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1绪论1.1问题的提出铁道的安全，是直接关系到行人人身安全和列车运行安全的关键。由于火车的速度高、铁轨的弯道多及地形复杂，再加上我国是一个人口众多的国家，所以往往会出现一些意想不到的情况。平交道口是铁路和公路的平面交叉，随着铁路行车速度、密度的不断提高和公路车辆的急速增多，平交道口的安全问题，已经变的非常突出。成为铁路安全运营的薄弱环节。平交道口有区间和站内之分，以及有人看守和无人看守之分。随着科学技术的进步，有人看守的区间道口在设备上逐步得到加强，事故明显减少。然而站内道口由于多是地处人口稠密、经济活动频繁的市镇地区，公路交通车辆日益增多，平交改立交费用昂贵，技术困难。而且，很多的站内道口附近的铁路行车作业非常复杂，正线、专用线、调车线等四通八达，通向道口的线路很多，与车站信号连锁困难，所有的这些因素都制约了平交道口改为立交道口的进程，这就决定了平交站内道口在今后相当长的一个时期内仍将继续存在，服务于运输生产[1]。为改善铁路平交道口尤其是站内道口的安全状况，有必要设计一种具有高可靠性的道口报警设备，在列车接近道口前告警，提示道口职守人员及行人、车辆注意，以确保列车安全通过，减少以至杜绝道口交通事故的发生。1.2研究意义铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉、交通运输体系的骨干，对于国家社会经济的正常运行和发展具有举足轻重的作用和全局性的作用。现代化的交通运输主要包括铁路、水路、公路、航空和管道五种方式。它们各自有其不同的技术特征和使用范围。与其他的运输方式相比较，铁路运输具有运输能力大、能够负担大量客货运输的任务、速度快、受气候条件限制小、可全天候运营、运输成本低等优点，因此，我国正大力发展铁路行业的建设事业。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。如果道口都由人来看守，则有的道口一天通过几十列火车，而横向通过道口的人流和车流较多，这样势必会造成道口看守人员疲劳而出事故；有的道口则一天也没有几列车或人员、车辆较少，而造成看守人员的浪费。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、错报事件的出现机率，从而有效的避免道口交通事故的发生。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1铁路实际情况，开发适合的道口报警设备具有重大意义。1.3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。在铁路网比较发达的欧洲，道口密度大，事故风险也相对比较高。其中，英国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各国低。这主要得益于英国政府增加警力，强行控制道口违章行为。在驾校增设关于平交道口的安全教育，开展平交道口危险性的宣传活动。同时，英国西屋铁路系统公司在别国成功技术的基础上，研制了一种新型的平交道口预测器（英文名称缩写LCP）。其工作过程是在道口装一个LCP单元，两边轨道的端点处各装一个无源转辙器。当列车经过前转辙器时，轨道电路的阻抗和电压会线形减少，呈现下斜图形，反映列车接近轨道口的位置，LCP根据图形斜率计算列的速度，确定列车经过道口的时间，从而产生报警，当列车经过后转辙器以后，报警结束。该设备符合道口报警设备的一般设计原理，但是其价格昂贵，同时英国铁路轨道电路与我国轨道电路有诸多不同之处，所以无法将其移用至我国铁路道口中[2,3]。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设计目的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。本系统的列车接近报警功能及操作程序基本符合国标“铁路站内道口信号设备技术条件”，主要功能设计如下：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。该系统最易发生的故障是传感器的损坏、断线和丢失，而传感器是该系统的关键部位，因此系统在工作中要不间断的检查传感器的状态，一有故障，系统要立即报警显示故障部位。2、数字钟功能系统自检结束后立即自动进入工作状态，此时时钟要显示正确的时间，同时也可以随时输入正确的时间，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。并且走时2准确的时钟也是系统状态良好的最显著直观的标志。3、列车接近道口声光报警功能这是系统的主要功能。当任意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的列车接近信息。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方向上的列车接近道口时，上下八位显示器均可采用轮流显示列车接近的信息。同时，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。4、人机对话和数据存储查询功能通过键盘命令可实现人机对话，单键操作简单易学。人机命令有六种：（1）时钟输入，（2）确认，（3）自检，（4）删除，（5）查询，（6）打印。信息存储容量为100条最近的信息，可根据需要查询其中的任一条。5、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。当调车接近道口但未到道口即停止或折返时，设备延时5分钟自动复原。2自动报警系统构架及技术指标2.1系统组成部分系统主要由传感器系统、信号处理系统、单片机系统以及语音报警四部门组成，系统组成框图如图2.1所示：图2.1系统组成框图单片机系统传感器信号处理密封键盘显示器打印机输出接口及功能扩展故障显示语音报警接近方向道口信号机32.2系统工作的平面示意图系统主机安装在铁路道口值班房内，传感器安装在距离道口适宜距离的铁轨上，传感器信号由信号电缆传回主机，有主机进行处理，并将来车信息通知道口值守人员。系统平面工作示意如图2.2所示：图2.2系统平面工作示意图3系统硬件设计3.1系统主电路的设计设计原则首先是可靠，其次是简单，具有可以满足系统工作需要的计算速度，而且要考虑系统的综合经济成本。因此，我们选用技术成熟而且可以稳定工作的AT89C51作为系统主电路的核心[4,5]。利用该芯片设计的电路，基层设备使用单位的技术人员经过短时间的培训基本都能掌握系统硬件电路的基本工作原理，而且电路上的元件均采用拔插式，这样的设计保证了他们可以自行的处理一些小的故障或在设计人员的远程指导下更换芯片，保证了系统故障的及时有效排除，为运输生产提供了有效保障。单片机电路设计如图3.1所示：4图3.1单片机电路3.2信号输入与输出信号输入包括所有的传感器状态、键盘输入和打印机应答信号等，都通过P0口，功能输出通过P1，而打印、显示的输出数据仍然通过P0口，P3用作控制线。P0口共驱动9个芯片，除8279和6264外其余均为HC电路，所以驱动能力可以保证。3.3传感器选择的依据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。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。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，5只溜放车辆的条件下，此高度可以调整到34毫米[6,7,8]。a、触发端传感器：由于单片机系统需要由触发信号计算出火车速度，所以将触发端设计为两只传感器连排，其距离尺寸固定，这样根据脉冲发生间隔时间就可以由软件计算出火车接近速度。其测速原理如图3.2所示：图3.2测速原理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[9,10]。其中一路的信号处理电路如图3.3所示：图3.3信号处理电路63.4语音电路的设计语音电路是针对室外语音广播而设计的。其核心为microchip公司生产的PIC16C71单片机，语音芯片为ISD（InformationStorageDevice）公司生产的ISD1420芯片。PIC16C71单片机是microchip生产的一种高性能、低价位、采用COMS工艺制造、全静态设计的一种8位单片机。其内含1K×14程序存储器、36个数据存储器、4路8位A/D13、个I/O口、有4种中断源。它的汇编语言精炼，易学易用的精简指令集使用方便、功能强、且有C语言和模糊逻辑开发系统的支持（MP-C；FUZZYTECH-MP）以及仿真软件MPSIM的支持。与同类单片机相比，其程序存储器可节省一半，指令速度可提高5倍左右。其内置的看门狗定时器提高了单片机的可靠性，同时，单片机设置的保密位，防止了用户程序代码的泄露或被人非法拷贝[11,12,13]。其引脚图如图3.4所示：图3.4PIC16C71管脚图3.5数码显示电路数码管由8个发光二极管构成，可用来显示0-9,A,B,C,D,E,F,P及小数点“.”等字符。若把各二极管的阴极连接在一起，则称为共阴极数码管。在本系统的数码显示电路中采用的是共阴极数码管。当某个二极管通导时，相应的字段发光。这样，若进行适当的控制，使某些二极管通导，这些通导二极管发光后就可构成一个显示字符。在共阴极数码管中，这若干个导通二极管用“1”表示，其余二极管用“0”表示。8279的引脚OUTA3-A0、B3-B0为A组显示信号输出端，对应显示每个数码管段选码；SL3-SL0为B组显示信号输出端，对应显示数码管的片选。根据8279的输出端与数码管各段的对应关系可以推出各种显示状态的段选码。由于数码管中每段发光二极管的负载电流需l0mA左右，因此，8279的引脚OUTA3-A0，OUTB3-B0输出的八路显示信号由MC1413来实现对数码管每路段选的驱动放大作用[14,15,16]。7该系统电路如图3.5所示：图3.5数码显示电路3.6系统电源电路设计一个系统要想正常稳定的工作，必须要有一套稳定可靠的电源系统做保障。系统电源板直接引入220V交流电源，经过电源板处理