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张春晓终极

南阳理工学院

本科生毕业设计（论文）

学院（系）：

电子与电气工程学院

专业：

电子信息工程

学生：

张春晓

指导教师：

曹原

完成日期2014年5月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文）

铁路道口自动报警系统设计

DesignofAutomaticAlarmSystemforRailwayCrossing

总计：

26页

表格：

5个

插图：

12幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文）

铁路道口自动报警系统设计

DesignofAutomaticAlarmSystemforRailwayCrossing

学院（系）：

电子与电气工程学院

专业：

电子信息工程

学生姓名：

张春晓

学号：

1209634010

指导教师（职称）：

曹原（讲师）

评阅教师：

完成日期：

南阳理工学院

NanyangInstituteofTechnology

铁路道口自动报警系统设计

电子信息工程专业张春晓

[摘要]铁路平交道口安全问题是铁路安全运输问题的重点和薄弱点，本课题针对我国铁路平交道口的现状，利用单片机技术开发了铁路平交道口自动报警系统，采用可靠性高、价位低、普及程度高、利于基层技术人员掌握学习的AT89C51作为控制芯片，该系统利用安装在铁路轨道内侧的传感器采集回来的车轮信息，经过信号处理系统处理，准确地将来车信息传送到单片机系统，单片机系统经过分析，把分析结果传递给语音系统，通过播报语音来通知道口值守人员及过往行人，大大降低了事故发生的概率。

因此，该系统的研究与设计具有非常重要的社会意义及推广价值。

[关键词]运输安全；平交道口；单片机；轨道传感器

DesignofAutomaticAlarmSystemforRailwayCrossing

ElectronicInformationEngineeringSpecialtyZHANGChun-xiao

Abstract:

Railwaylevelcrossingsafetyproblemsareweakpointsandthefocusoftherailwaytransportationsafetyissues,thesubjectforthestatusquoofChina'srailwaylevelcrossing,usingsingle-chiptechnologytodevelopautomaticrailwaylevelcrossingwarningsystem,withhighreliability,lowprice,popularityhighdegreeconducivetolearningbasictechnicalpersonnelAT89C51asthemastercontrolchip,thesystemusestherailwaytrackmountedinsidethewheelsensorscollectinformationbackthroughthesignalprocessingsystemtoprocessandaccuratelyconveyfuturevehicleinformationtothemicrocontrollersystem,SCMsystemafteranalysis,theanalysisresulttovoicesystems,voicebroadcastbycrossingdutytonotifystaffandpassers-by,whichgreatlyreducestheprobabilityofanaccidentoccurring.Therefore,thestudyanddesignofthesystemhasaveryimportantsocialsignificanceandpromotionalvalue.

Keywords：

Trafficsafety;level-crossing;single-chipmicrocompute;tracksensor

1引言1

1.1课题研究背景1

1.2国内外研究现状1

1.3设计任务及要求2

2自动报警系统的总体设计及芯片介绍2

2.1课题设计思路2

2.2系统主要组成部分3

2.3主要芯片性能及引脚功能介绍3

2.3.1AT89C51性能及管脚介绍3

2.3.2ISD1420芯片介绍及管脚功能4

2.3.3芯片L298N介绍及引脚图5

3硬件设计电路6

3.1传感器的选择及安装使用6

3.1.1传感器的选型6

3.1.2传感器的安装使用7

3.1.3传感器测速原理图7

3.2信号处理电路的设计7

3.2.1信号整形8

3.2.2光电隔离8

3.3系统主电路设计8

3.3.1设计原则和方案8

3.3.2单片机系统原理图8

3.4显示电路的设计9

3.4.1共阴极和共阳极7段LED显示字型编码表9

3.4.2显示电路原理图10

3.5语音电路的设计10

3.5.1语音报警系统的原理图10

3.5.2电源电路的设计11

3.6硬件抗干扰设计11

3.6.1系统抗干扰性及设计原则11

3.6.2消除干扰的主要措施12

4软件系统设计12

4.1软件设计的步骤12

4.2软件总体流程图13

4.3语音系统软件设计13

4.4来车报警图14

4.5列车速度显示图15

4.6报警复原图16

4.7软件抗干扰措施16

结束语18

参考文献19

致谢20

1引言

1.1课题研究背景

现代的交通运输主要包括航空、管道、铁路、公路、水路等基本方式，在这五种基本的运输方式中，铁路运输具有运输能力大、成本低等突出优点，因此，铁路运输是我国一项重要的基础设施，是我国国民经济重要的支柱、交通运输体系的重要组成部分，对国家和社会经济的正常运行和快速发展具有非常大的影响和全局性的作用。

因此，我国正在努力改善铁路运输的安全状况，大力发展关于铁路行业的建设事业。

由于我国人口众多，再加上有些地方地形险要环境恶劣，轨道弯道比较多，因此事故的发生概率比较大。

列车运行安全以及行人人身安全的关键因素之一是铁路平交道口的安全，铁路和公路的结合处称为铁路平交道口，而解决平交道口安全问题的根本说到底是人的问题，交通安全与我们每个社会成员都息息相关，近年来随着轨道增多列车提速以及公路车辆的快速增多，导致我国铁道平交道口事故率不断增加，据统计，我国每年铁路道口的交通事故就多达上千起，这足以说明铁路平交道口的安全问题已经变的越来越突出，形势越来越严峻。

因此，为改善铁路平交道口的安全状况，设计出一种具有高可靠性的道口报警设备，在列车接近道口前报警，提示道口职守人员及行人、车辆注意，以确保列车安全通过，减少以至杜绝道口交通事故的发生都显得十分必要。

[1，2]

1.2国内外研究现状

目前，我国的铁道平交路口科技水平相对来说还是比较低的，与西方发达国家相比还有一定的差距，基本处于发达国家五六十年代的水平，依靠电话通知和铁道工人眺望是我国现在站内道口来车管理的主要方法，遇到天气或是通信状况不好的时候，事故发生的概率就大大的增加了，但是铁道部却没有统一的定型产品，只有少数平交道口安装了“铁路道口防撞装置”，因此增强我国铁道平交路口安全，尽快研制出一种利用率高的报警系统已经迫在眉睫了。

在一些西方国家，虽然铁路网比较发达，道口密度也比较大，安全隐患也相对比较高，但是大部分的国家道口安全工作做得还是比较好的，例如England，其道口事故率要低于其他国家，这主要是由于英国政府在增强道口安全教育和控制铁路平交道口违反交通规则的同时，研发出了一种新型的平交道口预测器，英文名字为Levelcrossingpredictor，该铁路轨道电路虽然有很大的优越性，但是其价格昂贵，同时，我国和英国采用不同的的铁路系统，因此我国的铁路道口无法直接使用Levelcrossingpredictor。

在德国的铁路平交道口中安装了轨道传感器及安全防护系统近年来还为此研制了ZS2000电子联锁车站信号设备，但由于操作比较复杂且费用比较高，因此为了使此信号设备得到广泛使用，必须要进行电子联锁设备和信号设备一体化。

实现铁路快速发展目标的一个重要方面就是铁路平交道口的安全状况的好坏，它关系到人民的切身利益以及生命财产的安全，每年都会发生多起平交道口引起的事故，因此本课题研究的目的是研发适合中国铁路道口系统的自动报警设备，减小道口交通事故的发生概率，提高平交道口来车报警的可靠程度和准确性，大大的降低误报、错报事件的出现概率，从而有效的避免平交道口事故的发生，因此，我国应尽快研发出一种可靠性高，适用性广的铁道路口的自动报警系统。

[3，4]

1.3设计任务及要求

系统总体采用了AT89C51单片机为铁路道口自动报警系统的核心，AT89C51单片机是高性能的CMOS8位的单片机，具有32可编程I/O线、16位的定时计数器、5个中断源、片内振荡器及时钟电路，功能非常强大，非常适合该自动报警系统。

成对的凸出极磁电式轨道传感器安装在钢轨内，该自动报警系统能通过传感器来感应到的车轮信息的速度和距离，传感器检测到的信号经过特定的信号处理系统，经过处理的信号经电缆传送到道口的主机房内。

AT89C51单片机分析此信号，对列车是否通过该路口做出判断，并通过控制平交道口显示灯的转换及语音报警功能的开关以及控制道口栏杆升降这些手段，从而达到自动检测、自动报警、智能通知和提升铁路平交道口整体安全状况的目的。

[5,6，7]自动报警系统列车接近时系统的主要功能有如下几个:

（1）列车接近平交道口语音报警功能，当列车接近铁路平交道口时，该自动报警系统会自动播报“各位司机、旅客朋友请注意，火车马上就要开过来了，请不要抢行和翻越栏杆”。

（2）交通灯切换功能，当列车接近铁路平交道口，轨道传感器采集列车接近信息，并分析列车的速度和距离，确定列车接近信息，如果列车即将接近，报警系统会立刻控制交通灯的红色信号灯亮，绿色信号灭，以提示行人、车辆禁止通行。

（3）道口栏木升降功能。

（4）系统复原功能。

该文章主要详细的介绍了声光报警功能，对其交通灯切换功能和道口栏杆升降功能，该文章不做介绍。

2自动报警系统的总体设计及芯片介绍

2.1课题设计思路

在铁路道口的铁轨内侧安装成对的车轮传感器，该传感器能够检测到来车的速度和距离，然后把检测到的信息传送到主机房内，主机房开始分析该信号的特点，然后做出判断，然后通过语音系统来发出警告，提醒行人和列车司机注意安全。

根据此设计思想及设计原则，设计出了该自动报警系统的组成框图，如下图1所示:

图1系统组成框图

2.2系统主要组成部分

该系统主要有四个模块组成：

1、安装在铁轨内侧的传感器系统2、以AT89C51为核心的单片机系统3、语音报警系统4、由显示器、键盘、以及打印机等组成的显示系统。

（1）传感器系统：

本系统传感器的要求非常的苛刻，所要求的传感器必须灵敏度高、耐用，所以本系统采用的是凸出极磁电式轨道传感器，轨道传感器必须要成对的安装在铁轨的内侧，传感器采集来车的信息，并对信息稍加处理后传送到单片机系统。

（2）单片机系统：

单片机系统是该报警系统的最重要的组成部分，是该系统的中央处理系统，他能够把硬件与软件结合起来，来实现系统的各项功能。

（3）显示系统：

当列车即将接近道口时，单片机对传感器采集到的信息进行分析，然后在显示器上显示出列车的速度及距道口的距离，对来车做出正确分析。

（4）语音报警系统：

语音报警系统也是此报警系统中比较重要的部分，该报警系统要在列车通过前的40—90秒内发出报警，该报警系统主要用于提醒行人和司机朋友注意安。

2.3主要芯片性能及引脚功能介绍

2.3.1AT89C51性能及管脚介绍

AT89C51带有4K字节可编程可擦除得只读存储器，它是一种高性能的8位微处理器，人们常称它为单片机。

它采用了CMOS工艺和NURAM技术，与工业标准的MCS-51输出管脚和指令集相兼容，由于在单个芯片中含有功能强大的8位CPU和储存器，因此AT89C51是一种性价比非常高的单片机，它已经被普遍应用在各种控制领域[8，9]。

AT89C51的主要性能有:

1）与工业标准的MCS-51输出管脚和指令集相兼容；

2）4KB可改编程序闪烁存储器；（寿命1000次的写入/擦除周期）；数据保留时间长达10年；

3）128个8位内部RAM，2个16位定时器/计数器；

4）32条可编程I/0线；6个中断源；

5）具有片内振荡器和时钟电路；

6）可编程串行通道；

·P0/P1/P2口为双向I/O口，既可作为输出也可作为输入。

·P3口是带8个内拉电阻的双向I/O口，也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

当P3口写入“1”后，内部上拉电阻为高电平，这时候该管脚做为输入管脚，P3口也可作为特殊功能口，如表1所示：

表１P3口功能介绍

口管脚

备选功能

P3.0

RXD

串行输入口

P3.1

TXD

串行输出口

P3.2

INT0

外部中断0

P3.3

INT1

外部中断1

P3.4

计时器0外输入

P3.5

计时器1外部输入

P3.6

外部数据存储器写选通

P3.7

外部数据存储器读选通

·RST：

复位输入；

·/PSEN：

外部程序存储器的选通信号；

·EA：

当/EA为低电平时，将内部锁定为RESET；当为高电平时此间内部为程序存储器；

·XTAL2：

来自反向振荡器的输出；

2.3.2ISD1420芯片介绍及管脚功能

ISD1420是InformationStorageDevice公司生产的，ISD1420芯片采用直接模拟存储技术，可编程电擦除技术，录音内容存入永久存储单元，并有一定的混响效果，提供零功率信息存储。

他主要有前置放大器，自动增益控制电路，输出放大器和抗干扰滤波器组成。

[10，11，12,12]表2为其引脚介绍：

表２ISD1420管脚介绍

名称

管脚

功能

名称

管脚

功能

A0~A5

1～6

地址

AnaOut

模拟输出

A6~A7

9～10

地址

AnaIn

模拟输入

VCCD

数字电源电路

AGC

自动控制增益

VCCA

模拟电路电源

Mic

麦克风参考输入

VSSD

数字地

PLAYE

放音及边沿触发

VSSA

模拟地

REC

录音

SP+

14，15

喇叭输出+

RECLED

发光二极管接口

XCLK

外界定时器（可选）

PLAYL

放音，电平触发

空脚

2.3.3芯片L298N介绍及引脚图

L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片，它是由ST公司生产的，人们常见的是内部包含4个通道逻辑驱动电路15脚Multiwatt封装的L298N，这种驱动芯片可驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

该芯片的主要特点是：

工作电压比较高；输出电流大；内含两个全桥式驱动器；采用标准的TTL逻辑电平控制信号；有一个逻辑电源输入端；两个使能控制端。

[14，15,16]下文中的图2和表3分别为芯片引脚图和引脚介绍。

图2L298N芯片引脚图

表3L298N引脚介绍

引脚

符号

功能

SENSINGA

SENSINGB

此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号。

OUT1

OUT2

此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载。

电机驱动电源输入端

IN1

IN2

输入标准的TTL逻辑电平信号用来控制全桥式驱动器A的开关

ENABLEA

ENABLEB

使能控制端。

GND

接地端，芯片本身的散热片与8脚相通

Vss

逻辑控制部分的电源输入端口

IN3

IN4

输入标准的TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作

OUT3

OUT4

此两脚是全桥是驱动器B

的两个输出端，用来连接负载

3硬件设计电路

3.1传感器的选择及安装使用

3.1.1传感器的选型

该自动报警系统对传感器的要求比较高，因为该系统的工作环境条件比较恶劣，其工作位置靠近站台和道口，容易遭受到环境和人为的破环，所以要求选择的传感器的灵敏度比较高，而且耐用性比较好，有较大的输出范围，在满足上述要求的情况下，无维修或是少维修、测试范围广、无源等要求也是非常重要的。

经过精心筛选和综合比较，本报警系统选用了凸出极磁电式轨道传感器，该传感器与其他的一般的传感器相比较具有很多优点，例如它比较坚固、不容易损坏、无源、能够长期在恶劣的环境下工作，且不需要很多的维护，除此之外，它还可以定期的扫除铁屑，所以该传感器是此自动报警系统的最佳的选择。

该传感器的工作原理是法拉第电磁感应定律，它的原理是导体切割磁感线，通过磁通量的变化产生感应电动势，因此产生了电信号，该电信号的幅值由磁通率决定。

3.1.2传感器的安装使用

传感器的安装要考虑多方面的因素但主要的因素有以下几个：

（1）机车轮沿和车辆轮沿的高度分别为25和28毫米；

（2）车辆踏面最大允许限度为9毫米，如果车轮踏面超过此限度则不能够继续使用，所以为了保证传感器的安装不超过界限，在保证安全使用的同时又能够充分利用传感器的信息源系统设计时确定传感器面到铁轨面的高度为37毫米，但在特殊的情况下此高度可适当的降低3毫米。

3.1.3传感器测速原理图

为了能使单片机系统能够计算出火车的速度，我们在铁轨的内侧安装了两只传感器，两只传感器的距离固定，这样可以依据脉冲发生间隔时间，通过单片机系统编制的软件计算出火车的行驶速度，其测速原理如下图3所示：

图3传感器测速原理图

3.2信号处理电路的设计

传感器输出的信号是一种模拟信号，该模拟信号是包括故障信息和车轮信息的复合信号，但是该模拟信号不能直接供数字式控制系统使用，必须经过必要的处理后才能供数字系统使用，即将有用信息转换为标准的开关量，这就是信号处理电路的设计原则。

依据该设计原则和对传感器信号和控制系统的要求，本自动报警系统的信号处理电路应该具备下列功能：

（1）能够将复合模拟信号中包含的故障信号分离出来。

（2）能够将车轮信号从复合模拟信号中分离出来，并将其整形为脉冲信号。

（3）能够滤除车轮信号中的颤动信号。

（4）能够处理干扰传感器及线路传输的信号。

（5）隔离内，外地。

该系统的信号处理电路由4个独立的纵向通道组成，而每个独立的纵向通道能够处理8路传感器的信号，也就是说该信号处理系统总共能够处理32路的传感器信号，由此可以看出该处理电路的功能是非常强大的，在这32路的传感器信号中前16路信号构成int0中断，后16路信号另构成int1中断。

每个信号通道由锁存选通级、整形级、号输入级、光电隔离级以及中断控制逻辑形成电路组成，其原理图非常简单，这里我们就不再介绍了，下面我们详细的介绍一下信号的整形和光电隔离。

3.2.1信号整形

74HC245芯片具有很多优势，在该信号整形级中选用的就是该芯片，当74HC245芯片的DIR端接电源后要使芯片始终处于选通状态，则第19管脚必须接地。

3.2.2光电隔离

在实际的信号处理电路中，不可避免的存在各种各样的干扰信号，为了保证信号传输的准确性，决定在信号处理电路中增加光电隔离级，即采用隔离技术来增强抗干扰能力。

在硬件上常用光电耦合器来实现电光电的隔离，这样就可以有效的阻止干扰信号的传递。

本系统采用的光电耦合器是TLP521-4，这是一种具有完全对称特性的光电模拟信号隔离器。

该光电隔离器的特点是：

其内部结构为4个光电耦合器，它们的物理特性完全一直、重复性好、并且4个光电耦合器的4个电源实现了完全隔离，有良好的线形度，地面的干扰完全消除。

这样该光电耦合器在电路中就将选中的模拟信号的输入级、输出级完全隔离开来，阻止了相互之间的电联系，从而消除了输入级、输出级之间的干扰。

3.3系统主电路设计

3.3.1设计原则和方案

该自动报警系统的主电路的设计原则：

一是稳定可靠，二是操作简单，三是经济成本适中。

AT89C51单片机技术比较成熟而且价格适中，能够稳定的运行，且能够满足系统工作时的计算速度，因此我们选用AT89C51这款单片机作为该自动报警系统的核心。

电路上的元件均采用拔插式，这样的设计能够保证系统故障的快速排除，为提高动力发展生产提供保障。

3.3.2单片机系统原理图

该自动报警系统的关键设计之一是以AT89C51为核心的单片机系统，AT89C51芯片的管脚及性能已在第二章中介绍过了，这里就不再赘述了。

根据该系统所要求实现的功能和芯片的性能，我们设计出了单片机系统原理图，下图就是以单片机为核心的单片机系统设计原理图，如图4所示：

图4单片机系统原理图

3.4显示电路的设计

显示电路最重要的是数码管，单片机中常使用7段LED构成字形“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，数码管由八个发光二极管构成，可用来显示0～9，ABCDEFG字母，除此之外还有一个小说点发光二极管，LED显示器分为共阴极和共阳极两种。

把发光二极管的阴极连在一起（公共端KO）称为共阴极显示器，把阳极连在一起称为共阳极显示器。

在本系统中采用的是共阴极显示器。

3.4.1共阴极和共阳极7段LED显示字型编码表

表4数码管显示字型编码表

显示字符

共阴极段码

共阳极段码

显示字符

熄灭

共阴极段码

共阳极

3.4.2显示电路原理图

显示电路是该自动报警系统的重要组成部分，在该报警电路的显示系统中，采用了四个共阴极的16位的LED数码管来显示列车距道口的距离和列车的实时速度和，根据列车据道口的距离和列车速度，单片机系统进行处理和分析，然后语音系统给出准确的报警信息。

下图就是我们根据该报警系统的功能和要求设计的显示电路的原理图，如图下5所示：

图5显示电路原理图

3.5语音电路的设计

语音电路的核心是m

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