毕业设计（论文）基于80C51的铁路道口报警系统设计

1、题目铁路道口报警系统设计学生姓名： 专 业： 通信工程 指导教师： 第一章 绪 论1.1问题的提出相较于公路、水运、航运等其它交通方式，铁路运输具有无与伦比的优势： 1、铁路路线散布广，便于货品的接送、转换，适合远距离运输。 2、随着铁路的不断提速，铁路运输速率将越来越快，运输效率将越来越高。3、铁路运输不容易受气候的影响，可以长年累月稳定地运转。4、铁路能一次性运送几千吨的货品。正是因为铁路在我国交通运输中占据如此重要的地位，而且其作用有增无减，所以大力发展铁路运输事业是党和国家所高度重视的，包括火车的扩建、火车的提速等等。由于火车轨道在修建铺设时无法完全避开人们工作生活的场所，所以必须在交

2、汇处设置铁路道口。但是根据我国当前的技术和财力无法做到每一处道口都封闭运行，要是火车高速经过道口而无任何事前的警报，那么很容易造成交通事故。因此为了提高火车运行的效率和保障行人的安全，有必要设计一套铁路道口报警系统来解决火车通过道口的安全问题，为铁路的快速发展提供安全保障。1.2国内外研究现状国内外目前主要研究设计如下几种铁路道口报警系统：(1)基于轮轨激励声检测的铁路报警系统；该系统建立在共振解调技术的基础上。共振解调技术能敏感感应出车轮与轨道接触引起的脉冲信号，系统由声音传感器和振动传感器采集来车信号，通过传感器、选择器分离出高频及中频振动信号，再分别经过解调器解调后送至单片机进行处理，从

3、而控制声光报警器报警1。(2)基于嵌入式系统的铁路道口报警系统：该道口报警控制以嵌入式系统作为控制中心，用安装在铁轨上的磁性踏板开关来检测火车到来和离去的，最终由嵌入式系统控制各个报警装置预警2-5。 (3)dsp和以太网设计的铁路道口报警系统：它是由道口周围的检测系统和以芯片rtl8019as为核心的控制中心系统构成；火车即将到达道口时，由传感器采集火车信息并经信号处理电路后送至dsp控制中心进行处理，最终发出命令对报警信号进行控制6-9。(4)视频道口预警系统：一些先进发达的国家利用数字化技术对采集信息进行处理，优点是能更直观判别出火车和道口情况，报警更智能化。但从目前发展来看，系统的可靠

4、性和稳定性并不是很高，还不能满足现实情况的需要，还需要相关领域的专家和技术人员不断改进、研究，相信在不久的将来能为铁路运输带去历史性的飞跃10-13。 1.3研究的目的和意义随着火车的不断提速和扩建，火车为人民带来的利益更加显而易见，但是不能以牺牲行人的生命财产安全作代价，也不能因此而降低铁路的运输效率，所以根据我国目前铁路的实际情况，开发可靠性高稳定性好且价格便宜的道口报警系统具有重大意义。第二章 道口报警系统简述2.1系统组成框图要设计一个系统首先得对这个系统的组成要清晰的认识，并且还要对系统里面每个部分之间的如何发生联系和每个组成部分各自的功能了如指掌。本报警系统可以分为几个部分，传感器

5、、信号处理电路、单片机系统、报警装置等等，可用框图概括它们之间的联系，如图2.1所示。 传感器信号处理电路单片机键盘显示器声光报警器故障提示图2.1 系统组成框图传感器：传感器是一个十分灵敏的器件，能感应车轮信息，由此感应出火车的到来，它是整个系统的基础。信号处理电路：信号从传感器传出来后，不能马上就传输给单片机，因为信号比较微弱而且含有干扰信号，所以要通过信号处理电路进行必要的处理。 单片机：单片机是系统的核心，像人的大脑，靠它指挥、控制是整个系统的运行，没有它系统无法“动”起来。显示器：显示器用来显示火车离道口的距离、速度、何时到达等信息。声光报警器：通过这样的装置发出声音、信号灯报警，预

6、防事故发生。故障提示：故障提示功能简单地说当系统出现一些故障时，能够发出相应的警报告知道口值班人员系统出现故障了，需要及时处理。键盘：开关，复位等操作。2.2系统工作平面图在铁轨选定合适的位置，并且在这些位置上安装传感器，传感器采集的信号传输到安置在道口房的单片机控制中心上，由单片机处理完传进来的信号之后，控制相应的警报装置产生报警。系统工作平面图如图2.2所示。hhhhhhhhhh显示器键盘上行上行停电电源故障确认触发传感器触发传感器复原传感器系统主机图2.2 系统工作平面图第三章 系统硬件设计3.1传感器的选择我国铁路道口基本上设在户外，那么传感器也必须装在户外；这样一来对传感器的要求就相

7、当严格，因为烈日暴晒、风雨吹打、沙尘覆盖在所难免。所以选用的传感器只有坚固耐用、精准可靠才能经得住如此恶劣环境的考验。经过对比分析不同种类的传感器，决定选用电磁型铁路车轮传感器。该传感器由发射头、接收头及底座和电缆组成，外壳由抗压耐磨的铸钢制造而成，能够在恶劣的环境下长期稳定地工作，极少需要维修。传感器工作原理如图3.1所示。图3.1 传感器工作原理图发射头加上高频电压后，根据电生磁原理，在轨道的横截面上产生磁场；又根据磁生电原理，接收头在磁场中产生相位固定的感应电动势，并以此作为传感信号通过电缆发送给单片机控制中心。当车轮经过磁场时，原先感应出来的磁场方向发生改变，因为磁场方向的改变，导致接

8、收头产生的感应电动势的相位与原来的相比也发生了改变，而电动势的这一正反相变化经单片机处理后就可以作为过轮信号，并对信号进行计数，当统计值达到预设警报值时，系统开始报警。当火车全部通过感应区域时，停止报警，系统复原14。传感器的技术指标：工作方式：非接触感应式。适应轨型: 45kg，53kg，63kg，78kg。检测车速：0180km/h 。安装孔距：125mm。检测窗口范围：小于2030mm。三芯线连接：黑色线为信号输出线，棕色线为电源正极线，蓝色线为电源负极线。工作电压（vcc）：dc10v-30v。额定功率：1.3w。输出电压：dc10v-30v。工作温度：-40至+85。相对湿度：小于9

9、3%。振动噪声: 25mv 。绝缘电阻: 11m。3.2传感器的安装传感器不仅要感应火车的到来，还要测出火车经过时的速度，所以传感器分两部分安装；一部分是触发端传感器，另一部分是复原端传感器。触发端传感器的测速原理图如图3.2所示。计数器t0sv车轮传感器1传感器2钢轨道口开始计数停止计数图3.2 触发端传感器测速原理图触发端传感器需要在轨道上安装两个传感器，而且两个传感器之间的距离固定为s，当火车经过传感器1时，触发传感器1发出脉冲信号，此信号经过电缆传输到单片机上并启动计数器t0开始计数，当火车经过传感器2时，触发传感器2发出脉冲信号，此信号可用作停止计数器t0计数。则计数值x就对应于时间

10、t。t=kx 式中的定时常数k=100s.最终v=s/t。触发传感器安装示意图如图3.3所示。图3.3 触发端传感器安装图复原端传感器：停止报警的依据是检测火车是否经过安装在另一侧道口的传感器（复原端传感器）如图3.4所示。图3.4 复原端传感器安装3.3 信号处理电路设计传感器输出的模拟信号包括有用信号、故障信号以及外界带来的干扰信号，必须对这些信号进行信号处理，分离出有用信号和故障信号，并把干扰信号消除掉，最后还有将筛选出来的信号进行采样、量化为数字脉冲信号，如此才能被单片机使用15。信号处理电路的组成如下，如图3.5所示。图3.5 信号处理电路3.3.1 信号输入级信号输入级具有的功能是

11、：1、连续检测电平信号的变化；2、检测信号的瞬时变化。图3.5中a点静态输入电压v1可以根据下面公式计算： (3.1)其中限流电阻r1=0.51k,rcg=0.83 k，分压电阻rp1=22 k，v+=5v。当传感器cg没有掉线时，v1=0.278v保持不变；当传感器cg掉线时，v1变为v+等于5v，这样就可以从硬件上根据电压v1的变化判断传感器是否掉线了。3.3.2 信号整形级选用74hc245 芯片，将有用信号和故障信号整形为脉冲信号。3.3.3 光电隔离级光电隔离单单从字面上我们就可以知道它是用来隔离的，其主要隔离的是干扰信号并阻止干扰信号的传输。3.3.4 锁存选通级因为有多个中断源可

12、以向cpu申请中断，所以当cpu接受到中断申请时，必须首先确定是谁发出的中断申请。这一功能可以依靠锁存电路实现，锁存电路由74hc02、74hc373、74hc30组成，由于中断信号要经过74hc02和74hc30两个门电路，传输的时间产生时延，74hc373锁存器得以锁存中断信号。锁存器的输出接cpu的数据总线，cpu可以通138过译码器选通每个锁存器，从p0口读入数据进行查询，以此确定具体的中断源。 3.4系统主电路的设计系统主电路的设计必须满足精确、简单、可靠同时能够高效率地工作而且价格尽可能低廉的原则。通过对比分析，决定选用性价比高、技术非常成熟的at89c51芯片作为系统主电路的控制

13、中心；选择该芯片还有一个相当重要的因素是它比较简单、易学，初学的工作人员只需经过短暂的培训即可很好的操作、控制。而且电路上的元件大多数都是插拔式的，这样就能最大限度的方便工作人员对系统进行控制、维护管理。3.4.1 at89c51简介美国atmel公司的at89c51是51系列单片机接口最简单，最实用方便的单片机，特别是在中国应用的尤为广泛；由于这款芯片开发者众多，所以有丰富的资源可以利用，学习起来更加容易入手。at89c51实物如图3.6所示。at89c51的性能特点：简单易学。芯片资源丰富。一个8位的cpu。内部总线和数据线。4k 字节rom。128字节内部 ram 。32个可编程 io

14、口。2个16 位定时计数器。直接通过串口下载可执行程序，速度更加快。at89c51内部结构框图如图3.7所示。图3.7 at89c51内部结构框图at89c51引脚如图3.8所示。 图3.8 at89c51引脚图其引脚的使用说明：vcc 、gnd：正常操作时为5v电源、接地。p0口：单片机的输入输出口之一可用来传输数据，并且还可以读取rom的地址信号。p1口：和p0口一样也是单片机输入输出端口，但是一般不用它去做其它事情。p2口：p2口功能比较多，不仅能做数据传输接口还能传输地址信号，并且 p2口以256b作为一个临界点，读取外部存储器ram。p3口：ttl门电流可以由p3接受或者由p3口驱动

15、它，当然也可以像上面介绍的三个端口一样作i/o口。但是p3口还有其它三个端口所没有的第二功能。rst：系统在打开电源开机的瞬间，有时会因为电压不稳定产生“错乱”的现象，为了能让系统正常工作，所以肯定要在开机时对其进行复位。xtal1和xtal2：xtal1和xtal2实质上系统内部放大器的地输入还有输出端，单片机系统毫无疑问可以使用内置有的振荡器，当然选用外部添加震荡器页也同样没问题，但是若选择的是外部振荡器，智能是xtal1作为放大器的输入端。/psen：单片机系统是否需要使用外部存储器的程序，首先必须要通过此引脚选通外部程序存储器，如果单片机系统不需要外部存储器的程序，那么信号不起任何作用

16、。ale/prog：一个机器周期ale信号控制cpu对rom读取两次数据，第一次读取一个字节并译码后指向下一个单元，第二次再读取一个字节，完成第一次一样的工作后经处理完成所有的工作。ea/vpp：若ea赋低电平时，单片机读取外部的程序存储器rom。相反如果给ea赋高电平时，使用内部的程序存储器rom，此引脚的功能在厂家生产时就已经规定好了。 系统主电路设计如图3.9所示。图3.9 系统主电路设计图3.4.2 单片机对输入、输出信号的处理p0口用于信号的输入和显示信号的输出，单片机是以存入373锁存器的先后顺序作为判断信号来自哪个传感器的依据。74hc138译码器对p2.5p2.7进行译码，用作

17、选择不同芯片的片选信号，译码表如表3.1所示。表3.1 译码表74hc138 输出选 通地址=0626401fffh=0827920003fffh=0空闲=0信号 373-160007fffh=0信号 373-280009fffh=0信号 373-3a000bfffh=0信号 373-4c000dfffh=0看门狗电路d000fffh3.5语音电路的设计语音报警是很重要的一种报警方式，音质好、性能稳定、反应灵敏、廉价是设计语音报警系统必须考虑的因素。在这里，使用isd公司生产的 isd1420芯片和microchip 公司生产的pic16c71 单片机作为语音系统核心是相当不错的选择。3.5.

18、1 pic16c71单片机简介pic16c71是由microchip公司研发并应用于控制系统领域的单片机。由于pic16c71较之前的pic16c5x单片机增设了4路a/d转换通道和4个中断，从而使pic16c71成为一种简单易学、可靠、稳定、封装性能好、性价比高的8位单片机。pic16c71功能特性：数据 rom 大小：68 b数据 ram 大小：68 b数据总线宽度：8 bit最大时钟频率：20 mhza/d 位大小：8 bit可用 a/d 通道：4定时器数量：1长度：22.86 mm宽度：6.35 mm高度：3.3 mm工作电源电压：2.5 v 至6 vpic16c71实物如图3.10所

19、示。3.5.2 isd1420芯片的介绍一、概述 工作电压：5v。 状态电流：0.5a。 采样频率：6.4khz。 时间段长：0.125ms20ms。 工作温度：-40+85。 内设时钟源。 可扩展级联，放音时间20s 。 断电不丢失，信息永久保存，不需要备用电源。 10万次的录音、播放次数 还原度高、不失真。 操作简单、易学。isd1420是由美国知名信息存储器件（isd）公司研发的语音芯片；该芯片接口灵活、操作简单、方便，不需要复杂的专用编程器；采用直接模拟存储技术存储语音信息，保障了语音的高质量、不失真，不丢失16。isd1420内部结构如图3.11所示。图3.11 isd1420内部结

20、构图isd1420工作原理：麦克风首先将声音信号转变为模拟电信号，由前置放大器放大和agc电路调节不产生失真。经过前置放大器处理的信号通过电容耦合传送到信号放大器输入端进行再次放大，紧接着送入五阶滤波器进行滤波去噪，通过采样（采样的频率由内部时钟提供）后送至eeprom存储。存储单元里的语音信号，经平滑滤波器、输出放大器后恢复为外部的语音。isd1420引脚如图3.12所示，引脚说明如表3.3所示。 图3.12 isd1420引脚图表3.2 isd1420引脚说明a0a7地址输入端xclk外接时钟输入端mic话筒输入端recled工作状态指示端mic, ref话筒参考输出端playe边沿触发放

21、音控制端ana ,in模拟信号输入端playl电平触发放音控制端ana ,out预放大器输出端rec录音触发端agc自动增益控制端vccd ,vcca数字，模拟电源正端sp+ ,sp-喇叭输出端vssd,vssa数字地和模拟地3.5.3 语音电路设计语音电路包括电源、isd1420语音芯片、扬声器等等组成，如图3.13所示。 图3.13 语音电路图3.6键盘输入电路要想向单片机报警系统发号司令，通常情况下是通过键盘输入命令给系统，再由系统对其他设备进行，控制一个性能稳定、反应灵敏的键盘是系统不可或缺的一个组成部分。键盘分编码键盘和非编码键盘。编码键盘通过复杂的硬件电路设计具有按键的识别、消除抖

22、动、预防串键等功能；使用起来较为方便，但是缺点是价格较高、设计复杂，所以单片机控制系统一般较少使用这种键盘。非编码键盘在硬件电路只提供通断电的基础上，通过软件的设计完成键盘的按键识别、预防串键、去抖等功能。铁路道口报警系统选择非编码键盘并配合8279芯片一起使用17。8279 芯片由intel公司设计，主要功能是扫描键盘显示数据。8279芯片具有编程简单、方便与单片机i/o口通信、可以自动扫描键盘按键，不占用cpu时间等等优点，因而它被广泛应用于控制系统和智能仪器等领域18。8279引脚如图3.14所示及其说明如表3.3所示。图3.14 8279引脚图表3.3 8279引脚说明d b0 db7

23、8 位数据总线cl k外部时钟信号输入线cs片选信号o u t a 0 ou ta 3a 组显示数据输出线wr读写控制端口o u t b0 ou t b3b 组显示数据输出线a 0数据选择输入线sl 0 s l3扫描输出线bd消隐输出线rl0 rl7键盘或传感器输入线3.7数码显示电路数码显示对于警报系统来说作用是不言而喻的，因为它不仅能通过视觉警示路人而且能更方便、直观地将火车到达信息显示给工作人员；还有利用数码管的显示功耗很低、价格便宜、性能稳定、白天黑夜都可以发挥作用。数码管工作原理如图3.16所示。gndgbcdefgabcdefgvcc共阳极共阴极abcgfedgfbadpcdegn

24、ddp图3.16 数码管工作原理led数码管如图3.16可分为两种：共阳极数码管与共阴极数码管。共阳极：数码管里面的发光二极管的阳极通过导线连接到有公共的电源的正极端。当给阴极a到g一个低电平时，二极管导通发光，而输入高电平时不能点亮。共阴极：数码管里面的发光二极管的阴极通过导线连接接在公共的电源的负极端和都接地。当给阳极a到g一个高电平时，二极管导通发光，而输入低电平时不能点亮。led数码管理论上可以直接与单片机的i/o口相连，但是在实际应用中往往不采用这样的方式，而是添加一个8279显示芯片，这样既节省了单片机的i/o口又不影响系统的实时控制。数码管需要显示什么内容，可以根据8279输出端

25、口与数码管引脚对应关系推算出来。此外，由于为了让数码管显示更加明亮，需要增加mc1413驱动放大芯片。数码显示电路图如图3.17所示。3.8报警系统电源设计电子设备想要工作，首要的前提条件就是有电源，而想要稳定、高效率的工作，则需要设计一套稳定、方便使用、电压电流合适的电源系统。可以将220v交流电接到电源系统上，经过电源系统后分别给传感器、系统主机供电。系统电源电路设计如图3.8所示。图3.17 数码显示电路图图3.18 系统电源电路第四章 系统的硬件抗干扰设计4.1系统抗干扰设计原则单片机虽小但功能却相当强大，但是单片机系统往往不能在一个单一、稳定、优良的环境下工作，而是不断受到复杂、恶劣

26、环境的影响，从而很容易对由单片机为核心构成的系统的性能造成不可估量的影响。影响系统稳定性、可靠性、安全性的因素是多种多样的，简单的可分为系统内部因素和系统外部因素干扰。内部因素主要包括： 1、系统组成元件的性能好坏。2、系统结构、电路设计的合理性。3、系统安装与调试。外部因素主要包括：1、电源的稳定性。2、分布在系统周围的强磁场、强电场的影响。3、外部机械条件，如金属器件之间的撞击、由于其他原因产生的振动等。4、大自然不可避免的恶劣天气环境：如下冰雹、雨雪、打雷闪电等。系统抗干扰的设计原则：元器件的性能要好、系统电路、结构设计要合理、外部环境要有保障。4.2系统干扰源分析和硬件抗干扰方法要分析

27、系统的干扰，首先得了解干扰的因素、方式19：1、干扰产生的来源：能瞬间产生高电压、电流和强磁场的设备或者其它物体。2、传播路径：导线、电线、电缆以及空间的电磁波。3、容易受到干扰的零部件：如：单片机、传感器、弱信号放大器等。铁路道口报警系统受到的干扰主要来自：电源、空间电磁波、传输路径干扰、雷电。（1）电源的干扰和一些抗干扰措施通过实验和平时积累的经验总结出单片机对电源噪声很敏感，电源产生噪声的危害最大，想尽各种办法来减少、消除电源噪声是首先应该考虑的。供电设备的开关、停启，短时间内产生很高电压和很强电流，很容易产生高频振荡电压和浪涌噪声，而大功率开关的通断，会形成很强的尖峰脉冲。这些都极易造

28、成单片机系统的失灵、死机。预防供电电源的干扰的措施有：1、在电源引入线加一个低通滤波器，减小高频电压和火线上的干扰；2、电源线尽量使用粗线，走向和地线和数据线也要尽量一致；3、在电源线和其他线路关键地方使用屏蔽罩、磁环。（2）电磁波干扰和抗干扰措施地球自己便是一个大大的磁体，所以在地球表面到处都存在磁场，通讯基站、电视发射塔等通讯装备不时在发射电磁波；一些功率较大的电设备在工作过程中也常常向外辐射电磁波；所以单片机报警系统想完全避开电磁波干扰几乎是不可能的，只有采取有效的抗电磁波干扰措施才能保证系统长久有效工作。电磁波抗干扰措施有：1、选用功率小、具有高抗性能的cmos芯片；2、在知足利用的情

29、况下，单片机体系利用低时钟频率和低速数字电路；3、为了减小互阻耦合，进行电路设计时，选用尺寸小的导体并且尽量远离、不要太靠近。（3）传输路径的干扰和抗干扰措施传感器采集的信号必须经过长长的电缆才能传输到道口值班房内的单片机上，信号在传输过程中不可避免受到干扰，导致信号发生失真、衰减。传输路径抗干扰措施：1、选择合适的传输电缆，这里选用双绞线作为传输电缆，因为双绞线在3000米以内能保证信号传输质量，而且易于安装、维护，价格也很经济。2、在相连的设备间加入光电耦合器切断形成的电流环路，从而防止受到干扰。（4）雷电的干扰和抗干扰措施雷电是一种破坏力极强大自然灾害之一，每年因为雷电造成的损失难以估量

30、，我国火车的运输也常常因为雷电的原因而晚点、误点，2011年7月23日发生的温州动车事故也是因雷电而发生的。直击雷和感应雷是两种常见的雷电灾害。直击雷便是闪电直接击在地面、建筑物、金属装备上的现象；直击雷的电流之高可怕得吓人，击打在任何物体上都会造成不可挽回的损失，即使没有被击中雷电产生的强电流也会经过铁轨进入传感器的信号传输电缆，最后流入系统主机，对主机造成严重的干扰。针对直击雷的干扰可以在传感器信号输出线加一个过电压保护元器件氧化锌压敏电阻。雷闪电流产生的超强电磁场的变化与导体感应出的过电压称为感应雷。雷感应主要是通过信号输入输出线和电源线进入单片机系统的，所以应该在信号输入输出线和电源线

31、添加各种保护设备。第五章 系统软件的设计5.1软件设计的步骤系统好比一个人，而硬件相当于人的躯体，如果人只有强健的躯体而没有灵魂、思想去指导其行为，那么这样的人如同行尸走肉；所以一个完整的系统单单有硬件是不够的，还需要软件来指导和实现。软件设计的本质是程序的设计，而数据是程序的躯体，相当于躯体之于人，算法是程序的灵魂，相当于人的思想，只有当两者都具备了，才能使程序运行起来、实现我们想要的功能。下面介绍程序设计的详细步骤：1、需求分析：首先要明确需要什么、想要达到什么效果，需要软件完成什么功能。2、算法设计：算法说白了就是我们解决问题、处理某件事的具体步骤。3、组织数据结构：根据选用的控制系统（

32、本课题选用at89c51）为数据分配工作存储单元。4、流程图：程序设计必须要有一个总的流程图、然后每个模块也要有详细的流程图。5、编程：根据流程图使用具体编程语言进行编程。6、程序调试：运行通过编程产生的可执行文件，对运行结果进行分析，最后排除程序的错误。7、优化程序：每个程序刚设计出来都不可能达到最优效果，要不断根据实际情况进行修改、优化，这样才能使程序运行得跟快。5.2系统软件总设计系统采用模块化设计：模块1、初始化及设备自检和断线检测。模块2、来车检测报警。模块3、语音系统报警。系统总体设计框图5.1所示。5.3开机自检和断线检测模块只要开机，自检程序就要马上开始启动，目的是检测传感器是否处于正常状态。工作原理是：对373口连续检测2000h次，如果连续检测到非ffh的次数达到1000h次，则认为是断线。此时系统产生警报、并显示哪个传感器出现问题，需要工作人员及时进行处理。系统工作之