基于单片机的火车道口安全报警的研究与设计

基于单片机的火车道口安全报警系统的研究与设计I基于单片机的火车道口安全报警的研究与设计电子信息工程专业唐丽君[摘要]道口是铁路安全运输问题的重点和薄弱点。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、价位低、普及程度高、利于基层技术人员掌握学习的89C51作为控制芯片，利用了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，大大减少了事故发生的隐患。针对系统工作环境的恶劣和工作的特殊性，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，因此，本系统的研究与设计具有重要的社会意义以及推广价值。[关键词]运输安全；铁路平交道口；单片机目录1绪论....................................................................11.1问题的提出..........................................................11.2国内外研究现状及研究的目的好意义....................................11.3设计任务和要求......................................................12微机自动报警系统概述....................................................22.1系统组成部分........................................................22.2系统主要组成部分....................................................23系统硬件设计............................................................23.1传感器的选用........................................................23.1.1传感器的选择.....................................................23.1.2传感器检测道口状况的方法。.......................................33.2信号处理电路的设计..................................................33.2.1信号输入.........................................................43.2.2信号整形.........................................................43.2.3光电隔离.........................................................43.3系统主电路的设计....................................................53.3.1AT89C51性能介绍.................................................53.3.2系统主电路.......................................................53.4语音报警功能的设计..................................................6基于单片机的火车道口安全报警系统的研究与设计II3.4.1ISD1420芯片介绍.................................................63.4.2语音报警电路.....................................................73.5道口栏木驱动控制电路设计............................................73.5.1芯片L298N的介绍。...............................................83.5.2驱动控制电路图及工作原理.........................................83.7硬件抗干扰设计.....................................................103.7.1系统抗干扰性及可靠性设计原则....................................103.7.2系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施.................................104软件设计...............................................................114.1系统软件总体设计...................................................114.2交通灯控制软件设计.................................................124.3语音广播软件设计...................................................134.4道口栏木软件设计...................................................144.5软件抗干扰措施.....................................................147结论与展望............................................................15参考文献.................................................................16附录语音板电路原理图....................................................17致谢.....................................................................18基于单片机的火车道口安全报警系统的研究与设计11绪论1.1问题的提出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。铁路运输的运输能力大、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。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。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国内外研究现状及研究的目的好意义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，英国的安全工作做的比较好，这主要得益于英国政府增加警力，强行控制道口违章行为。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。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。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，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。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。1.3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，由单片机控制道口交通灯的转换和语音报警功能的开关，并控制道口栏目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设计如下：（1）列车接近道口语音报警功能。当列车接近道口时，系统自动播报“司机、行人请基于单片机的火车道口安全报警系统的研究与设计2注意，火车就要开过来了，请不要抢行和翻越栏杆”。2）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、车辆禁止通行。（3）道口栏木升降功能。（4）系统复原功能。2微机自动报警系统概述2.1系统组成部分根据上述方案设计了道口自动报警系统。系统组成框图如图1所示：传感器信号处理单片机道口交通灯语音报警栏木电动机驱动图1系统组成框图2.2系统主要组成部分系统主要由传感器系统、信号处理系统、单片机系统以及系统功能实现模块四部分组成。（1）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式轨道传感器。由传感器采集来车信息送信号处理电路。（2）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。（3）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。（4）功能实现模块：功能实现模块包括3个功能：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。3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基于单片机的火车道口安全报警系统的研究与设计3道传感器。该传感器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。根据需要本系统应用了两个凸出极磁电式轨道传感器。3.1.2传感器检测道口状况的方法。图2是该铁路和公路平交道口的平面位置示意图。在P1和P2点设置了两个传感器元件，用于检测是否有火车通过道口。P1和P2这两点距离较远，因此一列火车不会同时压在两个压敏传感器上。A和B是两个栅门，当火车由东向西或由西向东通过P1P2段，且当火车的任何部分位于P1P2之间时，栅门A和B应同时关闭，道口的红色交通灯亮，绿色交通灯灭，公路禁止通行；否则栅门A和B同时打开，道口的绿色交通灯亮，红色交通灯灭，公路允许通行。传感器的功能是当火车经过时，产生逻辑电平1，否则产生逻辑电平0。设位于P1和P2两点的传感器所输出的信号分别为I1和I2，栅门A和B的开闭由图2所示的电路控制。控制电路的输入是传感器所发出的信号I1和I2，输出信号Z用来控制栅门A和B，当Z=1时，栅门关闭；Z=0时栅门打开。图2铁路和公路平交道口的平面位置示意图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论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。