南通大学基于80C51的铁路道口报警系统设计_基于80C51的铁路道口报警系统设计

学生姓名：熊峰专业：通信工程指导教师：刘文科第一章绪论题目铁路道口报警系统设计1.1问题的提出相较于公路、水运、航运等其它交通方式，铁路运输具有无与伦比的优势：1、铁路路线散布广，便于货品的接送、转换，适合远距离运输。2、随着铁路的不断提速，铁路运输速率将越来越快，运输效率将越来越高。3、铁路运输不容易受气候的影响，可以长年累月稳定地运转。4、铁路能一次性运送几千吨的货品。正是因为铁路在我国交通运输中占据如此重要的地位，而且其作用有增无减，所以大力发展铁路运输事业是党和国家所高度重视的，包括火车的扩建、火车的提速等等。由于火车轨道在修建铺设时无法完全避开人们工作生活的场所，所以必须在交汇处设置铁路道口。但是根据我国当前的技术和财力无法做到每一处道口都封闭运行，要是火车高速经过道口而无任何事前的警报，那么很容易造成交通事故。因此为了提高火车运行的效率和保障行人的安全，有必要设计一套铁路道口报警系统来解决火车通过道口的安全问题，为铁路的快速发展提供安全保障。1.2国内外研究现状国内外目前主要研究设计如下几种铁路道口报警系统：(1)基于轮轨激励声检测的铁路报警系统；该系统建立在共振解调技术的基础上。共振解调技术能敏感感应出车轮与轨道接触引起的脉冲信号，系统由声音传感器和振动传感器采集来车信号，通过传感器、选择器分离出高频及中频振动信号，再分别经过解调器解调后送至单片机进行处理，从而控制声光报警器报警[1]。(2)基于嵌入式系统的铁路道口报警系统：该道口报警控制以嵌入式系统作为控制中心，用安装在铁轨上的磁性踏板开关来检测火车到来和离去的，最终由嵌入式系统控制各个报警装置预警[2-5]。(3)DSP和以太网设计的铁路道口报警系统：它是由道口周围的检测系统和以芯片RTL8019AS为核心的控制中心系统构成；火车即将到达道口时，由传感器采集火车信息并经信号处理电路后送至DSP控制中心进行处理，最终发出命令对报警信号进行控制[6-9]。(4)视频道口预警系统：一些先进发达的国家利用数字化技术对采集信息进行处理，优点是能更直观判别出火车和道口情况，报警更智能化。但从目前发展来看，系统的可靠性和稳定性并不是很高，还不能满足现实情况的需要，还需要相关领域的专家和技术人员不断改进、研究，相信在不久的将来能为铁路运输带去历史性的飞跃[10-13]。1.3研究的目的和意义随着火车的不断提速和扩建，火车为人民带来的利益更加显而易见，但是不能以牺牲行人的生命财产安全作代价，也不能因此而降低铁路的运输效率，所以根据我国目前铁路的实际情况，开发可靠性高稳定性好且价格便宜的道口报警系统具有重大意义。第二章道口报警系统简述2.1系统组成框图要设计一个系统首先得对这个系统的组成要清晰的认识，并且还要对系统里面每个部分之间的如何发生联系和每个组成部分各自的功能了如指掌。本报警系统可以分为几个部分，传感器、信号处理电路、单片机系统、报警装置等等，可用框图概括它们之间的联系，如图2.1所示。图2.1系统组成框图传感器：传感器是一个十分灵敏的器件，能感应车轮信息，由此感应出火车的到来，它是整个系统的基础。信号处理电路：信号从传感器传出来后，不能马上就传输给单片机，因为信号比较微弱而且含有干扰信号，所以要通过信号处理电路进行必要的处理。单片机：单片机是系统的核心，像人的大脑，靠它指挥、控制是整个系统的运行，没有它系统无法“动”起来。显示器：显示器用来显示火车离道口的距离、速度、何时到达等信息。声光报警器：通过这样的装置发出声音、信号灯报警，预防事故发生。故障提示：故障提示功能简单地说当系统出现一些故障时，能够发出相应的警报告知道口值班人员系统出现故障了，需要及时处理。键盘：开关，复位等操作。2.2系统工作平面图在铁轨选定合适的位置，并且在这些位置上安装传感器，传感器采集的信号传输到安置在道口房的单片机控制中心上，由单片机处理完传进来的信号之后，控制相应的警报装置产生报警。传感器信号处理电路单片机键盘显示器声光报警器故障提示系统工作平面图如图2.2所示。图2.2系统工作平面图HHHHHHHHHH显示器键盘上行上行停电电源故障确认触发传感器触发传感器复原传感器系统主机第三章系统硬件设计3.1传感器的选择我国铁路道口基本上设在户外，那么传感器也必须装在户外；这样一来对传感器的要求就相当严格，因为烈日暴晒、风雨吹打、沙尘覆盖在所难免。所以选用的传感器只有坚固耐用、精准可靠才能经得住如此恶劣环境的考验。经过对比分析不同种类的传感器，决定选用电磁型铁路车轮传感器。该传感器由发射头、接收头及底座和电缆组成，外壳由抗压耐磨的铸钢制造而成，能够在恶劣的环境下长期稳定地工作，极少需要维修。传感器工作原理如图3.1所示。图3.1传感器工作原理图发射头加上高频电压后，根据电生磁原理，在轨道的横截面上产生磁场；又根据磁生电原理，接收头在磁场中产生相位固定的感应电动势，并以此作为传感信号通过电缆发送给单片机控制中心。当车轮经过磁场时，原先感应出来的磁场方向发生改变，因为磁场方向的改变，导致接收头产生的感应电动势的相位与原来的相比也发生了改变，而电动势的这一正反相变化经单片机处理后就可以作为过轮信号，并对信号进行计数，当统计值达到预设警报值时，系统开始报警。当火车全部通过感应区域时，停止报警，系统复原[14]。传感器的技术指标：工作方式：非接触感应式。适应轨型:45kg，53kg，63kg，78kg。检测车速：0－180KM/H。安装孔距：125mm。检测窗口范围：小于20×30mm。三芯线连接：黑色线为信号输出线，棕色线为电源正极线，蓝色线为电源负极线。工作电压（VCC）：DC10V-30V。额定功率：1.3W。输出电压：DC10V-30V。工作温度：-40℃至+85℃。相对湿度：小于93%。振动噪声:≤25mV。绝缘电阻:11MΩ。3.2传感器的安装传感器不仅要感应火车的到来，还要测出火车经过时的速度，所以传感器分两部分安装；一部分是触发端传感器，另一部分是复原端传感器。触发端传感器的测速原理图如图3.2所示。图3.2触发端传感器测速原理图触发端传感器需要在轨道上安装两个传感器，而且两个传感器之间的距离固定为S，当火车经过传感器1时，触发传感器1发出脉冲信号，此信号经过电缆传输到单片机上并启动计数器T0开始计数，当火车经过传感器2时，触发传感器2发出脉冲信号，此信号可用作停止计数器T0计数。则计数值X就对应于时间T。T=KX式中的定时计数器T0SV车轮传感器1传感器2钢轨道口开始计数停止计数常数K=100μs.最终V=S/T。触发传感器安装示意图如图3.3所示。图3.3触发端传感器安装图复原端传感器：停止报警的依据是检测火车是否经过安装在另一侧道口的传感器（复原端传感器）如图3.4所示。图3.4复原端传感器安装3.3信号处理电路设计传感器输出的模拟信号包括有用信号、故障信号以及外界带来的干扰信号，必须对这些信号进行信号处理，分离出有用信号和故障信号，并把干扰信号消除掉，最后还有将筛选出来的信号进行采样、量化为数字脉冲信号，如此才能被单片机使用[15]。信号处理电路的组成如下，如图3.5所示。图3.5信号处理电路3.3.1信号输入级信号输入级具有的功能是：1、连续检测电平信号的变化；2、检测信号的瞬时变化。图3.5中A点静态输入电压V1可以根据下面公式计算：11110.510.8350.287220.510.83CGPCGRRVVvRRR(3.1)其中限流电阻R1=0.51KΩ,RCG=0.83KΩ，分压电阻RP1=22KΩ，V+=5V。当传感器CG没有掉线时，V1=0.278V保持不变；当传感器CG掉线时，V1变为V+等于5V，这样就可以从硬件上根据电压V1的变化判断传感器是否掉线了。3.3.2信号整形级选用74HC245芯片，将有用信号和故障信号整形为脉冲信号。3.3.3光电隔离级光电隔离单单从字面上我们就可以知道它是用来隔离的，其主要隔离的是干扰信号并阻止干扰信号的传输。3.3.4锁存选通级因为有多个中断源可以向CPU申请中断，所以当CPU接受到中断申请时，必须首先确定是谁发出的中断申请。这一功能可以依靠锁存电路实现，锁存电路由74HC02、74HC373、74HC30组成，由于中断信号要经过74HC02和74HC30两个门电路，传输的时间产生时延，74HC373锁存器得以锁存中断信号。锁存器的输出接CPU的数据总线，CPU可以通138过译码器选通每个锁存器，从P0口读入数据进行查询，以此确定具体的中断源。3.4系统主电路的设计系统主电路的设计必须满足精确、简单、可靠同时能够高效率地工作而且价格尽可能低廉的原则。通过对比分析，决定选用性价比高、技术非常成熟的AT89C51芯片作为系统主电路的控制中心；选择该芯片还有一个相当重要的因素是它比较简单、易学，初学的工作人员只需经过短暂的培训即可很好的操作、控制。而且电路上的元件大多数都是插拔式的，这样就能最大限度的方便工作人员对系统进行控制、维护管理。3.4.1AT89C51简介美国ATMEL公司的AT89C51是51系列单片机接口最简单，最实用方便的单片机，特别是在中国应用的尤为广泛；由于这款芯片开发者众多，所以有丰富的资源可以利用，学习起来更加容易入手。AT89C51实物如图3.6所示。AT89C51的性能特点：·简单易学。·芯片资源丰富。·一个8位的CPU。·内部总线和数据线。·4k字节ROM。·128字节内部RAM。·32个可编程I／O口。·2个16位定时／计数器。·直接通过串口下载可执行程序，速度更加快。AT89C51内部结构框图如图3.7所示。CPU8位内存总线中断处理单元2034字节RAM64KROM4KBootA/D转换串口控制器SPI定时器TW1控制时钟和PLL单元MP3解码器音频接口LSB控制MMC接口键盘接口IO接口FILTX1X2RSTISPALESCLKDSELDCLKDOUTD-D+MCMDMDATMCLKKIN3.0P0-P5INT0INT1AREFAIN1.0TXDRXDT0T0T1SSMISOMSIOMCKSCLSDT图3.7AT89C51内部结构框图AT89C51引脚如图3.8所示。图3.8AT89C51引脚图其引脚的使用说明：VCC、GND：正常操作时为5V电源、接地。P0口：单片机的输入输出口之一可用来传输数据，并且还可以读取ROM的地址信号。P1口：和P0口一样也是单片机输入输出端口，但是一般不用它去做其它事情。P2口：P2口功能比较多，不仅能做数据传输接口还能传输地址信号，并且P2口以256B作为一个临界点，读取外部存储器RAM。P3口：TTL门电流可以由P3接受或者由P3口驱动它，当然也可以像上面介绍的三个端口一样作I/O口。但是P3口还有其它三个端口所没有的第二功能。RST：系统在打开电源开机的瞬间，有时会因为电压不稳定产生“错乱”的现象，为了能让系统正常工作，所以肯定要在开机时对其进行复位。XTAL1和XTAL2：XTAL1和XTAL2实质上系统内部放大器的地输入还有输出端，单片机系统毫无疑问可以使用内置有的振荡器，当然选用外部添加震荡器页也同样没问题，但是若选择的是外部振荡器，智能是XTAL1作为放大器的输入端。/PSEN：单片机系统是否需要使用外部存储器的程序，首先必须要通过此引脚选通外部程序存储器，如果单片机系统不需要外部存储器的程序，那么信号不起任何作用。ALE/PROG：一个机器周期ALE信号控制CPU对ROM读取两次数据，第一次读取一个字节并译码后指向下一个单元，第二次再读取一个字节，完成第一次一样的工作后经处理完成所有的工作。EA/VPP：若EA赋低电平时，单片机读取外部的程序存储器ROM。相反如果给EA赋高电平时，使用内部的程序存储器ROM，此引脚的功能在厂家生产时就已经规定好了。系统主电路设计如图3.9所示。图3.9系统主电路设计图3.4.2单片机对输入、输出信号的处理P0口用于信号的输入和显示信号的输出，单片机是以存入373锁存器的先后顺序作为