火车道口报警系统毕业设计论文

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY

毕业设计（论文）

题目：火车道口报警系统

太原科技大学毕业论文（设计）

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论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日

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论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日

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目录

摘要 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- I ABSTRACT --------------------------------------------------------------------------------------------------- II 第1章 绪论 ----------------------------------------------------------------------------------------------- - 1 - 1.1 问题的提出 ------------------------------------------------------------------------------------------ - 1 - 1.2 国内外研究现状 ------------------------------------------------------------------------------------ - 1 - 1.3研究的目的和意义 --------------------------------------------------------------------------------- - 2 - 1.4设计任务和要求 ------------------------------------------------------------------------------------ - 2 - 第2章 微机自动报警系统概述 --------------------------------------------------------------------- - 4 - 2.1 系统组成部分及工作原理 ------------------------------------------------------------------------ - 4 - 2.2系统主要组成部分 --------------------------------------------------------------------------------- - 5 - 2.3方案选择 --------------------------------------------------------------------------------------------- - 5 - 2.3.1系统选择 --------------------------------------------------------------------------------------- - 5 - 2.3.2传感器的选择 --------------------------------------------------------------------------------- - 6 - 2.3.3单片机的选择 --------------------------------------------------------------------------------- - 6 - 2.4系统抗干扰设计 ------------------------------------------------------------------------------------ - 7 - 2.4.1系统抗干扰性及可靠性设计原则 --------------------------------------------------------- - 7 - 2.4.2系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施 --------------------------------------------------- - 7 - 第3章 系统硬件设计 ---------------------------------------------------------------------------------- - 10 - 3.1传感器的选用 ------------------------------------------------------------------------------------- - 10 - 3.1.1传感器的选择 -------------------------------------------------------------------------------- - 10 - 3.1.2传感器的安装及使用 ----------------------------------------------------------------------- - 11 - 3.2信号处理电路的设计 ---------------------------------------------------------------------------- - 12 - 3.2.1器件简介 -------------------------------------------------------------------------------------- - 13 - 3.2.2信号输入 -------------------------------------------------------------------------------------- - 13 - 3.2.3信号整形 -------------------------------------------------------------------------------------- - 14 - 3.2.4光电隔离 -------------------------------------------------------------------------------------- - 15 -

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3.2.5锁存选通级设计 ----------------------------------------------------------------------------- - 15 - 3.3.1 AT89C51性能简介 -------------------------------------------------------------------------- - 15 - 3.3.2系统主电路 ----------------------------------------------------------------------------------- - 16 - 3.4语音报警功能的设计 ---------------------------------------------------------------------------- - 18 - 3.4.1 ISD1420芯片介绍 --------------------------------------------------------------------------- - 19 - 3.4.2语音报警电路 -------------------------------------------------------------------------------- - 22 - 3.5道口栏木驱动控制电路设计 ------------------------------------------------------------------- - 23 - 3.5.1芯片L298N的介绍 ------------------------------------------------------------------------- - 23 - 3.5.2驱动控制电路图及工作原理 -------------------------------------------------------------- - 25 - 3.6电源电路设计 ------------------------------------------------------------------------------------- - 25 - 3.7键盘输入电路的设计 ---------------------------------------------------------------------------- - 26 - 3.8数码显示电路的设计 ---------------------------------------------------------------------------- - 27 - 第4章 软件设计 ---------------------------------------------------------------------------------------- - 29 - 4.1系统软件总体设计 ------------------------------------------------------------------------------- - 29 - 4.2系统设备断线检测模块设计 ------------------------------------------------------------------- - 31 - 4.3列车接近检测模块设计 ------------------------------------------------------------------------- - 32 - 4.4交通灯控制软件设计 ---------------------------------------------------------------------------- - 34 - 4.5语音广播软件设计 ------------------------------------------------------------------------------- - 34 - 4.6道口栏木软件设计 ------------------------------------------------------------------------------- - 35 - 4.7软件抗干扰措施 ---------------------------------------------------------------------------------- - 36 - 结论 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 38 - 参考文献 -------------------------------------------------------------------------------------------------- - 39 - 致谢 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- - 40 -

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基于单片机的火车道口安全报警的研究与设计

摘要

在我国，铁路是人们出行选用的最多的交通工具，所以有许多平交道口纵横交错。随着我国经济建设的不断发展，交通运输业已日愈繁荣，铁路运输事业更是发展迅速，对列车运行速度的要求日益提高。在列车高速行驶的情况下，铁路平交道口就成了我国铁路安全运输问题的重点及难点。这些道口给人们的生活带来许多不方便，有时还会出现危险事故。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平交道口来车自动报警系统，采用了可靠性高89C51作为控制芯片，利用并处理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，为列车的安全高速运行提供可靠地保障，并有交通灯示警，栏木隔断，极大程度减少了事故发生的隐患。针对系统工作环境和工作的特殊性，在系统硬件设计过程中，重点突出了系统运行的可靠性、设备的坚固程度，在软件的编制上也采取了有力的抗干扰措施。本系统的设计与研究能及时准确的为道口值守人员提供来车信息，即使是恶劣的天气状况也不会有太大影响。因此，本系统具有十分重要的社会意义及推广价值。

关键词：运输安全,铁路平交道口,单片机

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Research and Design based on microcontroller train

crossing safety alarm

Abstract

In our country, the railway is the most chosen transport of people for travelling, so there are many level crossings criss-cross. Alone with the continuous development of Chinese economic construction, transportation industry has been increasingly prosperous; rail transportation industry is developing rapidly, with increasing demand for train speed. In the case of train running in high speed, railway level crossings become key points and difficulties on the safety transportation issues of railway in China. These crossings bring people’s life a lot of inconvenience, even sometimes with dangerous accidents. The topic for the current situation of our country railway level crossing develops a level crossing to vehicle automatic alarm system by single-chip microcomputer technology, adopted high reliability 89C51 as a control chip, using and processing information of wheels collected back by track sensor to notify crossing officers on duty and passers-by of the future vehicle information accurately, to provide reliable protection for the safety of high-speed operation of the train, with traffic lamp warning and bar wooden partition ,to greatly reduce the accident hidden danger. In the light of the system’s working environment and particularities of the working, during the hardware designing process, highlights the system's reliability and the robustness of the devices, on the development of the software has also taken strong anti-jamming measures. The design and research of this system can provide information about the coming vehicle timely and accurate for crossing officers on duty, even in adverse weather conditions there will not be much affected. Therefore, this system is of great social significance and promotional value.

Key words：Transportation Safety, Rail-way Level Crossing, Single-chip

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第1章 绪论

1.1 问题的提出

铁路是我们国家很重要的基础交通设施、国民经济的基础、交通运输体系的重要组成

部分，对于国家社会经济的正常运行具有很重要的作用。铁路运输具有运输能力较大、能够承担大量客货运送的任务、速度较快、受气候条件的限制相对较小、并可全天候运营、且运输成本低等优点。因此，我国一直在大力发展铁路行业的建设。

火车平交道口是铁路和公路的平面交叉点，随着铁路行车速度、密度的不断提增和公路车辆的急速扩增，平交道口的安全问题，变的相当突出。在我国有很多的铁路无人看守道口存在，使得道口安全问题总是存在于人们的视野中。就在我的学校附近就有一个火车道口，对我们的出行很不方便。

为了改善铁路平交道口尤其是站内道口的安全情况，很有必要设计一种具有高可靠性能的道口报警设备，在列车接近道口前告警。 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。因此，增强铁路道口防护系统功能是十分必要的。

而在欧洲，铁路网发达，道口密度大，事故风险也高。英国的安全工作做的比较好，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。其原因不仅是政府强行控制道口违章行为和加强平交道口安全教育，更主要是研制出一种新型的平交道口预测器。在两边轨道的端点处各装了一个无源转辙器，当列车经过时，轨道电路的阻抗和电压

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会线性改变，回馈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，从而报警。因为道口多需值班人员操纵，人员运营费用很大，正在提议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许多不同的地方，且价格十分昂贵，所以，不能直接将其移用至我国。在我国铁路整体提速的情况下，为了防止悲剧的发生，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。所以，开发实用的站内道口自动报警设备是铁道部当务之急。

1.3研究的目的和意义

铁路道口安全工作的好坏，直接关系到人民生命财产的安全，并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。而且国外的产品也不适用于我国的铁路状况。所以，立足我国铁路现状，开发实用的站内道口自动报警设备仍是当务之急。

1.4设计任务和要求

系统总体采用AT89C51单片机为平交道口自动报警系统的核心，用安装在钢轨内侧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，根据多项数据得出列车是否通过道口。由单片机控制道口交通灯的转换和语音报警功能的开关，并控制道口栏木升降从而达到自动检测、报警通知和提升道口整体安全状况的目的。 本系统列车接近报警系统的主要功能：

（1）自检功能：开机后进入自检，对各项设备（传感器、显示器等）进行检测，看其是否正常工作。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）列车接近道口语音报警功能：当列车接近道口时，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。

（3）交通灯切换功能：当列车接近道口，传感器采集到列车接近信息，系统立即控制交通灯的红色信号灯亮，绿色信号暗，以提示行人、车辆禁止通过。

（4）道口栏木升降功能：当列车将要通过时，栏木放下，防止行人及车辆通过。列车通过后，栏木升起。

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（5）系统复原功能：当列车通过道口后，设备复原，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。

（6）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。

（7）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。

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第2章 微机自动报警系统概述

2.1 系统组成部分及工作原理

火车在进行时，凸出极磁电轨道传感器将车轮切割磁感线输出的脉冲信号，通过信号处理电路，将整齐的脉冲信号转换为火车与道口的距离，将该距离可以进行实时显示。当无火车接近时，显示正常通过，一旦传感器检测到有火车到来时单片机电路就会发出声、光报警，警示即将通过道口的车辆以及人员。确保通过人员的安全，并减少由此带来的巨大的财产损失。

整个系统的原理图如图2.1所示。 微机自动报警系统的指标如下：

? 用声、光警示即将通过道口的车辆以及人员； ? 具有较好的电磁兼容性； ? 适应各种天气；

? 适于电气以及非电气化的各道口（备蓄电瓶，自动充电）； ? 安装，维护方便，成本低。

传感器信号处理电路显示器单片机电路键盘输出接口与功能扩展列车接近方向显示室内语音报警室外语音报警栏木升降交通灯转换

图2.1系统组成框图

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2.2系统主要组成部分

微机自动报警系统主要由传感器系统、信号处理系统、单片机系统以及系统功能实现模块四部分组成。

? 传感器系统：根据系统需求，数据采集元件选用的是凸出极磁电轨道传感器。此传感

器为永磁体材料，外壳为坚硬铸钢，无源，其磁心的磁能积足够大，火车车轮经过时，通过切割磁力线能够产生强大的脉冲信号，只需要定时打扫金属屑，不需要特别的养护，就能长期工作，符合工作环境对传感器的要求。

? 信号处理系统：信号处理系统将传感器输出的模拟量转换为开关量，并分离出信号中

的故障信号，是系统的重要组成部分。传感器输出的信号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信号处理系统成为标准的开关量，才能供数字控制系统使用。信号处理系统还包括信号输入，光电隔离抗干扰，锁存选通等几个部分，保证信号的准确、及时。

? 单片机系统：单片机系统是整个系统的中央处理系统，他通过硬件与软件的结合来控

制各个部分的工作，实现系统的各项功能。这部分是整个系统的灵魂，选择了AT89C51单片机，其使用方便，易于掌握，操作方便，是合适的选择。通过显示器显示列车接近的时间，键盘是人机通讯的工具，通过键盘工作人员可以检查、操作单片机。 ? 功能实现模块：功能实现模块包括3个主要功能：道口交通灯转换控制功能、语音报

警功能和道口栏木升降功能。当车来之前绿灯灭，红灯亮，车走之后红灯灭，绿灯亮。室内语音室用来提醒工作人员列车将要来到，提前做好准备，室外语音则是提醒过往车辆以及行人注意安全。栏木在车来之前就会放下来，车走之后会抬起。

2.3方案选择

火车道口报警系统有许多方案可以选择，每一个方案都有自己的优缺点。在做这个系统时，我参考了许多方案，但最终决定使用以单片机AT89C51为中心，振动传感器MLY—9200为主要组成的单片机系统。 2.3.1系统选择

在我所学的知识里，单片机和PLC都可以做这个系统。

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A. 单片机系统：单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。适用于嵌入式操

作系统，应用广泛。本系统所用的AT89C51单片机价格较低，好操作，易掌握，学习使用都很方便。以AT89C51为主的系统都很稳定，对于火车道口这种突发状况多，天气情况多变的地方很适合。

B. PLC系统：PLC机有许多优点，如可靠性高，抗干扰能力强等，但价格昂贵，对于我

国火车道口数量极多的情况不是很合适，且其输入程序为梯形图，PLC在执行梯形图时，用解释程序将他翻译成汇编语言然后执行，与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行的时间更长。

C. Atmega128L与MC55系统：该系统有单片机Atmega128L和MC55接口电路为主要组

成部分。这部分的内容并没有接触过，而且也比较繁琐，所用的器件较多，这样造成的干扰也会更多。

基于上述情况，最终选择选用单片机系统。 2.3.2传感器的选择

A. 凸出极磁电轨道传感器：此传感器为永磁体材料，外壳为坚硬铸钢，无源，其磁心的

磁能积足够大，火车车轮经过时，通过切割磁力线能够产生强大的脉冲信号，只需要定时打扫金属屑，不需要特别的养护，就能长期工作，符合工作环境对传感器的要求。 B. MLY—9200振动传感器：该传感器可以对1km以内行进中的火车能够检测到，适合铁

轨的中低振动频率范围内，有较低的输出阻抗，较好的信噪比，使用方便，灵活性较好，但可能存在偏差，动态范围有限。

综上选择凸出极磁电轨道传感器作为本系统所用传感器。 2.3.3单片机的选择

在单片机的选择上，并没有太多的选择，那是因为单片机AT89C51、AT89C52以及AT89S51的基本功能都差不多，若是做这个系统的话，基本都可以，只是C52的内存比C51的较大，还多了看门狗和定时器/计数器功能。S51则可以说是C51的升级版在写入方式，电源范围，工作频率等方面都有改进，基于本系统用单片机AT89C51就可以做的很好，所以还是选用了c51为主要器件。

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2.4系统抗干扰设计

2.4.1系统抗干扰性及可靠性设计原则

近几年来，单片机系统对工业自动化、生产过程控制、智能化仪器仪表等领域造成的干扰后果主要表现在以下几个方面： ? 数据采集误差加大 ? 控制状态失灵 ? 数据受干扰发生变化 ? 程序运行失灵

针对这些内部和外部因素的干扰，采取有效的软硬件措施加以解决，是可靠性设计的基本任务。导致系统不能稳定运行的内部因素主要有三个： 1、元器件本身的性能与可靠性。 2、系统的结构设计是否合理。 3、安装与调试。

外部原因是指系统所处工作环境中的外部设备或空间条件导致运行不可靠的因素，主要包括：

1、外部电器条件，如电源电压的稳定性、强电场和磁场的影响； 2、外部空间条件，如温度、湿度、空气清洁度等； 3、外部机械条件，如振动、冲击等； 4、恶劣的自然现象影响，如雷电等。

因此在系统设计中，元器件的选择是根本解决办法，合理的安装调试是基础设置，系统的设计是有效的手段，外部环境是保证。这是本系统在抗干扰性以及可靠性设计方面遵循的基本原则。

2.4.2系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施

干扰形成必须具备三个主要因素，即：干扰源、耦合通道、对于干扰敏感的接受电路，如下图所示：

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图2.2干扰流程示意图

本系统受到的主要干扰来自电网供电，空间电磁波，信号传输通道和雷电。 ? 较恶劣的供电条件及抗干扰措施

由于车站现场运行的各种电器设备众多，特别是感性负载的启停，可使电网电压产生大幅度的涨落（浪涌）和较大幅度的高频振荡电压，而各种大功率开关的通断，电机的启停，又会形成很强的尖峰干扰，极易造成单片机应用系统得误动作、数据丢失甚至死机。 系统针对供电条件的干扰所采取的抗干扰措施主要有：

1. 在电源引入线上加带有屏蔽罩的电源滤波器（低通滤波器），它一方面抑制分布在火

线上的干扰，另一方面也可解决宽频带瞬变状态下的干扰。其设计力图仅允许50HZ交流电通过，对高频干扰电压有较好的衰减作用。

2. 在电源引入线的线间和每线对地间加装430V压敏电阻，可有效抑制较高幅度的振荡

电压和尖峰脉冲。

? 较强的空间电磁波干扰以及抗干扰措施

空间电磁波的干扰无处不在，车站附近可以认为是电磁波重污染区。这里密集了各种无线通信和广播电视信号，内然机车和电力机车上的各种大功率电机电器和车站的各种设备产生的电磁干扰。系统抗电磁干扰的能力又称为电磁兼容性，目前，各种军用、民用电子设备对电磁兼容性的要求越来越高。

电磁兼容性设计主要包括电路设计、接地和屏蔽设计。 电路设计包括带宽控制、去耦、滤波和隔离。

1. 带宽控制主要是选用高抗干扰能力的逻辑芯片。CMOS一般比TTL好，功耗小，所以

优先选用CMOS芯片。尽量选用比较低的时钟频率，本单片机系统选用6MHZ。对输入的开关量要进行限幅、RC滤波、整形。

2. 去耦措施是对共模耦合采取分开回路的设计，对互阻耦合，采取使空间导体彼此远离，

尺寸尽量减小，就近接地和加粗地线。

3. 滤波措施是对进入电路内部的连接电缆，都加滤波环节，以抑制其传导干扰，同时在

内部电路的信号输入部分也加有滤波电容。

4. 隔离措施是用光电耦合器把内部电路与外部接口隔离开，将各单元电路也尽可能隔离

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开。

各信号通道间尽量采用电气隔离、空间隔离的措施，减少干扰传输，减少传输距离，开关通断瞬间产生的尖峰干扰就近采用RC滤波进行吸收。

人们己经研究了许多抑制电源干扰的措施，在实际应用系统中，可以选择适合自己所设计的电源系统的抗干扰手段。 ? 电源变压器的初次级屏蔽。

? 利用初级平衡式绕制法绕制电源变压器。 ? 采用防雷电变压器。 ? 减少电源变压器的泄漏磁通。 ? 采用噪声隔离变压器。 ? 采用电源滤波器。 ? 采用性能好的稳压电源。

通过以上抗干扰措施从而减小外部环境对系统的干扰，提高系统的抗干扰性能。 这章主要是介绍系统整体的设计，以下是对每部分的详细介绍。

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第3章 系统硬件设计

3.1传感器的选用

3.1.1传感器的选择

本系统选择凸出极磁电式轨道传感器。

因为本系统对传感器的要求十分苛刻，由于工作位置靠近站台和道路，夏天有雨水浸泡，冬天遭冰雪覆盖，还有沙土垃圾掩埋，人为破坏等原因，站内道口传感器的工作条件比区间道口恶劣的多。所以对传感器有测试范围宽并尽可能无源；坚固耐用无维修或极少维修；较高的灵敏度和输出范围等要求。

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，磁极为凸出极结构，中央设凸出极铁芯，引出端子为密封结构装置，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。其效果是５公里／小时低速或“蛇形运动”时不丢轴，防雷性能好，灵敏度高，雨雪天能可靠输出信号，可以满足标准工作间隙的调整要求，能适用于各种不同的钢轨类型，较理想地适应铁路信号自动控制装置的配套需要。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：

根据法拉第电磁感应定律：

d? dt将感生出电信号，且磁通变化率决定感应电信号的幅值。

E??N1. 相关技术特性：

? 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，感应信号电

压(E)呈指数上升；工作间隙H增大，感应信号电压(E)呈指数下降。

? 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，感应信号电

压(E)与车轮通过传感器的速度(V)呈线性关系。 ? 传感器信号敏感度测试：

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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。 3.1.2传感器的安装及使用 传感器的安装要考虑以下因素：

①机车轮沿高度为28毫米，车辆轮沿高度为25毫米；

②车辆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3.2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

V 飞轮 S 钢轨 道口 H H 传感器Ⅰ 传感器Ⅱ 停止计数 计数器T0 开始计数 图3.2 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T0，同时利用传感器II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。

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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。

3.2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：

1. 将复合信号中车轮信号分离并整形为脉冲信号 2. 分离出复合信号中包含的故障信息 3. 对车轮信号中的颤动信号进行滤波 4. 对传感器及线路传输的干扰信号进行处理

5. 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。图3.3是其中一路传感器输出信号处理电路设计图：

图3.3信号处理电路

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如图3.3，传感器CG1采集列车通过信号，输出脉冲信号，YM1是压敏电阻，其电阻值随着电压的改变而改变，是为了保护传感器受到过电压的损伤。R1是限流电阻，Rp1是分压电阻，C1是滤波电容，两个二极管也是为了防止过电压，这些都是为了保护电路及元件的。脉冲信号通过74HC245后放大信号功率。TLP521-4是光电耦合器，是为了减少电压干扰，脉冲信号通过光电耦合器后分成两路，一路输入与非门74HC30，四片74HC30输出的信号再输入或非门74HC02，一路输入数据锁存器74HC373，而后他们输出的两路信号再进入74HC123，最后输出完整的脉冲信号。 3.2.1器件简介

? TLP521-4是可控制的光耦合器件，电路之间的信号输出，使之前端与负载完全隔离，

目的在于安全性，减小电压的干扰，减化电路的设计。

? 74HC245 总线收发器，典型的CMOS型三态缓冲门电路。用于信号功率放大。 ? 74HC373D是8位的高速数据锁存器，COMS材料的，常用作单片机ISP下载器数据

数据锁存缓冲。工作电压在4.5V到5V之间。 ? 74HC30是8输入单与非门。 ? 74HC02是二输入四或非门

? 74HC123是双路可再触发单稳多谐振荡器，可通过多达3种方式实现输出脉宽控制。

74HC123的nA和nB输入带施密特触发功能，使得电路对缓慢的输入上升和下降具备更高的容差性。 3.2.2信号输入

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3.3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22kΩ分压电阻。A点电压即静态输入电压VI为：

VI?RI?RCG0.51?0.83?V??5?0.287V RPI?RI?RCG22?0.51?0.83 当传感器CG断线时，VI变为V+为5V，从而为断线检测打下硬件基础。在系统工作时，不断检测所有4块373的输入端，若连续检得10秒钟低电平，即为断线。

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3.2.3信号整形

信号整形级选用得是74HC245芯片

? 1脚M(DIR)，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，

DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。

? 2~9脚“A”信号输入输出端，A1=B1至A8=B8，A1与B1是一组，如果DIR=“1”OE=“0”

则A1输入B1输出，其它类同。如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。 ? 11~18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。 ? 19脚OE(

)，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被

启用，该脚也就是起到开关的作用。 ? 10脚GND，电源地。 ? 20脚VCC，电源正极。

图3.4 74HC245引脚图

表3.1 真值表

控制输入

DIR

L L B数据到A总线 L H A数据到B总线 H X 隔开

运行

74HC245的DIR端接电源后，使方向为A到B，第19管脚接地，使其始终选通。

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