出电流，这是由于内部上拉。

表2.1P3口功能表

2.4.3信号输入输出单片机方式

通过P1口输出功能，并且打印输出，通过P0口出来显示数据，还是P3作为控制线。

使用CPU传感器信号输入中断1外部中断，CPU的接收中断的应用，反过来，从4373锁存器读取数据，并从传感器的信号确定。

随着查询方法8279键盘输入，并显示的CPU8279在一个时间数据。

74hcl38p2.5。

P2.7解码，选不同的芯片。

如表2.2所示，选通地址表。

表2.274HC138选通地址表

2.4.4键盘显示芯片8279管脚介绍

键盘输入：

首先是自动扫描完成以后将会是自动连接到键盘或矩阵组成的传感器，信息被录入，然后显示出输出数据通过led数码管显示。

1）8279引脚引线及功能描述

8279为40列引脚封装，如图2.10所示。

图2.108279管脚图

2.5键盘输入电路的设计

2.5.1单片机定时／计数的功能

在实时控制系统，经常需有实现实时时钟的时间或时间延迟控制，也常常需要有外界的事件进行计数。

1）定时的一般方法

①软件定时

②硬件定时

③可编程的硬件定时

2）定时器的结构与工作原理[10]

①工作方式寄存器TMOD

8位TMOD各位的定义如下：

B0B1B2B3B4B5B6B7

GATED／／TM1M0GArED／rM1MO

GATE门控位

D／／T计数／定时功能选择位

②定时器控制寄存器TCON

B0B1B2B3B4B5B6B7

TFlTRlTF0TR0肌mIEOITo

TFl／TF0T0厂r1标志位，中断响应时硬件自动清零

TRl／TR0T0／T1启动与停止控制位

1断控寄存器（IE）

B0B1B2B3B4B5B6B7

·EA：

总中断允许控制位

2.5.2单片机中断控制功能[10]

在供应链面临中断用的几种特殊寄存器的功能部分控制部分下面提到的几点，因此键盘电路设计1）串行口控制寄存器SCON（98H）

B0B1B2B3B4B5B6B7TIRI

·TI：

串行口发送完一帧数据标志

·RI：

串行口接收完一帧数据标志

2）中断优先级控制寄存器IP（B8H）

B0B1B2B3B4B5B6B7

·PT0／PTl：

定时器0／1的中断优先级设置位

·同级中断内部查询顺序：

INT0TOINTlT1SPORT

89C51中断优先级控制规则：

（1）中断优先级的执行方法程序只接受由高到底。

（2）在中断不会中断其他中断服务在同一级。

（3）在中断源相同的水平同时中断服务，为INT0，序列的回应，国际，T1，和运动

2.5.3关于单片机的中断处理过程[10]

1）中断响应和时间条件

（1）中断的优先级判断条件的允许

（2）中断响应时间：

3到8个机器周期

2）中断响应过程

（1）对应的状态触发设置优先级1块中断请求后，在同一水平或更低

（2）执行隐式ICAI，L指令，PC到相应的中断服务程序的入口地址，以及断点保护，包括中断入口地址是：

INT0：

0003HC／I'0：

000BH

INTl：

0013HC厂r1：

001BH

STR：

0023H

中断服务程序：

执行命令的程序，弹出断点地址返回主程序的执行

对应的中断优先级状态寄存器0，为了回应其他中断的应用。

2.5.4清除和职位

置位：

采用相应的硬件中断信号的有效设置，如果设置为外部中断的触发脉冲方式，脉冲周期的维持至少两机器宽度，如果设置一个电平触发方式，应重视对低水平的去除。

清除：

当中断由CPU响应，除了串口中断标志是不明确的，其他的中断标志位将由硬件自动删除，和串口中断标志必须被移除的软件中断服务程序。

[4]

2.5.5单片机扩展基本操作

当一个中断信号时，将触发中断INT0中断INT0中断处理程序，在第一，再到具体的外部中断信号的I/O端口来查询，从而最终决定哪一个中断信号来执行中断处理程序。

1）通过自身的定时器／计数器实现中断扩展

单片机系统中有三个定时器，计数有三个内部中断标志和外部输入引脚。

单片机定时器的初始值设置为最大，并使其在计数模式下工作，所以当计数器的输入端有计数脉冲时相应的计数器将会溢出，使相应的设置定时器/计数器中断标志，如果对应的中断的中断，产生相应的中断定时器计数器溢出中断处理程序[5]，内部停靠在输入事件处理的计数器脉冲，这是通过定时器/计数器中断外部中断扩展的方法。

2）中断和查询结合法

通过两个外部中断单片机的输入线，每一个中断输入逐行或关系的连接多个外部中断源之间，并使用线路输入端口识别每个中断。

2.5.6键盘电路设计

为了能够随时掌握信息，发射指令所以在设计的初衷上往往会需要设计人机联动功能，用于时刻掌握系统的当前状态和运行结果。

键盘实现机器的基本设备系统的输入数据和干预，它本质上是一套钥匙的战士了。

由于非编码键盘，你需要更少的硬件，价格便宜，所以系统选择的非编码键盘。

选择8279种通用编程的键盘，它有16个8位随机存取存储器8由8位的FIFO寄存器（FIFO）。

8279/CS信号输入件，有效的低水平，是开始工作的8279行地址选择，它收到了AT89C51单片机系统解码器74LSL381Y引脚。

第8279八双向数据输入/输出线DB78279。

AO为控制命令和数据选择信号的状态，是用来标记输入/输出信息控制命令或数据。

当AO=我（高），用于控制/命令状态输入/输出信息；当AO=0（低电平），为数据的输入/输出信息。

3.慢扫描线，用于扫描按钮开关、数字显示。

当选择编码扫描方式，这种方式可以从外部进行解码，扫描计数器生成的二进制数值提供键盘或显示器的扫描信号，线路输出，高电平有效[6]。

慢点频率波形输出，当外部4.16解码器，可以扫描显示16显示；当选择的方式解码扫描，扫描线输出低电平有效，SL3。

斯洛伐克的每一时刻只能有一个对产出水平低。

同时，8279只四外部显示8和4键盘。

根据系统的接口要求，所以连接8279个外部线路编码扫描方式，外部8x3键和一个16位数字显示。

7。

RLO回声线，通过按钮连接到扫描。

具有锁存功能，内部环回缓冲区用于八回送在线信息缓冲和锁存器。

键盘下的作品，回声线快速扫描，密切确定关键的哪一个。

后来，在数组的地址的关闭按钮的移位和您在一起形成键盘数据FIFO寄存器的状态。

2.6数码显示电路的设计[7]

数码管由八个发光二极管（LED），可以用来显示0-9，AB，C，D，E，F和P和小数点。

所以，如果适当的控制，使二极管导通后，这些传导二极管可以构成一个显示字符。

在共阴极数码管，大量的“1”导通二极管，说剩下的二极管与“O”说。

8279引脚outa3。

的A0，B3。

输出八路信号的mcl413B0，实现数码管的段每个选定的驱动作用。

8279-A0A3，B3。

随着SL3B0输出变化的数据。

输出SL0有时是不同步的，所以导致显示段码不应该是明亮的微微发光显示字符，和更好的亮度与其他段落比较。

所以代码扫描方式下，应与BD信号控制解码器的工作，显示消隐时更改数据，可解决上述问题。

这部分电路设计如图2.11所示。

2.7语音报警电路的设计

专为户外语音播报语音电路。

Microchip公司的单片机为核心的picl6c71生产，isdl420 ISD语音芯片的芯片公司生产的。

2.7.1P1016071单片机功能简介

PICI6C71单片机是一种高性能的芯片生产，价格低，使用CMOS技术制造，一个8位微控制器的静态设计。

它包含1个KX14程序存储器，数据存储器36，4路8位A/D，13！

I/O口，有四个中断源。

如图2.12所示的管脚。

图2.12PIC16C71管脚图

2.7.2ISDl420芯片功能简介[10]

ISDL420ISD芯片是适合与单片机连接属于语言芯片。

ISDL420语音芯片的特点：

1）采用DAST。

2）编程，使用方便，可随意更改记录内容，记录的100000倍多。

3）具有自动省电功能，在你维持电流在0.5的记录和回放，即时为等待状态，不想等待时间。

4）采取的时钟源。

5）可以信息分段存储期。

6）有很强的抗干扰性能。

7）+5 V单电源。

8）总线技术，适用于单片机的接口。

ISDL420如图2.13。

ISDL420是高达160的声音录制的语音，最短时间可以达到0.125秒引脚的简要说明如下：

麦克风，话筒输入，麦克风的输入信号通过耦合电容的通信到目前为止引脚，并通过芯片上的放大器。

SP+，SP扬声器输出端，该端可直接驱动16QP，JPA。

四倍，单端脚和喇叭100连接的超交换耦合电容之间的输出，输出将保持高电阻在记录期间[8]。

RECLE布莱工作状态指示的一面，同时记录或重放端输出低电平，可以驱动一个LED显示状态。

东南亚的工厂控制侧_触摸的声级分布，水平为低电平并保持结束时，芯片进入游戏。

重新布莱记录触发端，REC一旦进入一个较低的水平，芯片进入记录状态。

图2.13ISD1420

2.7.3语音电路设计

部分电源将会采用二极管整流，变压器端通过与次级输出端口相连，整流电路同时使4个二极管整流。

该电路有两种工作模式：

声音的自动和手动两种方式。

在正常情况下，声音在自动播放状态，只要车，系统自动生成的无人值守的语音通讯通道和行人；遇有特殊情况，值班人员可以打开广播人工的方式，与语音板将发布通知的麦克风。

发现在实验的过程ISDL420芯片使用时应注意的几个问题：

（1）所有的芯片控制终端，地址必须可靠接地或高层次的，不挂了，不然会有缺失现象。

（2）为了充分发挥了高质量的高逼真度的特性，应注意：

AGC性能接近的芯片，和附件的短；电源的地线宽度应大于0.88毫米。

如图2.14所示的设计的语音电路。

2.8打印接口电路的设计

AT89C51单片机是设计运用的核心处理器，在打印接口方面简单的实现目的就得让串口的输入输出来控制电平之间的转换。

MAX232芯片的引脚功能如图2.15所示

图2.15MAX232管脚图

对RS232收发器MAX232电平转换器，单+5V电源，只有几个外部电容可以完成多个水平环评1]级变换。

对于打印机连接，如图2.16所示。

用户可以通过一系列的并行端口控制块来选择通信方式的变更控制委员会。

该系统使用一个串行端口。

2.9系统整体电源电路的设计

系统正常稳定工作，也必须要有稳定和可靠的电源系统的安全因此，系统电源电路的设计哲学：

在正常情况下，应该直接到220V AC功率平坦的电力系统，并经过电源板处理后分别为主机，打印机，传感器和其他电源电源电路设计进行供电。

电源电路设计如图2.17所示。

在非正常状态下电路中有些设备将使用电池电量，直到电池电量低于规定数值是，将会自动关闭。

3.软件系统设计

3.1软件系统设计方案

硬件电路通过以上章节的设置后，为了实现系统的硬件实现的要求，必须依赖于软件系统维护的设计。

软硬件合理的设计功能的合理区分以及分工是使系统能够正常运行最基础的条件。

1）注意的问题分析，阐明所要解决的问题。

2）谨慎选择算法。

根据和指挥系统的特征问题的要求，计算公式和方法，应在谨慎的决定，这是对传统的算法。

算法是特别重要的，它是程序设计的本质和判断程序的正确性和系统的可靠性是运行在未来。

3）绘图程序框图。

对算法的选择依据，步骤和操作顺序，操作过程映射到程序框图程序。

4）解决业务流程图。

根据确定的数据格式，工作分配单位，及程序框图更详细的操作流程图的绘制。

5）写的汇编语言程序。

根据程序流程图的操作和写的汇编语言程序指令系统。

6）为试验。

与单片机相比，不从发展的功能，使用模拟器，模拟

真正的调试程序断点，单步，连续的方式，来完成程序测试，消除程序中的错误，

为满足应用要求。

7）优化程序。

优化程序的长度是为了加快了计算速度。

3.2软件总体设计的分解

在本系统的软件设计可分为三个部分：

第一部分，初始化和自检、断线检测装置。

第二部分，键盘管理。

第三部分，对列车接近报警。

第三部分项目，部分是因为数量大，由于交叉场线各不相同，检查点和测试点的位置的数量也不同，所以程序不能通用，可根据实际情况进行修改。

图3.1软件总体框图

3.3系统设备断线检测模块设计

自检是所有的传感器状态的重要作用，并检测。

自我检查系统初始化后，和系统的工作后，也更加需要连续检测传感器状态，以确保传感器在列车通过正常的工作，所以当程序设计应开机自检和启动检查工作后。

初始化后进入自检，启动四个373口的自我检查，测试2000次，如回读1000小时连续的高水平，打破线。

检查后进行每个主程序循环启动环，然后在373的测试时间，出现了高水平的记录。

16位为每373计数器记录，当连续记录1000小时（此时主程序也执行1000小时的时间，大约需要10秒），断开报警。

离线检测模块框图如图3.2所示。

3.4列车接近检测模块设计

铁道部的相关成文明确规定了列车在运行过程中接近道口的时间是统一标准的。

对于播报时间一定要正确，除了是为了方便管理计算之外更重要的是安全的保证，否则可能造成交通事故，造成巨大的生命和财产损失和国家财产。

所以，对于车辆的制造工艺和设计水平会有强制的要求。

由于一个单一的方向，多个方向同时或先后汽车接近交叉的可能性，所以软件要求应达到在同一时刻能够检测到多达五两以上的车辆的相关数据信息并且要求准备快速的记录。

满足以下被认为是一个火车接近三的条件：

1）传感器1和2连续信号有效，必须注意在1第一，2代表的是接近十字路口的方向。

2）两个信号的时间差是速度的对应1 - 200公里/小时，在这个范围是一个合理的速度。