基于單片機(jī)的鐵路道口報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、目錄中文摘要1英文摘要.21 緒論31.1問(wèn)題的提出31.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.3研究目的與意義41.4設(shè)計(jì)任務(wù)與要求42系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)62.1系統(tǒng)的整體平面示意圖62.2系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)62.3系統(tǒng)工作的整體框圖73系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)83.1傳感器83.2信號(hào)處理模塊103.3中央處理模塊123.4語(yǔ)音報(bào)警模塊153.5欄木機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊183.6鍵盤(pán)輸入與數(shù)碼管顯示模塊203.7電源模塊234系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1軟件設(shè)計(jì)的主要步驟254.2系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)254.3列車(chē)斷線檢測(cè)模塊264.4列車(chē)接近與到達(dá)檢測(cè)處理284.5語(yǔ)音廣播系統(tǒng)軟件流程304.6欄木機(jī)控制模塊流程305系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)3

2、25.1系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計(jì)原則325.2系統(tǒng)干擾源分析及硬件抗干擾措施325.3系統(tǒng)軟件抗干擾措施356總結(jié)與展望38致謝 39參考文獻(xiàn)40附錄：系統(tǒng)硬件圖42基于單片機(jī)的鐵路道口報(bào)警系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)摘要: 在我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的今天，隨著機(jī)動(dòng)車(chē)輛的增加以及列車(chē)密度和運(yùn)行速度的提高，使得道口安全問(wèn)題日趨重要。如果鐵路平交道口缺少嚴(yán)格的安全管理，惡性道口事故將會(huì)很容易發(fā)生，這會(huì)對(duì)鐵路安全造成極大威脅，所以鐵路道口的安全問(wèn)題既是重點(diǎn)又是薄弱點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)出一種鐵路道口報(bào)警系統(tǒng)來(lái)提高安全性是非常必要的。論文首先分析了課題確立的意義，并且針對(duì)于國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，給出了系統(tǒng)總體框圖，平面示意圖以及相關(guān)的技術(shù)指

3、標(biāo)。本課題的硬件部分選取了具有廣泛群眾基礎(chǔ)，價(jià)格便宜的AT89C51單片機(jī)作為主控制芯片，選用磁電式傳感器對(duì)列車(chē)的車(chē)輪信息進(jìn)行采集，使用ISD4002語(yǔ)音芯片和LED顯示模塊將來(lái)車(chē)信息及時(shí)地通知過(guò)往車(chē)輛及行人，而且為了提高系統(tǒng)的總體安全性能特別增加了電動(dòng)欄木機(jī)。本課題的軟件部分首先給出了系統(tǒng)的整體框圖，然后依次介紹了系統(tǒng)斷線檢測(cè)、列車(chē)接近與到達(dá)檢測(cè)、語(yǔ)音廣播部分和電動(dòng)欄木機(jī)部分的軟件流程圖。特別的，考慮到系統(tǒng)惡劣的室外工作環(huán)境,系統(tǒng)從硬件和軟件兩個(gè)方面闡述了所采取的一些有效的抗干擾措施。總的來(lái)說(shuō)，本課題的研究與設(shè)計(jì)將會(huì)降低安全隱患，為列車(chē)安全運(yùn)行提供了有效保障。關(guān)鍵詞：道口安全，AT89C51

4、單片機(jī)，報(bào)警系統(tǒng)The Design based on the Microcomputer for the Railway Crossing Warning SystemAbstract: In the modern sustainable development of Chinas economy, with the increase of motor vehicles, the density and the increase of the running speed of the train, the railway crossing safety problem is becoming

5、 more and more important. If the railway crossing lacks strict security management, then malignant traffic accidents will happen easily, and this will pose a great threat to the safety of railway transportation. The railway crossing safety problems are both important and weak point, therefore devise

6、 a railway crossing alarm system to improve the security is very necessary.The paper first analyzes the significance of the subject, gives the block diagram of the whole system, schematic plan and related technical indicators based on the home and abroad research status. The hardware part of this to

7、pic selects AT89C51 MCU as the main control chip which has good universality and ideal price, then choose magnetic sensors on the wheels to get the vehicles message, use ISD4002 voice chip and LED display module to prompt notice the messages to the passing vehicles and pedestrians, especially, in or

8、der to improve the overall system security I increase the electric barrier machine. The software part of this topic firstly gives the overall block diagram of the system , and then followed by the introduction of the system break detection, train approaching and arrival detection, voice broadcast pa

9、rt and an electric barrier machine part of the software flow chart. In particular, taking into account the harshly outdoor environment, some effective anti-disturb measures adopted in the system are explained from hardware and software. In general, the design of this subject will decrease the risk a

10、nd provide effective guarantee for the safe operation of trains.Keywords: crossing safety, AT89C51 MCU, warning system1 緒論1.1 問(wèn)題的提出目前，鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)73002公里，公路網(wǎng)營(yíng)業(yè)里程已經(jīng)突破180萬(wàn)公里，高速公路近20000公里。與此同時(shí)，民航和水運(yùn)也取得了充分的發(fā)展，中國(guó)形成初具規(guī)模的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，這極大地改善了我國(guó)的交通運(yùn)輸現(xiàn)狀，并顯著促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速健康發(fā)展。尤其是作為運(yùn)輸骨架及運(yùn)輸主體的鐵路和公路更是在中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著極其重要的作用，但是在各項(xiàng)事

11、業(yè)繁榮昌盛的同時(shí)也出現(xiàn)了一些我們沒(méi)有預(yù)料到的問(wèn)題。 鐵道部門(mén)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，最近幾年，隨著我國(guó)鐵路提速、機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的迅速增長(zhǎng)，加之國(guó)民安全意識(shí)較差，鐵路設(shè)備的更新?lián)Q代沒(méi)有跟上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的步伐等一系列的原因，導(dǎo)致我國(guó)鐵路平交道口交通事故一直保持在較高的水平。如2002 年發(fā)生道口交通事故728 件，已經(jīng)是近20 年來(lái)的最低水平。每年僅道口交通事故就造成2000 萬(wàn)的直接經(jīng)濟(jì)損失。由于受客觀條件的限制，還沒(méi)有能力從高安全性的先進(jìn)科技設(shè)備應(yīng)用、科學(xué)管理的角度，徹底解決鐵路平交道口的交通事故問(wèn)題。因此，為了改善我國(guó)鐵路道口的安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種精確及時(shí)的鐵路報(bào)警系統(tǒng)是非常有必要的。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)

12、狀現(xiàn)在我國(guó)站內(nèi)道口來(lái)車(chē)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(shí)候，就存在了事故的隱患。鐵道部對(duì)此尚無(wú)在全國(guó)推廣的定型產(chǎn)品，均為各鐵路局自己開(kāi)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(xiǎn)也相對(duì)比較高。其中，英國(guó)的安全工作做的比較好，這主要得益于英國(guó)政府增加警力，強(qiáng)行控制道口違章行為。同時(shí)，英國(guó)西屋鐵路系統(tǒng)公司在別國(guó)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(cè)器。該設(shè)備符合道口報(bào)警設(shè)備的一般設(shè)計(jì)原理，但是其價(jià)格昂貴，同時(shí)英國(guó)鐵路軌道電路與我國(guó)軌道電路有諸多不同之處，所以無(wú)法將其移用至我國(guó)鐵路道口中。鐵路道口安全工作的好壞

13、，直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，它是推動(dòng)和促進(jìn)鐵路跨越式發(fā)展目標(biāo)能否順利實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要方面。道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提高了道口來(lái)車(chē)報(bào)警的可靠性和準(zhǔn)確性，可以有效的降低誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)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 李玲桂.國(guó)外平交道口的安全措施J.北京：鐵道知識(shí)，2005、2，22-23。因此，立足于我國(guó)的基本國(guó)情開(kāi)發(fā)出一套鐵路道口報(bào)警系統(tǒng)是非常迫切的。1.3 研究目的與意義鐵路事業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)發(fā)展是相互促進(jìn)的，沒(méi)有經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做鋪墊，鐵路事業(yè)發(fā)展將會(huì)失去基礎(chǔ)，然而鐵路交通也會(huì)反作用于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。體現(xiàn)為鐵路交通的快速發(fā)展為經(jīng)濟(jì)健康增長(zhǎng)提供了保障，而鐵路交通的萎縮將會(huì)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，從而限制

14、住經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，保證鐵路交通的安全與通暢對(duì)于國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康增發(fā)展是非常重要的。其實(shí)鐵路安全問(wèn)題是完全可以克服的，只要系統(tǒng)能及時(shí)精確地把來(lái)車(chē)信息通知給來(lái)往車(chē)輛及過(guò)往行人，并且工作人員及時(shí)地操作電動(dòng)欄木來(lái)阻止車(chē)輛行人的通行，那么交通事故是可以避免的。因此，鐵路報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)將會(huì)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如下：本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)為核心，按照預(yù)先計(jì)算好的數(shù)據(jù)在指定位置安裝磁電式傳感器，當(dāng)列車(chē)即將經(jīng)過(guò)鐵路道口時(shí)，傳感器檢測(cè)到車(chē)輪信號(hào)，并由單片機(jī)計(jì)算出相關(guān)的來(lái)車(chē)速度和距離，語(yǔ)音系統(tǒng)將提前進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)顯示屏顯示出來(lái)車(chē)信息，電動(dòng)欄木機(jī)

15、落下禁止車(chē)輛與行人通行。當(dāng)列車(chē)已經(jīng)通過(guò)道口后，傳感器檢測(cè)到車(chē)輪離開(kāi)的信號(hào)，并將其傳達(dá)給單片機(jī)，系統(tǒng)將解除一切報(bào)警，鐵路道口將重新開(kāi)放。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為：1、系統(tǒng)自檢功能傳感器是系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分，也是最易斷線損壞的部分，因此工作過(guò)程中，需要對(duì)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，如果發(fā)生故障時(shí)應(yīng)及時(shí)發(fā)出室內(nèi)報(bào)警，并顯示出故障發(fā)生的具體位置，一遍工作人員進(jìn)行及時(shí)修理。2、數(shù)字鐘功能在系統(tǒng)自檢結(jié)束后將會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)顯示屏既需要顯示出正確的時(shí)間，也要隨時(shí)能夠通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)輸入正確的時(shí)間，而且列車(chē)接近道口以及通過(guò)道口的時(shí)間同樣要以此時(shí)間為基準(zhǔn)，因此保證時(shí)鐘精確度非常重要。3、列車(chē)接近時(shí)的報(bào)警功能當(dāng)有列車(chē)接近道口時(shí)，1

16、6位的LED數(shù)碼管的上八位顯示當(dāng)前的時(shí)間，下八位顯示此時(shí)列車(chē)速度以及離道口距離等來(lái)車(chē)信息。并且此時(shí)語(yǔ)音芯片自動(dòng)播報(bào)錄音：“列車(chē)就要開(kāi)過(guò)來(lái)了，請(qǐng)不要搶行及翻越欄桿”來(lái)提醒過(guò)往行人車(chē)輛注意安全。并且欄木機(jī)落下防止行人與車(chē)輛搶行。4、復(fù)原功能當(dāng)傳感器檢測(cè)到列車(chē)已經(jīng)通過(guò)道口時(shí)，此時(shí)數(shù)碼管恢復(fù)顯示時(shí)間，語(yǔ)音報(bào)警停止，欄木機(jī)復(fù)位。但當(dāng)檢測(cè)到列車(chē)接近道口，但因種種原因并未通過(guò)道口時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將延時(shí)5分鐘自動(dòng)復(fù)原王夢(mèng)琛.站內(nèi)道口微機(jī)自動(dòng)通知系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)J.北京：鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)1997、3，30-32。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的整體平面示意圖在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先考慮的是傳感器部分，因此需要設(shè)立幾個(gè)專

17、門(mén)采集列車(chē)運(yùn)行信息的定點(diǎn)，將傳感器安裝到指定位置的鐵軌上，并將采集到的信息通過(guò)電纜傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)做出處理并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)把來(lái)車(chē)信息及時(shí)通知給過(guò)往車(chē)輛及行人。平面示意圖如下2.1所示:圖2.1平面示意圖2.2 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)本單片機(jī)系統(tǒng)的基本技術(shù)指標(biāo)如下：速度的檢測(cè)范圍 0-120Km/h測(cè)速精度 低于2%測(cè)時(shí)精度 低于2%檢測(cè)點(diǎn)容量 32路傳感器信號(hào)傳感器壽命 5年傳感器工作溫度 -40- +702.3 系統(tǒng)工作的整體框圖總體來(lái)說(shuō)系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)處理、中央處理模塊、語(yǔ)音報(bào)警、欄木機(jī)驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)輸入與信號(hào)顯示、電源模塊構(gòu)成，系統(tǒng)總體框圖如下圖2.2所示:圖2.2系統(tǒng)整體框圖、傳感

18、器：數(shù)據(jù)采集元件選擇的是磁電式軌道傳感器，由傳感器將采集到的來(lái)車(chē)信息送到信號(hào)處理電路。2、信號(hào)處理：信號(hào)處理電路將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量，并分離出信號(hào)中的故障信號(hào)，是系統(tǒng)的重要組成部分。3、中央處理模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中央處理系統(tǒng)，他通過(guò)硬件與軟件的結(jié)合來(lái)控制各個(gè)部分的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。4、語(yǔ)音報(bào)警：語(yǔ)音報(bào)警是提醒行人和車(chē)輛注意交通安全的必要設(shè)施，通過(guò)語(yǔ)音芯片ISD4002自動(dòng)播報(bào)錄音：“列車(chē)即將接近，請(qǐng)不要搶行或者翻越欄桿” 5、欄木機(jī)驅(qū)動(dòng)：通過(guò)直流電機(jī)來(lái)控制道口欄木的升降，可以有效防止過(guò)往車(chē)輛與行人搶行。6、鍵盤(pán)輸入與數(shù)碼管顯示：鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合，可以

19、隨時(shí)通過(guò)鍵盤(pán)向系統(tǒng)輸入正確的時(shí)間。當(dāng)有列車(chē)接近道口時(shí)，16位的LED數(shù)碼管的上八位顯示當(dāng)前的時(shí)間，下八位顯示此時(shí)列車(chē)速度以及離道口距離等來(lái)車(chē)信息。7、電源模塊：系統(tǒng)的電源板引入220V交流電源，在經(jīng)過(guò)一系列的處理后分別為主機(jī)、顯示器、傳感器等進(jìn)行供電。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如第二章所述，系統(tǒng)總體由傳感器、信號(hào)處理、中央處理模塊、語(yǔ)音報(bào)警、欄木機(jī)驅(qū)動(dòng)、鍵盤(pán)輸入與信號(hào)顯示、電源模塊構(gòu)成，本章將從硬件電路設(shè)計(jì)的角度依次介紹各個(gè)模塊。3.1 傳感器一、傳感器的選擇一些常用的檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)的對(duì)比如下表3.1所示：表3.1常用檢測(cè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較檢測(cè)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光纖傳感器對(duì)電、磁及其它輻射的抗干擾性好;

20、 細(xì)、輕, 能量損失少, 因此在較惡劣的環(huán)境下也可正常工作安裝位置一般位于作業(yè)區(qū)外適當(dāng)?shù)木嚯x, 因此較不便于管理及維修; 若采用有線傳輸采集信號(hào), 可靠性不高, 易被破壞磁電式傳感器價(jià)位合理，測(cè)試范圍寬，靈敏度較高，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量，有較大的輸出功率，配用電路較為簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。 由于安裝位置位于輪軌之下, 機(jī)車(chē)高速多次作用于傳感器, 可能導(dǎo)致失靈, 因此需要定期進(jìn)行檢查聲波傳感器靈敏度高、探測(cè)距離遠(yuǎn), 因此可安裝于道口附近, 便于維修管理。需用專用的適合鐵軌振動(dòng)頻率的固體傳聲器, 其對(duì)傳感器精度, 抗震器要求較高無(wú)線電技術(shù)發(fā)射器及接收器體積可實(shí)現(xiàn)小型化, 便于工作人員隨身攜帶, 有利于維修與管

21、理; 同時(shí)采用無(wú)線電傳輸方式應(yīng)避免周?chē)h(huán)境對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_, 以免造成不必要的誤報(bào)警與錯(cuò)報(bào)警視屏監(jiān)控技術(shù)采用先進(jìn)的圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)，穩(wěn)定性能高 ，處理速度快，畫(huà)質(zhì)好，控制操作簡(jiǎn)便，可支持Ethernet,CDMA等多種傳輸方式目前尚處于研究階段，可靠性無(wú)法100%實(shí)現(xiàn)，不適用于偏僻的鐵路道口，否則會(huì)造成財(cái)力物力浪費(fèi)考慮到惡劣的鐵路道口環(huán)境，需要傳感器具有測(cè)試范圍寬，靈敏度較高，堅(jiān)固耐用，性能穩(wěn)定，易于維護(hù)等特點(diǎn)。因此最終選用了磁電式傳感器用來(lái)檢測(cè)來(lái)車(chē)信號(hào)。磁電感應(yīng)式傳感器有兩個(gè)基本元件組成:一個(gè)是產(chǎn)生恒定直流磁場(chǎng)的磁路系統(tǒng)，一般采用永久磁鐵;另一個(gè)是線圈，由它與磁場(chǎng)中的磁通交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電

22、動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)w匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí), 設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為, 則線圈內(nèi)的感應(yīng)電勢(shì)E與磁通變化率d/dt有如下關(guān)系: E=-w(d/dt)，我們可以得出1、在工作氣隙一定條件下，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和磁通變化率d/dt或者線圈與磁場(chǎng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比如下圖3.1所示2、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與工作氣隙H呈指數(shù)變化的關(guān)系如下圖3.2所示：圖3.1感生電壓與車(chē)速的關(guān)系圖3.2感生電壓與工作間隙的關(guān)系二、傳感器的安裝與使用方法為了確保整個(gè)系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行，對(duì)于傳感器的安裝也會(huì)有很?chē)?yán)格的要求，需要考慮以下因素：首先車(chē)輪沿高度為28毫米，車(chē)輛輪沿高度為25毫米；其次車(chē)輛踏面最大允許限度為9毫米，到此限的車(chē)輪

23、踏面不允許繼續(xù)使用。所以為了確保傳感器安裝不侵入限界，即保證安全使用又使傳感器的信息源盡可能地提高其效能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定傳感器面到鐵軌面的高度為37毫米，在無(wú)機(jī)車(chē)行走的線路，只溜放車(chē)輛的條件下，此高度可以調(diào)整到34毫米 TB10007-99，鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范s.。系統(tǒng)測(cè)速原理如下圖3.3所示：圖3.3測(cè)速原理該系統(tǒng)的傳感器分為接近傳感器和到達(dá)傳感器, 由于單片機(jī)系統(tǒng)需要由接近傳感器的信號(hào)計(jì)算出火車(chē)速度，所以需要在列車(chē)接近處并排放置兩個(gè)接近傳感器，其距離尺寸固定，這樣便能夠根據(jù)脈沖發(fā)生間隔時(shí)間計(jì)算出列車(chē)的接近速度。為了測(cè)速，首先要檢測(cè)出車(chē)輪通過(guò)兩個(gè)傳感器所用的時(shí)間t，已知s兩傳感器的距離s，那么

24、列車(chē)的速度為v=s/t。利用傳感器1的信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0，再用傳感器2的信號(hào)停止記數(shù)，則記數(shù)值x與時(shí)間t相互對(duì)應(yīng)。t=K*x，其中式子中的定時(shí)常數(shù)K=100s。3.2 信號(hào)處理模塊由于傳感器輸出信號(hào)并不是標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)量而是包括干擾信息及車(chē)輪信息的復(fù)合模擬信號(hào)。所以傳感器的采集信號(hào)需要通過(guò)一系列處理把其中有用的來(lái)車(chē)信息轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)量供給系統(tǒng)后面的各部分使用。依照控制系統(tǒng)和傳感器信號(hào)的實(shí)際要求，信號(hào)處理電路需要實(shí)現(xiàn)以下的各項(xiàng)功能：將復(fù)合信號(hào)中車(chē)輪信號(hào)分離并整形為脈沖信號(hào). 對(duì)車(chē)輪信號(hào)中的顫動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波. 對(duì)傳感器及線路傳輸?shù)母蓴_信號(hào)進(jìn)行處理. 為設(shè)備維護(hù)方便，設(shè)置處理電路自檢裝置.隔

25、離內(nèi)外地該信號(hào)處理電路包含了4個(gè)相互獨(dú)立的縱向通道，其中使得每個(gè)通道可以處理8路傳感器信號(hào)，那么系統(tǒng)一共可以處理32路傳感器信號(hào)，將前兩個(gè)通道的16路傳感器信號(hào)構(gòu)成int0中斷，后兩個(gè)通道的 16 路傳感器的信號(hào)構(gòu)成int1中斷。 其中每個(gè)信號(hào)通道都是由信號(hào)輸入級(jí)、整形級(jí)、光電隔離級(jí)、鎖存選通級(jí)和中斷控制邏輯形成電路構(gòu)成張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用及接口技術(shù)M .北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993，221-230。其中一路的信號(hào)處理電路如圖3.4所示：圖3.4信號(hào)處理電路1.信號(hào)輸入級(jí)其作用是為了檢測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)變化，以及連續(xù)檢測(cè)信號(hào)電平的變化，其中 YM1為壓敏元件，可以防止雷電以及高電壓竄入

26、，C1為濾波電容，R1為限流電阻，D1、D2為單向整流限幅二極管，防止輸入過(guò)壓。RP1 為 20k的分壓電阻。圖中A點(diǎn)電壓即輸入電壓VI為：當(dāng)傳感器CG斷線時(shí)，VI就會(huì)變?yōu)閂為5V，從而為斷線檢測(cè)打下硬件基礎(chǔ)。在工作時(shí)，系統(tǒng)不斷地檢測(cè)所有74LS373的輸入端，若檢測(cè)結(jié)果為低電平，即判斷為斷線。2. 信號(hào)整形級(jí)74LS245芯片是雙向總線收發(fā)器，74LS245第19管腳G接地，使其始終選通，DIR端接電源后，使其方向?yàn)锳到B。3.光電隔離級(jí)由于在實(shí)際信號(hào)處理中不可避免會(huì)有一些干擾信號(hào)，為了確保信號(hào)傳輸?shù)木_性，可以使用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)電光電的隔離，這樣便能夠有效地阻止干擾信號(hào)的傳遞。本系統(tǒng)采用

27、的光電耦合器是TLP521-4型,這是一種完全對(duì)稱特性的光電模擬信號(hào)隔離器。此光電隔離器有如下特點(diǎn):其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為4個(gè)光電耦合器,它們的物理性完全一致、重復(fù)性好、并且4個(gè)光電耦合器的4個(gè)電源實(shí)現(xiàn)了完全隔離,有良好的線性度,地面的干擾可基本全部消除。這樣,此光電耦合器在電路中就將選中的模擬信號(hào)的輸入級(jí)、輸出級(jí)完全隔離開(kāi)來(lái),阻止了相互之間的電聯(lián)系,從而消除了輸入級(jí)、輸出級(jí)之間的干擾 謝子青.光電隔離抗干擾技術(shù)及應(yīng)用J.西安：現(xiàn)代電子技術(shù)2003、13，33-34， 徐暉，關(guān)輝.一種模擬量光電隔離的實(shí)現(xiàn)J .黑龍江：黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)1999、9，92-94。4. 鎖存選通級(jí)系統(tǒng)選取 74LS37

28、3（八路數(shù)據(jù)鎖存器）、74LS02（或非門(mén)）、74LS30（八輸入與非門(mén)）構(gòu)成鎖存電路，并通過(guò) 74LS123（雙可再觸發(fā)的單穩(wěn)多諧振蕩器）變成為寬度是T的中斷信號(hào)。鎖存器的輸出直接接入數(shù)據(jù)總線，CPU通過(guò) 74LS138 譯碼依次選通各鎖存器，通過(guò)P0口讀入數(shù)據(jù)并查詢。3.3 中央處理模塊設(shè)計(jì)原則首先是可靠，其次是簡(jiǎn)單，具有可以滿足系統(tǒng)工作需要的計(jì)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AT89C51作為系統(tǒng)的核心 徐仁貴，廖哲智.單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001。這是由于該芯片普及率高上手快，使用單位的工作人員經(jīng)過(guò)短期培訓(xùn)后可

29、以很快掌握該系統(tǒng)硬件電路圖的工作原理，而且電路上的元件普遍采用拔插式，使工作人員可以自行處理一些小故障并且在相關(guān)設(shè)計(jì)人員的遠(yuǎn)程指導(dǎo)下?lián)Q芯片，確保了系統(tǒng)故障的及時(shí)解決。一、AT89C51性能介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集

30、和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。主要特性與MCS-51 兼容4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 陳章龍.實(shí)用單片機(jī)大全M .黑龍江技術(shù)出版社，1989，277-311單片機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖3.5

31、所示:圖3.5中央處理模塊電路圖二、信號(hào)輸入與輸出信號(hào)輸入包括所有的傳感器狀態(tài)、鍵盤(pán)輸入信號(hào)等，都通過(guò)P0口，功能輸出通過(guò)P1，而顯示的輸出數(shù)據(jù)仍然通過(guò)P0口，P3用作控制線。用74LS138對(duì)P2.5P2.7進(jìn)行全譯碼，選通不同的芯片，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，選通地址表如表3.2所示：表3.274LS138選通地址表74LS138輸出選通地址62640-1FFFH82792000-3FFFH空閑信號(hào)373-16000-7FFFH信號(hào)373-28000-9FFFH信號(hào)373-3A000-BFFFH信號(hào)373-4C000-DFFFH看門(mén)狗電路D000-FFFFH傳感器信號(hào)的輸入采用CPU外中斷0和外中斷1的方

32、式，CPU接到中斷申請(qǐng)后依次從4片373鎖存器中讀入數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷是哪個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)。鍵盤(pán)輸入采用查詢8279的方式，而顯示的數(shù)據(jù)由CPU一次送給8279。3.4 語(yǔ)音報(bào)警模塊語(yǔ)音電路是為了室外的語(yǔ)音廣播而設(shè)計(jì)的。語(yǔ)音芯片為 ISD（Information Storage Device）公司生產(chǎn)的 ISD4002芯片。一、ISD4002芯片介紹美國(guó)ISD公司4002/4003系列，2.7V3.3V單電源語(yǔ)音錄放電路，同時(shí)提供相應(yīng)的28引線DIP/SOIC、TSOP硬封。ISD4002/4003系列仍采用直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，音質(zhì)好，信息存放在芯片內(nèi)部的FLASHRAM中，抗斷電，無(wú)需專用語(yǔ)

33、音開(kāi)發(fā)工具，能隨意更改內(nèi)容和耗電省等優(yōu)點(diǎn)。該系列最大的優(yōu)點(diǎn)是采用了2.73.3V電影，錄放時(shí)間長(zhǎng)，并設(shè)計(jì)成和微處理器配合使用實(shí)現(xiàn)尋址和控制，使本器件引出端子數(shù)減小到最少，而使用更加靈活。芯片的管腳分布如圖3.6所示，管腳功能如表3.3所示：圖3.6ISD4002管腳圖表3.3ISD4002管腳功能引線端符號(hào)功能說(shuō)明1器件選擇，當(dāng)該端為低電平時(shí)，本器件被選中2MOSIISD串行輸入端，主機(jī)應(yīng)在時(shí)鐘上升沿之前半個(gè)周期將數(shù)據(jù)放到本線上3MOSOISD的串行輸出端，本器件未被選中時(shí)，呈高阻抗4,11,12,23VSSD,VSSA數(shù)字、模擬信號(hào)地線510,15,1922NC空腳13AUDOUT音頻信號(hào)輸

34、出，能驅(qū)動(dòng)5k負(fù)載14AMCAP自動(dòng)靜噪端，大信號(hào)下不衰減，靜音時(shí)衰減6dB1617ANAIN+ANAIN-錄音信號(hào)差動(dòng)輸入端IN+輸入阻抗3k，IN-輸入阻抗56k。兩輸入端耦合電容須相同，電容值決定低端截止頻率，典型值1F，單端輸入最大信號(hào)幅度Vpp為32mV,差分輸入時(shí)為16mV,單端輸入時(shí)IN-端的耦合電容接VSSA18,27VCCD,VCCA模擬、數(shù)字信號(hào)電源正端24RAC行地址時(shí)鐘輸出（漏極開(kāi)路輸出）。內(nèi)部存儲(chǔ)器共分為800行，當(dāng)操作到達(dá)行末時(shí)，本端輸出低電平脈沖25中斷輸出（漏極開(kāi)路輸出）。當(dāng)存儲(chǔ)器溢出（OVF）或放音結(jié)束標(biāo)志（EOM）出現(xiàn)時(shí)，該端為低電平并保持26XCLK外部時(shí)

35、鐘輸入，不用時(shí)必須接地28SCLK串行時(shí)鐘。由主機(jī)產(chǎn)生，用于同步MOSI和MISO的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在SCLK上升沿鎖存到ISD，在下降沿移出ISD二、語(yǔ)音芯片的電路設(shè)計(jì)ISD4002不能獨(dú)立進(jìn)行錄放工作，需采用SPI總線方式與單片機(jī)連接，應(yīng)用電路如圖3.7所示：圖3.7ISD4002的應(yīng)用電路圖ISD4002的聲音輸出采用音頻功率放大器調(diào)節(jié)聲音。LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，可調(diào)節(jié)范圍是20200V。ISD4002的通過(guò)數(shù)據(jù)端MOSI、MISO、時(shí)鐘端SCLK、片選端SS,中斷端

36、INT與單片機(jī)相連，錄放音系統(tǒng)主電路如圖3.8所示：圖3.8錄放音系統(tǒng)主電路在單片機(jī)的外圍電路中設(shè)置了幾個(gè)功能按鍵，包括錄音/放音撥盤(pán)P/R,運(yùn)行RUN開(kāi)關(guān)，停止STOP鍵，另有錄放音指示燈DSI。這樣通過(guò)軟件控制即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)2min的語(yǔ)音錄放系統(tǒng) 鄭鋒，王巧芝等.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開(kāi)發(fā)大全第三版M.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013，397-402。3.5 欄木機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊一、欄木機(jī)的選擇當(dāng)?shù)揽谟辛熊?chē)行駛時(shí), 可以通過(guò)放下欄木的方式,用以阻止道口過(guò)往的行人或車(chē)輛搶行。一般來(lái)說(shuō)木機(jī)分為以下幾類：手拉桿: 利用力矩平衡的原理, 通過(guò)道口人員手操作欄桿, 使欄桿升起或落下。液壓欄木道口:液壓欄木

37、道口是受電氣控制，以液壓油為工作介質(zhì)，通過(guò)電能、機(jī)械能、壓力能之間相互轉(zhuǎn)化來(lái)傳遞動(dòng)力的。電動(dòng)欄木: 電動(dòng)欄木道口取消了液壓欄木道口的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)裝置和集成時(shí)間繼電器、操縱繼電器兩部分電氣線路。改用直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，用減速機(jī)減速，利用連桿傳動(dòng)代替液壓傳動(dòng)。它們的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)的對(duì)比如下表3.4所示：表3.4不同欄木機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)手拉桿成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便自動(dòng)化程度低，效率低液壓欄木同等輸出功率下，液壓傳動(dòng)裝置體積小，質(zhì)量輕，動(dòng)態(tài)性能好；可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)；采用油作為介質(zhì)，有自我潤(rùn)滑作用可以延長(zhǎng)壽命。電氣線路復(fù)雜，電纜線太多，維修困難；存在機(jī)械摩擦、液體的可壓縮性和可能泄漏等問(wèn)題；

38、對(duì)油溫和負(fù)載的變化敏感，不宜在高低溫條件下使用。電動(dòng)欄木解決了部分備品備件的來(lái)源，又降低了成本費(fèi)用；而且減低了維護(hù)人員的維修困難。直流電動(dòng)機(jī)的功率較小，啟動(dòng)電流較大，欄柵配重較大，直流電動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，也加速了減速機(jī)的磨損。通過(guò)對(duì)上述幾種設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較，我認(rèn)為由于液壓傳動(dòng)欄木關(guān)鍵時(shí)刻有可能由于控制失靈而造成事故，因此在北方較寒冷地區(qū)不太適用。由于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的欄木機(jī)使用可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，可以鐵路道口安全裝置頻繁起動(dòng)的要求 王曉淑，袁曉東等.鋼鐵廠廠區(qū)鐵路道口設(shè)計(jì)方案的選擇J.河北：河北冶金2003，50-52。二、欄木機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)的電

39、路原理圖如下圖3.9所示:圖3.951單片機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)原理圖由于單片機(jī)輸出電壓最高為5V，難以直接驅(qū)動(dòng)直流電壓，所以需要使用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4.57V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為+2.546V，輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。L298N可以接兩臺(tái)電機(jī)，這里在OUT1與OUT2之間驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)，L298N與單片機(jī)之間用光電耦合器進(jìn)行光電隔離，L298N的5腳與7腳通過(guò)單片機(jī)PI.0，PI.1的輸入改變芯片控制端的電平，即可對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，ENA為使能端接高電平。當(dāng)直流電機(jī)

40、正轉(zhuǎn)時(shí)，控制欄木機(jī)前伸，當(dāng)直流電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，控制欄木機(jī)后退。當(dāng)直流電機(jī)停止時(shí)，欄木機(jī)也跟著停止。輸入引腳與輸出引腳的邏輯關(guān)系如下表3.4所示：表3.4L298N邏輯關(guān)系表ENAIN1IN2電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)欄木機(jī)狀態(tài)110正轉(zhuǎn)前伸101反轉(zhuǎn)后退111剎停剎停100停止停止3.6 鍵盤(pán)輸入與數(shù)碼管顯示模塊一. 鍵盤(pán)輸入電路鍵盤(pán)實(shí)際是一系列按鍵開(kāi)關(guān)的集合，平時(shí)按鍵開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)按鍵按下后開(kāi)關(guān)閉合，它是人向機(jī)器輸入數(shù)據(jù)的基本設(shè)備。鍵盤(pán)一般分成兩個(gè)基本類型:一種為編碼鍵盤(pán)，它是用硬件電路來(lái)進(jìn)行識(shí)別;另一種是非編碼鍵盤(pán)，它用軟件方法來(lái)進(jìn)行識(shí)別。編碼鍵盤(pán)與非編碼鍵盤(pán)的主要區(qū)別是：編碼鍵盤(pán)本身帶有實(shí)現(xiàn)接口主要

41、功能所需的硬件電路，不僅能自動(dòng)栓測(cè)被按下的鍵并完成去抖動(dòng)防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對(duì)應(yīng)的鍵碼（如ASC碼）送往CPU，而非編碼鍵盤(pán)只簡(jiǎn)單的提供按鍵開(kāi)關(guān)的行列矩陣，有關(guān)鍵的識(shí)別，鍵碼的輸入與確定，以及去抖動(dòng)等功能場(chǎng)由軟件完成。但由于非編碼鍵盤(pán)所需硬件少、價(jià)格便宜，所以本系統(tǒng)選用了非編碼鍵盤(pán)。鍵盤(pán)輸入電路選擇8279作為參數(shù)顯示和信息設(shè)置的核心，8279是一種通用可編程鍵盤(pán)/LED芯片可以同時(shí)進(jìn)行鍵盤(pán)掃描和文字，它具有8乘8位FIFO（先進(jìn)先出寄存器）和 16乘8位的RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。利用8279可以自動(dòng)掃描鍵盤(pán)和顯示器以及對(duì)鍵盤(pán)上閉合鍵的鍵碼進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)還具有串鍵保護(hù)和鍵盤(pán)消

42、抖的功能。8279芯片不僅程序簡(jiǎn)單不會(huì)出現(xiàn)誤操作，而且顯示性能非常穩(wěn)定，它的引腳如下圖3.10所示：圖3.108279引腳圖8279的引腳功能介紹如下所示：DB0DB7:雙向數(shù)據(jù)總線，用來(lái)傳送8279與CPU之間的數(shù)據(jù)和命令。CLK:時(shí)鐘輸入線，用以產(chǎn)生內(nèi)部定時(shí)的時(shí)鐘脈沖。RESET:復(fù)位輸入線，8279復(fù)位后被置為字符顯示左端輸入，二鍵閉鎖的觸點(diǎn)回彈型式，程序時(shí)鐘前置分頻器被置為31,RESET信號(hào)為高電平有效。CS:片選輸入線，低電平有效，單片機(jī)在CS端為低時(shí)可以對(duì)8279讀/寫(xiě)操作。A0:緩沖器低位地址，當(dāng)A0為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)， 當(dāng)為低電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為數(shù)據(jù)。

43、RD:讀信號(hào)輸入線。 WR:寫(xiě)信號(hào)輸入線。IRQ:中斷請(qǐng)求輸出線。SL0SL3:掃描線，用來(lái)掃描按鍵開(kāi)關(guān)，傳感器陣列和顯示數(shù)字，這些可被編程或被譯碼。RL0RL7:回送線，經(jīng)過(guò)按鍵或傳感器開(kāi)關(guān)與掃描線聯(lián)接，這些回送線內(nèi)部設(shè)置有上拉電路，使之保持為高電平，只有當(dāng)一個(gè)按閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的返回線變?yōu)榈碗娖?；無(wú)按鍵閉合時(shí)，均保持高電平。SHIFT:換位功能，當(dāng)有開(kāi)關(guān)閉合時(shí)被拉為低電平，沒(méi)有按下SHIFT開(kāi)關(guān)時(shí)，SHIFT輸入端保持高電平，在鍵盤(pán)掃描方式中，按鍵一閉合，按鍵位置和換位輸入狀態(tài)一起被存貯起來(lái)。CNTL/STB:當(dāng)CNTL/STB開(kāi)關(guān)閉合時(shí)將其拉到低電平，否則始終保持高電平， 對(duì)于鍵盤(pán)輸入方式，

44、此線用作控制輸入端，當(dāng)鍵被按下時(shí)，按鍵位置就和控制輸入狀態(tài)一起被存貯起來(lái)，在選通輸入方式中，作選通用，把數(shù)據(jù)存入FIFO RAM中。OUTA3OUTA0及OUTB3OUTB0:顯示輸出A口及B口，這兩個(gè)口是164切換的數(shù)字顯示。這兩個(gè)端口可被獨(dú)立控制，也可看成一個(gè)8位端口。BD:空格顯示,此輸出端信號(hào)用于在數(shù)字轉(zhuǎn)換時(shí)將顯示空格或者用顯示空格命令控制其顯示空格字符。VCC:+5V電源輸入線。VSS:地線輸入線。系統(tǒng)將8279的片選輸入線CS和譯碼器74LS138的Y1相連接，用來(lái)啟動(dòng)8279工作和尋址。把雙向地址總線DB0DB7和單片機(jī)的P0口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制命令的傳送。8279的A0同單片機(jī)

45、的A0相連，當(dāng)A0為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)，當(dāng)為低電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為數(shù)據(jù)。SL0SL3為掃描線，用來(lái)掃描按鍵開(kāi)關(guān)，傳感器陣列和顯示數(shù)字，把8279的掃描線接成編碼掃描方式，與8乘3鍵盤(pán)和16位LED顯示器進(jìn)行外接。RL0RL7是回送線，經(jīng)過(guò)按鍵與掃描線連接。在鍵盤(pán)工作方式下，對(duì)回送線逐條掃描，用來(lái)確定是哪個(gè)鍵閉合。該閉合鍵在陣列中的地址以及SHIFT和CNTL的狀態(tài)一起形成鍵盤(pán)數(shù)據(jù)送入先進(jìn)先出寄存器 何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京航空航天大學(xué)出版社,1989，24-133, 李廣軍，王厚軍.實(shí)用接口技術(shù)M.四川：電子科技大學(xué)出版社，1998.67-79。二.

46、數(shù)碼管顯示電路LED是發(fā)光二極管的縮寫(xiě)。LED顯示器是由發(fā)光二極管按照一定結(jié)構(gòu)組合起來(lái)的顯示字段的顯示器件，也稱為數(shù)碼管。數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，其中的7段發(fā)光二極管構(gòu)成7筆畫(huà)的“8”字型，一段構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)。通過(guò)發(fā)光二極管的不同發(fā)光組合可顯示09,A,B,C,D,E,F,P及小數(shù)點(diǎn)“.”等字符。若把各二極管的陰極連接在一起，則稱為共陰極數(shù)碼管。在本系統(tǒng)的數(shù)碼顯示電路中采用的是共陰極數(shù)碼管。當(dāng)某個(gè)二極管通導(dǎo)時(shí)，相應(yīng)的字段發(fā)光。這樣，若進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，使某些二極管通導(dǎo)，這些通導(dǎo)二極管發(fā)光后就可構(gòu)成一個(gè)顯示字符。在共陰極數(shù)碼管中，這若干個(gè)導(dǎo)通二極管用“1”表示，其余二極管用“0”表示王浩全，李晉華

47、等.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社，2013.174-176。8279的OUTA0A3、OUTB0OUTB3管腳依次對(duì)應(yīng)顯示了每個(gè)數(shù)碼管段選，稱之為A組信號(hào)顯示輸出端;SL0SL3管腳依次對(duì)應(yīng)顯示了數(shù)碼管的片選，稱之為B組信號(hào)顯示輸出端。因?yàn)閿?shù)碼管中的每個(gè)發(fā)光二極管需要l0mA左右的負(fù)載電流，所以我們使用了MC1413來(lái)對(duì)8279的OUTA0A3,OUTB0B3所輸出的信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大。由于8279 管腳OUTA0A3,OUTB0B3的輸出與管腳SL0SL3的輸出并沒(méi)有達(dá)到完全的同步，所以可能出現(xiàn)一些本不該亮的段也閃爍微光，所以應(yīng)該使用BD信號(hào)對(duì)譯碼器進(jìn)行控制，讓顯示器在更換數(shù)據(jù)時(shí)消

48、影，數(shù)碼管顯示部分的電路如圖3.11所示：圖3.11數(shù)碼顯示電路示意圖3.7 電源模塊一個(gè)可靠的電源系統(tǒng)可以保障整體系統(tǒng)正常而穩(wěn)定的工作。系統(tǒng)的電源板引入220V交流電源，在經(jīng)過(guò)一系列的處理后分別為主機(jī)、顯示器、傳感器等進(jìn)行供電。電源電路的設(shè)計(jì)如下圖3.12所示：圖3.12電源電路圖3.12中的后半部分為蓄電池電路，當(dāng)突然停電時(shí)可以使用蓄電池為主機(jī)供電，當(dāng)電池電壓低于一定值后，會(huì)進(jìn)行自動(dòng)斷電。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)的主要步驟系統(tǒng)軟件可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能。想要系統(tǒng)正?？煽康毓ぷ?，除了合理的硬件設(shè)計(jì)外，設(shè)計(jì)出功能完善的軟件部分也是有必要的。一般來(lái)說(shuō)軟件的設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)步驟： 1

49、.分析問(wèn)題，就是明確自己所需要解決的問(wèn)題是什么。2.確定相關(guān)算法。就是根據(jù)指令系統(tǒng)的特點(diǎn)和問(wèn)題的要求決定所需要的公式以及計(jì)算方法，便是所謂的算法。算法總的來(lái)說(shuō)是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的依據(jù)它決定了程序的質(zhì)量與正確性。3.制定程序框圖。由選擇出來(lái)的算法決定運(yùn)算步驟以及順序，并把運(yùn)算的總過(guò)程轉(zhuǎn)換成程序流程圖。 4.確定數(shù)據(jù)格式。進(jìn)一步地分配工作單元，同時(shí)把程序框圖轉(zhuǎn)換成為操作流程圖。 5.由程序流程圖編寫(xiě)程序。 6.程序測(cè)試。需要在仿真器上以連續(xù)、單步、斷點(diǎn)等方式運(yùn)行用來(lái)對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，以避免程序出錯(cuò)7.程序優(yōu)化。程序優(yōu)化是指縮短程序長(zhǎng)度和減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用以加快運(yùn)行速度。我們可以通過(guò)在程序中使用循環(huán)程序和

50、子程序的方式用來(lái)縮短程序，并且通過(guò)改進(jìn)算法來(lái)節(jié)省存儲(chǔ)單元達(dá)到減少程序運(yùn)行時(shí)間的目的。4.2 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件總體整體框圖如下4.1所示：圖4.1軟件的總體框圖開(kāi)始后首先進(jìn)行初始化，隨后系統(tǒng)進(jìn)行自檢看有沒(méi)有出現(xiàn)傳感器故障等情況，隨后系統(tǒng)顯示當(dāng)前的時(shí)間，信號(hào)處理電路包含了4個(gè)相互獨(dú)立的縱向通道，將前兩個(gè)通道的16路傳感器信號(hào)構(gòu)成int0中斷，后兩個(gè)通道的 16 路傳感器的信號(hào)構(gòu)成int1中斷，當(dāng)某一路傳感器檢測(cè)到來(lái)車(chē)信號(hào)后向系統(tǒng)進(jìn)行中斷申請(qǐng)，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理，接著16位的LED數(shù)碼管的上8位顯示當(dāng)前的時(shí)間，下8位顯示此時(shí)列車(chē)速度以及離道口距離等來(lái)車(chē)信息。并且語(yǔ)音芯片自動(dòng)播報(bào)錄音進(jìn)行提醒，

51、欄木機(jī)落下防止行人與車(chē)輛搶行。接著設(shè)備進(jìn)行復(fù)原，然后重新開(kāi)始循環(huán)。4.3 列車(chē)斷線檢測(cè)模塊系統(tǒng)在初始化后便開(kāi)始自檢，自檢主要是對(duì)所有傳感器進(jìn)行檢測(cè)看是否出現(xiàn)掉線等情況用以保證系統(tǒng)正常的運(yùn)行。而在工作中為了防止火車(chē)通過(guò)時(shí)突發(fā)傳感器故障，同樣也需不斷地對(duì)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，因此設(shè)計(jì)時(shí)把開(kāi)機(jī)自檢與工作巡檢進(jìn)行了合并。自檢是指開(kāi)機(jī)時(shí)對(duì)每一個(gè)74LS373輸入口連續(xù)進(jìn)行檢測(cè)2000H次，如果連續(xù)顯示1000次非FFH電平，便可以認(rèn)為是斷線。而巡檢則是在工作中每執(zhí)行一次主程序循環(huán)，都要對(duì)每個(gè)373輸入口檢測(cè)一下，一旦出現(xiàn)非FFH 電平便要用16位計(jì)數(shù)器記錄下來(lái)，倘若連續(xù)記錄1000H次非FFH電平則進(jìn)行

52、斷線報(bào)警。斷線檢測(cè)模塊框圖如圖4.2所示：圖4.2斷線檢測(cè)流程圖4.4 列車(chē)接近與到達(dá)檢測(cè)處理根據(jù)鐵路站內(nèi)道口技術(shù)條件規(guī)定，道口列車(chē)接近報(bào)警時(shí)間應(yīng)為4090秒，不能晚報(bào)、早報(bào)，誤報(bào)、更不能漏報(bào)，晚報(bào)、早報(bào)、誤報(bào)會(huì)使設(shè)備的置信度下降，同樣也可能引起事故。所以這對(duì)于列車(chē)的接近檢測(cè)提出了更高的要求 GB10493-1989，鐵路站內(nèi)刀口信號(hào)設(shè)備技術(shù)條件S.。認(rèn)為列車(chē)接近的標(biāo)準(zhǔn)是：接近傳感器1與接近傳感器2先后檢測(cè)出有效信號(hào)，并且兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差相對(duì)應(yīng)的速度為1160KM/h，只有滿足這個(gè)范圍以內(nèi)的速度才是合理的，這樣可以有效防止誤報(bào)。當(dāng)確定了列車(chē)正在接近道口后，系統(tǒng)應(yīng)立即發(fā)出報(bào)警，16位的LED數(shù)碼

53、管的上8位顯示當(dāng)前的時(shí)間，下8位顯示此時(shí)列車(chē)的接近速度以及到達(dá)時(shí)間。同時(shí)語(yǔ)音芯片自動(dòng)播報(bào)錄音進(jìn)行提醒，欄木機(jī)落下防止行人與車(chē)輛搶行。當(dāng)傳感器檢測(cè)到列車(chē)已經(jīng)通過(guò)道口時(shí)，此時(shí)數(shù)碼管恢復(fù)顯示時(shí)間，語(yǔ)音報(bào)警停止，欄木機(jī)復(fù)位。當(dāng)檢測(cè)到列車(chē)接近道口，但因種種原因并未通過(guò)道口時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將延時(shí)自動(dòng)復(fù)原。接近與到達(dá)檢測(cè)處理流程如圖4.3所示：圖4.3列車(chē)接近與到達(dá)檢測(cè)流程圖4.5 語(yǔ)音廣播系統(tǒng)軟件流程語(yǔ)音報(bào)警是提醒行人和過(guò)往車(chē)輛注意交通安全的必要設(shè)施，通過(guò)語(yǔ)音芯片ISD4002自動(dòng)播報(bào)錄音：“列車(chē)即將接近，請(qǐng)不要搶行或者翻越欄桿”或者“司機(jī)、行人朋友們請(qǐng)注意，火車(chē)即將接近，請(qǐng)不要搶行或者翻越欄桿”，因此軟件流

54、程相對(duì)比較地簡(jiǎn)單。如圖4.4所示：圖4.4廣播流程圖4.6 欄木機(jī)控制模塊流程電動(dòng)欄木機(jī)控制模塊是根據(jù)接近傳感器和到達(dá)傳感器檢測(cè)出的信號(hào)來(lái)控制相應(yīng)的動(dòng)作如欄木機(jī)前伸、欄木機(jī)后退。欄木機(jī)的前伸與后退電路是可以相互切換的，需要確保欄木機(jī)每次只能執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，當(dāng)欄木機(jī)執(zhí)行前伸動(dòng)作時(shí),必須將欄木機(jī)的前伸位設(shè)置為1即有效狀態(tài),與此同時(shí)需要將欄木機(jī)的后退位設(shè)置為0即無(wú)效狀態(tài)。同理，當(dāng)欄木機(jī)執(zhí)行后退動(dòng)作時(shí)，前伸位設(shè)置為0后退位設(shè)置為1。預(yù)先設(shè)置好電動(dòng)機(jī)對(duì)欄木機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制時(shí)間，當(dāng)超出規(guī)定的時(shí)間，應(yīng)當(dāng)停止欄木機(jī)動(dòng)作。欄木機(jī)控制子模塊的流程圖如圖4.5所示：圖4.5欄木機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖5 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)5.1 系統(tǒng)抗

55、干擾性及可靠性設(shè)計(jì)原則單片機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這不僅僅改善了工作條件和提高了生產(chǎn)效率，而且還顯著地提高了經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量。但由于單片機(jī)系統(tǒng)的工作環(huán)境大多數(shù)都比較地惡劣和復(fù)雜，因此其安全性和可靠性問(wèn)題顯得尤其突出。必須有效地保證單片機(jī)控制系統(tǒng)可靠地運(yùn)行，不然將造成控制誤差增大，比較嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失靈，以至于產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通常來(lái)說(shuō)影響系統(tǒng)的可靠、安全運(yùn)行主要來(lái)自于系統(tǒng)的各類電氣干擾和系統(tǒng)元器件選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造安裝工藝以及惡劣的環(huán)境條件等因素。這些因素會(huì)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成的以下幾個(gè)方面的影響：1、數(shù)據(jù)采集誤差加大2、控制狀態(tài)失效3、數(shù)據(jù)發(fā)生畸變4、程序運(yùn)行失控面對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部和外部因素干擾，我們可以采取有效的軟硬件辦法進(jìn)行加以解決，這同樣是可靠性設(shè)計(jì)的基本任務(wù)。通常來(lái)說(shuō)內(nèi)部因素主要是以下幾個(gè)方面：1、元器件本身的性能與可靠性；2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理；3、安裝與調(diào)試。而外部因素主要包括：1、外部電器條件，如電源電壓的穩(wěn)定性、強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(jī)械條件，如振動(dòng)、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(jì)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(jì)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