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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作目 录1绪论11.1问题的提出11.2国内外研究现状11.3研究的目的和意义21.4设计任务和要求22系统硬件设计32.1传感器的选择32.2传感器的安装及使用42.3信号处理电路的设计52.3.1信号输入级设计62.3.2光电隔离技术的应用72.3.3锁存选通级设计72.4系统主电路的设计72.4.1AT89C51单片机简介72.4.2信号输入输出单片机方式82.5键盘输入电路的设计92.6数码显示电路的设计102.7语音报警电路的设计112.7.1 IsD142O芯片功能简介112.7.2语音电路设计132.8打印接口电路的设计142.
2、9系统整体电源电路的设计163系统软件设计163.1 系统软件设计方案173.2 系统设备断线检测模块设计173.3 列车接近检测模块设计183.4 打印机接口程序设计203.5 语音广播系统软件设计234 系统抗干扰及可靠性设计234.1 系统抗干扰性及可靠性设计原则234.2 系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施254.3 软件抗干扰措施274.4 系统可靠性设计295 结束语31参考文献31致 谢32321 绪论1.1 问题的提出由于大量的铁路无人看守道口的存在，使道口交通事故和路外伤亡居高不下。因当地的条件限制，又必须设立铁路平交道口，而铁路部门由于人力和物力的限制以及道口的车流、人流不大
3、，使无人看守道口客观存在。受道口自然条件(了望、弯道、坡道等因素)的影响，车辆、行人的违章和大意，加之机车乘务员的疏忽和判断失误等因素，使铁路平交无人看守道口交通事故屡屡发生，特别是机动车辆发生交通事故，严重影响铁路交通安全，而且常常造成多人路外伤亡事故，损失巨大。通过在无人看守道口设置一个当列车接近时的自动预警装置，提醒道口的行人和车辆，将大大减少道口交通事故的发生(本装置可扩展道口防护功能，现因考虑其可靠性而又无人看管，发生故障不能及时处理，反而影响道口的畅通)。因此，道口安装来车报警装置势在必行。 本课题就是针对我国铁路平交道口的现状，利用单片机技术开发平交道口来车自动报警系统。采用智能
4、报警系统具有报警准确，性能价格比高，全天侯，不怕环境恶劣，安装方便等特点，能极大减少该类道口交通事故。利用轨道传感器采集回来的车轮信息，准确地将来车信息通知道口值守人员及过往行人，大大减少事故发生，为列车的安全高速运行提供可靠的保障。1.2 国内外研究现状现在我国站内道口来车管理大多还是处于靠电话通知和道口工眺望的状态，遇到天气状况不好，或是电话线路不畅的时候，就存在了事故的隐患。铁道部对此尚无在全国推广的定型产品，均为各铁路局自己开发的设备，而且利用率也不是太高1,2。因此，增强铁路道口防护系统功能是十分必要的。在欧洲，铁路网发达，道口密度大，事故风险也相对比较高。英国的安全工作做的比较好，
5、近年来其道口事故发生率和每个道口平均死亡人数均比其他国家低。究其原因，不仅政府强行控制道口违章行为和加强平交道口安全教育，更主要的是研制出一种新型的平交道口预测器(英文名称缩写LCP)。两边轨道的端点处各装一个无源转辙器，当列车经过时，轨道电路的阻抗和电压会线性改变，反映列车接近道口的位置并计算列车的速度，确定列车经过道口的时间，从而产生报警。因为道口多需由当地值班人员操纵，人员运营费用很大，正在提出把道口信号设备与电子联锁设备实现一体化。以上介绍的铁路轨道电路等，在欧洲与中国的现实看有诸多不同之处，并且它价格十分昂贵，所以，不可能直接将其移用至中国。我国各铁路局函需道口报警装置的研究成果，把
6、先进科技应用到道口设施改造中来。特别是在我国铁路整体提速的情况下，为了防止车毁人亡悲剧的发生，我国正在努力提高道口设备科技含量及监控信息化水平，保障道口行车安全。毋庸置疑，开发实用的站内道口自动报警设备是当务之急。1.3研究的目的和意义铁路道口是铁路和公路，也是铁路和社会的一个交合处，涉及社会的方方面面，道口安全工作的好坏，直接关系到人民生命财产的安全，关系到和谐社会的构建，关系到铁路在社会中的形象的确立，它是推动和促进铁路跨越式发展目标能否顺利实现的一个重要方面。道口自动报警系统提高了道口来车报警的可靠性和准确性，可以有效的降低误报、错报事件的出现几率，从而有效的避免道口交通事故的发生3,4
7、。而且，道口安全问题说到底还是人的问题，只要及时准确的将来车情况通知道口工和行人，并且道口工采取放杆禁止通行、立岗接车，行人自动停止等待列车通过，这样就可以避免事故的发生，而且由于我国铁路的实际条件和经济状况考虑，国外铁路的一些设备和措施在我国也不是效果很好，所以立足我国铁路实际情况，开发适合的道口报警设备具有重大意义。1.4设计任务和要求系统总体采用AT89C51单片机为道口自动报警系统的核心，用安装在钢轨内侧的成对的车轮传感器组成检测点，感应到的车轮信息通过标准信号电缆传送到道口房的主机内，根据单片机计算出的速度、检测点与道口的距离，以及道口附近铁路线的分布情况，对列车是否通过道口做出智能
8、判断。如果列车将要通过道口，则要提前40-90秒给出声光报警信号，以通知道口工。如果列车从车站的另一咽喉进站正在减速准备停车时，则不予报警，继续进行监视。当列车通过道口时，由道口另一侧单个的传感器接受到列车通过的信息，并将信号传回到主机，主机将结束报警状态，此时道口将重新开放。以达到自动检测、报警通知和提升道口整体安全状况的目的。系统将达到的主要功能如下：1)自检功能：开机后系统进入自检，对所有传感器的状态(是否断线)、显示器、打印机、各表示灯及音响等测试检查。自检的关键部位是传感器，因为最易发生的故障是传感器的损坏、断线和丢失。2)数字钟功能系统：自检结束后立即自动进入工作状态，此时时钟要显
9、示或输入准确的时间，因为列车接近道口、通过道口和道口工确认时间均以此时钟为准。3)自动声光报警功能：这是主要功能。当任一方向的列车接近道口时，十六位数码显示管的上八位显示时钟，下八位显示包括列车接近股道、接近速度和到达道口所需要的时间等列车接近信息。当任两方向列车同时或先后接近道口时，上下八位显示器各显示一个方向的列车信息。当同时或先后有三个以上列车接近道口时，上下八位显示器均可采用轮流显示列车接近的信息。道口房内有蜂鸣器报警，以提示道口工注意;室外语音喇叭也用语音信号提示行人注意，不要在此时穿越道口。同时，整个设备一旦开机以后，也可以全自动的工作方式将列车即将经过道口的信息通过声光报警的方式
10、通知过往行人和车辆，保证行人的生命财产安全。4)低功耗复原功能：当列车通过道口时，设备自动复原，声光报警停止，显示器恢复显示时间。设计时，要保证设备在无列车接近时处于待机状态，列车接近则自动唤醒，最大限度地提高电源效率。5)人机对话和双向通信功能：通过键盘命令可实现人机对话，单键操作简单易学、操作灵活、可靠性高，利用PC键盘接口实现与外设的双向通信，尽可能少占用主机硬件资源。6)在线编程：自带信息源的道口预警系统采用可在线编程的单片机，并留有编程口，不必拆卸设备即可实现软件升级，方便维护。7)绿色环保能源：采用太阳能电池板供电的方式，将太阳光转换为电能对蓄电池进行充电，再由蓄电池对自带信息源道
11、口设备进行供电。2 系统硬件设计2.1 传感器的选择本系统对传感器的要求很苛刻，站内道口传感器的工作条件比区间道口恶劣的多。其工作位置靠近站台和道路，夏天雨水浸泡，冬天冰雪覆盖，沙土垃圾掩埋，人为破坏等。所以对传感器提出了要有较高的灵敏度和输出范围；坚固耐用无维修或极少维修；测试范围宽并尽可能无源等要求。经过综合比较，本课题最终决定选择凸出极磁电式轨道传感器。该类传感器为永磁体材料，外壳为优质铸钢制造，无源，其磁心的磁能积足够大，火车车轮通过时切割磁力线可以产生足够高的脉冲信号5。可以长期稳定的工作，而且除了定期清扫铁屑外，无需维修，能够适应现场恶劣的工作环境。其工作原理为：1)根据法拉第电磁
12、感应定律:E = -N*de/di将感生出电信号，且磁通变化率决定感生电信号的幅值。2)相关技术特性：工作间隙(钢轨顶部平面与传感器工作面间的垂直距离)一定的条件下，感生信号电压(E)与车轮通过传感器的速度(V)呈线性关系。感生信号电压(E)与工作间隙H呈指数变化关系。即工作间隙H减小，感生信号电压(E)呈指数上升；工作间隙H增大，感生信号电压(E)呈指数下降。传感器信号敏感度测试：对传感器进行模拟车轮实验，研究其脉冲强度与车轮运动速度的关系，可以证明该型传感器能产生足够的脉冲信号发回主机。2.2传感器的安装及使用传感器的安装要考虑以下因素：机车轮沿高度为28毫米，车辆轮沿高度为25毫米；车辆
13、踏面最大允许限度为9毫米，到此限的车轮踏面不允许继续使用。所以为了确保传感器安装不侵入限界，即保证安全使用又使传感器的信息源尽可能地提高其效能，系统设计时确定传感器面到铁轨面的高度为37毫米，在无机车行走的线路，只溜放车辆的条件下，此高度可以调整到34毫米。为了能用单片机系统计算出火车的速度，在触发端设计两只传感器并排连接，两只传感器的距离固定(本系统设两只传感器之间的距离为S)，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算出火车的行驶速度。其测速原理如图2-1所示。为使测算的速度准确，本系统设检测车轮通过两个传感器所用的时间为T，火车飞轮VS钢轨道口HH计数器传感器传感器停止计数开
14、始计数图2-1 测速原理的行驶速度为V，则v=ST。定时常数K=100s时，利用传感器I的信号启动89C51的计数器TO，同时利用传感器n的信号关闭计数器T0记数，当计数值为X时，则对应的时间T为：T=KX。当火车到达道口后系统不再需要继续发出预警信号，为此，设置复原端传感器，只需给系统一个脉冲信号告知，火车已经到达道口，马上停止告警。所以，复原端传感器采用一只磁电式传感器就可以达到设计要求。2.3 信号处理电路的设计信号处理电路的设计原则为：传感器输出的信号是包括故障信息和车轮信息的复合模拟信号。这样的信号必须经过必要的处理，将不同的有用信息转换为标准的开关量，才能供数字式控制系统使用。根据
15、传感器信号和控制系统的需要，本系统的信号处理电路必须要完成下列功能：将复合信号中车轮信号分离并整形为脉冲信号；分离出复合信号中包含的故障信息；对车轮信号中的颤动信号进行滤波；对传感器及线路传输的干扰信号进行处理；为设备维护方便，设置处理电路自检装置以及信号显示电路；隔离内、外地系统信号处理电路包括4个相互独立的纵向通道，每个通道处理8路传感器的信号，共可处理32路信号传感器信号，前两个通道的16路传感器的信号构成int0中断，后两个通道的16路传感器的信号构成int1中断。每个信号通道由信号输入级、整形级、光电隔离级、锁存选通级和中断控制逻辑形成电路组成。其中一路传感器输出信号处理电路设计如图2-2所示，下面分别予以说明。 图2-2 信号处理电路2.3.1信号输入级设计对信号输入级的要求，一是检测信号的瞬时变化，二是连续检测信号电平的变化，所以采用图2-2所示电路。其中C1为滤波电容，YM1为压敏元件，可以防止雷电以及车电高电压窜入。R1为限流电阻，D1、D2为单向整流限幅二极管，防止输入过压，且完成传感器输入信号的尖脉冲波形到方波脉冲的转换。RP1为22k分压电阻。图
