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1本科毕业设计（论文）题目：信号灯报警监控系统学号：104812293姓名：祝正磊班级：10机工A1专业：机械电子工程学院：机电工程学院入学时间：2010级指导教师：陆成鹰日期：2014年3月12日2毕业设计（论文）独创性声明本人所呈交的毕业论文是在指导教师指导下进行的工作及取得的成果。除文中已经注明的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名：祝正磊日期：2014年3月12日3信号灯报警监控系统摘要如今，铁路已经遍及世界各地，贯穿了我们的生活。而信号灯是用来保障铁路正常运营的必不可少的设备。因此如果在运营中信号灯发生故障，将可能使铁路无法正常运行甚至发生事故。本课题的研究目的和意义就是设计一套信号灯报警监控系统，用来自动化的及时发现铁路中发生故障的信号灯，使维修人员能第一时间对发生故障的信号灯进行维修，以保障铁路的正常运营。本系统将使用单片机来对其进行控制，使用仿真系统来模拟整个监控系统的运行情况。关键词：信号灯；监控；故障报警4LightalarmmonitoringsystemABSTRACTToday,therailwayhasbeenaroundtheworld,throughoutourlives.Thelightsaretheessentialequipmentwhichareusedtoguaranteethenormaloperationoftherailway.Soifthelightsarebrokendown,therailwaymaynotoperateproperlyorevenmaketherailwayaccident.Thepurposeoftheresearchistodesignalightalarmmonitoringsystemwhichisusedtofindthebrokenlighttimelyandautomatically.Bythisway,themaintainercanrepairthebrokenlightinfirsttimeandguaranteethenormaloperationoftherailway.Thesystemwillusemicrocontrollertocontrolit,andusethesimulationsystemtosimulatetheoperationofthemonitoringsystem.Keywords:light;monitoring;failurewarning5目录1绪论……………………………………………………………………11.1课题背景……………………………………………………………………11.2课题完成的功能…………………………………………………………21.3课题设计的方案………………………………………………………………22单片机简介……………………………………………………………52.1单片机的发展与应用……………………………………………………………52.1.1单片机的发展…………………………………………………………………52.1.2单片机的应用…………………………………………………………………52.2AT89C51的特性…………………………………………………………………63系统硬件设计…………………………………………………………93.1总硬件电路设计…………………………………………………………………93.2电流互感器……………………………………………………………103.3电压比较器……………………………………………………………103.4时钟电路的设计………………………………………………………………103.5复位电路的设计………………………………………………………………123.6时钟芯片电路的设计…………………………………………………………133.6.1DS1302时钟芯片的简介………………………………………………133.6.2DS1302的工作原理……………………………………………………133.6.3DS1302的引脚功能及结构………………………………………………143.7显示电路的设计………………………………………………………………154软件程序设计………………………………………………………184.1程序流程框图…………………………………………………………………184.2调试过程……………………………………………………………………205总结…………………………………………………………38致谢…………………………………………………………406参考文献…………………………………………………………41附录…………………………………………………………4211绪论1.1课题背景铁路信号灯对铁路的正常运行至关重要。在过去铁路刚开始运行的时候，是由人骑着马在前面引导火车运行。用手势信号来指挥列车前进或停止。后来人们开始研究固定的信号设备：用一块长方形的板子，并在顶端加有一块圆板。它的横向线路表示停车信号，顺向线路表示前进信号。在晚上运行的时候，红色灯光表示停车信号，白色灯光表示进行信号。后来随着列车速度的不断提高，信号灯也不断改进。1841年英国开始使用臂板式信号机。这种臂板式信号机有两种显示：水平位置表示停车信号，向下倾斜45度表示进行信号。夜间仍用红色灯光表示停车，但改用绿色灯光表示前进。随着信号灯不断的发展，为了保障信号灯能一直正常工作，使铁路能正常运行，信号灯监控系统也在不断的向自动化、智能化发展和改进。如今已经有许多利用不同的技术设计开发成功的信号灯监控系统。比如杨景玉在《甘肃科技纵横》中发表的《铁路设备检修自动化系统设计与实现》，他利用计算机平台动态显示各信号设备的状态或采用报警继电器，用计算机监控各信号。比如张少华发表的《新型站内信号灯断丝定位报警系统》。，还有，又比如王国芬发表的《TDB型信号灯快速定位报警系统》，他利用指示灯与继电器相结合的方法，由指示灯显示灯的位置。这些技术的缺点是，占用空间大但检测的点数少，距离短而且造价贵，难以广泛应用。本设计的特点就是可以实时检测多路铁路信号灯的工作情况，检测信号灯是否有断丝的故障，对于故障的信号灯进行报警。系统结构简单，造价不贵，适合批量生产。实物如图所示：2图1-11.2课题完成的功能1.对16路信号灯循环进行检测。2.对灯丝发生故障的信号灯进行报警，显示发生故障的路数、小时和分钟。3.只显示第一次检测到故障时的时间。4.没有报警时显示当前的时间。5.对于一段时间内发生的故障可动态显示。1.3课题设计的方案在信号灯上串接一个电流互感器，电流互感器的输出端上并联有一个电流转电压电阻，构成一个信号采集部件，采集信号灯的正弦信号。正弦信号可能采集到的情况如下：31）灯丝正常工作时的波形，如图1-2图1-22）灯丝故障时的波形，如图1-3图1-33）信号灯未工作时的波形，如图1-4图1-44电压信号进入电压比较器后，产生以下的比较，如图1-5图1-5516路正弦信号通过多路模拟开关分别进入已连接可调电阻的2个电压比较器，一个可调电阻设置的电阻较高，一个较低。电压比较器的输出信号进入单片AT89C51主芯片，观察电压比较器的输出情况，若都是高电位1，则正常，此时如果原先有故障，则消除故障，如果原先没有故障，则进行下一路的监测；若一个高电位1，一个低电位0，则故障并使用数码管显示发生故障的信号灯的路数和时间，此时如果原先有故障，则进行下一路监测，如果原先没有故障，显示报警后开始监测下一路；若都为0，则没有开机，重新检测。本系统所有的设计和调试都用PROTEUS仿真系统完成，然后用单片机程序进行控制。2单片机简介2.1单片机的发展与应用2.1.1单片机的发展单片机，全称单片微型计算机，又称微控制器。它由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机。单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8051，此后在8051上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。2.2.2单片机的应用单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、6电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为这样几个范畴：智能仪器、工业控制、家用电器、网络和通信、设备领域、模块化系统、汽车电子等。2.2AT89C51的特性AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-1所示。7图2-1AT89C51引脚1、电源引脚（2根）1）VCC：电源端，接5V电源。2）GND：接地引脚，有时标记为Vss。2、控制引脚（6根）1）RST/Vpd：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。2）XTAL1：晶体振荡器接入的一个引脚。3）XTAL2：晶体振荡器接入的另一个引脚。4）ALE/PROG:地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。5）EA/Vpp：片外ROM访问允许/编程电压输入引脚。6）PSEN：片外ROM读选通信号输出引脚。83、输入/输出端口（32根，由4个8位端口构成）51系列单片机有4个8位并行（8个具有相同功能的引脚）I/O端口P0—P3。所有端口都可以作为通用输入/输出端口，部分端口还具有特定功能。1）P0口（P0.0-P0.7）：P0口是漏极开路的8位并行端口，作双向I/O端口使用或者作为地址总线低8位数据总线使用。2）P1口（P1.0-P1.7）：P1口的第一功能是作为准双向I/O端口使用，其功能完全由用户程序进行定义。这里称准双向口是由于接口内部与拉高电路。P1口的第二功能引脚第二功能符号第二功能描述P1.0T2T2的外部计数脉冲输入P1.1T2EXT2的外部触发脉冲输入P1.5MOSI在系统编程串行数据输入P1.6MISO在系统编程串行数据输出P1.7SCK在系统编程串行时钟输入3）P2口（P2.0-P2.7）：P2口作为一般准双向I/O端口使用或者高8位地址总线输出引脚。4）P3口（P3.0-P3.7）：P3口一般作为准双向I/O端口使用或者第二功能引脚。P3口的第二功能引脚第二功能符号第二功能描述P3.0RXD串行通信数据接收引脚P3.1TXD串行通信数据发送引脚P3.2INT0外部中断0请求信号输入引脚，低电平有效P3.3INT1外部中断1请求信号输入引脚，低电平有效P3.4T0定时器/计数器0外部计数脉冲输入引脚P3.5T1定时器/计数