wjy毕业设计_基于单片机的铁路道口报警系统设计

1、目录目录毕业设计总说明毕业设计总说明.2INDUCTION .41 绪论绪论.41.1 研究的意义研究的意义.41.2 国内外研究现状国内外研究现状.51.3 设计主要内容设计主要内容.72 总体设计方案总体设计方案.82.1 系统组成部分系统组成部分.82.2 系统工作示意图系统工作示意图.83 系统硬件设计系统硬件设计.103.1 系统控制芯片选择系统控制芯片选择.103.1.1 AT89C51性能介绍性能介绍.103.1.2 AT89C4051性能介绍性能介绍.133.2 传感器的选择以及安装使用方法传感器的选择以及安装使用方法.133.2.1 传感器选择的依据传感器选择的依据.133.

2、2.2传感器的安装使用方法传感器的安装使用方法.143.3 信号处理电路的设计信号处理电路的设计.153 . 3 . 1 信号输入级信号输入级.163 . 3 . 2 信号整形级信号整形级.173 . 3 . 3 光电隔离级光电隔离级.183 . 3 . 4 锁存选通级锁存选通级.183.5 键盘输入及数码显示电路键盘输入及数码显示电路.213.5.1键盘输入电路键盘输入电路.213.5.2数码显示电路数码显示电路.243.6 系统电源电路设计系统电源电路设计.254 系统软件设计系统软件设计.274.1 软件设计的主要步骤软件设计的主要步骤.274.2 系统软件总体设计系统软件总体设计.27

3、4.3 断线检测模块断线检测模块.294.4 列车接近检测处理列车接近检测处理.314.5 列车通过复原流程列车通过复原流程.334.6 语音广播系统软件流程语音广播系统软件流程.346 结论结论.35参考文献参考文献.36致谢致谢.37基于单片机的铁路道口报警系统设计基于单片机的铁路道口报警系统设计毕业设计总说明毕业设计总说明安全问题是制约铁路发展的重要因素之一，尤其是在对列车运行速度要求日益提高的今天，安全问题更是显得尤为重要。平交道口是铁路安全运输问题的重点和薄弱点，因此如何提高铁路平交道口的安全性也就成为了一个极具重要性的课题。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

4、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 AT89C51 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，为列车的安全高速运行提供了可靠的保障。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、设备的坚固程度和对雷电等自然灾害的防护能力，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。系统主要由四部分组成，传感器部分采集信号，以及键盘及 LED 点阵显示电路进行状态显示及输入，还有单片机系统。1

5、）本系统采用磁电式传感器，火车车轮通过时切割磁力线可以产生变化的电压信号形成脉冲信号，再通过输入级、整形级、光电隔离级、锁存选通级和中断控制逻辑传送给主机。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。因为火车由传感器到达道口的速度基本不变，传感器安装好后距离便可设置固定，这样可以计算出火车到达道口的时间。根据不同传感器发出的信号主机可知道来车方向。当火车通过复原传感器后，系统停止报警。2）键盘及显示部分采用 44 键盘和 16128LED 点阵显示器，对火车来车方向，速度，到达时间进行显示

6、。键盘命令可实现人机对话，操作简单易学。人机命令有五种： （1）时钟输入， （2）距离设置， （3）密码输入并核对， （4）自检， （5）删除，（6）确认， （7）查询历史记录。4）单片机使用 AT89C51，AT89C51 是一种低功耗、高性能的 8 位单片机，片内带有一个 4K 字节的 Flash 可编程可擦除只读存储器（PEROM ) ，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS - 51 兼容，是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便地应用在各种控制领域。单片机信号输入包括所有的传感器状态、键盘输入信号等，都通过 P0 口，功能输出通过 Pl ，而打印、显示的输出数据仍然通过 P0

7、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。系统软件总体上分三大部分；初始化及设备自检和断线检测、键盘管理、列车接近检测报警等。采用模块化结构，前两部分的程序各道口通用，第三部分程序量比较大，而且由于各道口的现场线路不尽相同，检测点的数量和检测点的位置也不同，所以该部分程序不能通用，需要根据实际情况做个别调整。初始化及设备自检和断线检测：系统在初始化后进入自检，自检的重要内容之一是对所有传感器的状态进行检测。而且在系统工作后，也需要不断的检测传感器的状态，以防止在火车通过时发生传感器故障，所以在程序设计时将开机

8、自检和工作巡检合并。列车接近检测处理部分：根据铁路站内道口技术条件规定，站内道口列车接近报警时间应为 40 - 90 秒，不能晚报、早报，误报、更不能漏报，晚报、早报、误报会使设备的置信度下降，同样也可能引起事故。因此，一方面需要良好的硬件设计，另一方面对列车接近检测提出很高的要求。由于存在多方向同时或先后有车接近道口的可能性，所以软件应能对多达 5 个方向（接车、发车、调车 1 、调车 2 、专用线）同时进行检测报警，各种数据、标志全部分方向设置和存放。关键词关键词 运输安全，铁路道口，AT89C51 ，传感器，抗干扰InductionKey words 1 绪论绪论1.1 研究的意义研究的

9、意义铁道平交道口的安全，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。当火车司机看到平交道口有意外时，刹车已经来不及了，其结果就会出现重大的伤亡事故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

10、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 j 又达，通向道口的线路很多，与车站信号联系困难，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。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。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

11、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，也是铁跻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

12、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；有的道口则一大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，所以立足我国铁路实际情况，开发适合的道口报警设备具有重大意义。1.2 国内外研究现状国内外研究现

13、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

14、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各的一般设计原理，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。所以，立足我国铁路现状，开发实用的站内道口自动报警设各仍是当务之急。1.3 设计设计主要内容主要内容系统采用 AT89C51 单片机作为系统的核心，用安装在钢轨内侧的车轮传感器组成检测点，感应到的车

15、轮信息通过信号电缆传送到道口房。如果列车即将通过道口，则提前 40 - 90 秒给出报警信号，关闭路口栅栏门，显示屏显示车速、列车方向、列车到达时间等；当列车通过后离开道口时，由道口另一侧的传感器检测列车信息，并将信号传回，检测到列车完全离开道口后结束报警状态，此时栅栏门开，道口重新开放。本系统的主要功能设计如下： 1 、自检功能系统开机后或处于检修期可进入自检状态，对所有传感器的状态（是否断线）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，因此系统在工作前要检查传感器的状态，一旦发现故障，系统要立即报警并显示故障部位。 2 、数字钟功能系统自检结束后立

16、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，道口红绿灯由绿变黄再变红，栅栏门关，同时显示屏由安全提示变为列车通过道口的一系列显示。 4、车速、方向、到达时间、安全提示等显示功能。 系统用一低档单片机 AT89C4051 专门控制 16128LED 点阵，列车未开来时，显示屏先后显示“铁路道口请慢行 ” （人形动态显示） 、 “司机、行人请注意安全”（滚动显示） ；档列车开来时，显

17、示屏先后显示“火车来了禁止通行” 、 “火车 * * S 后到达” 、 “火车自 * 向 * 运行” 、 “列车时速 * * * KM” 、 “不要抢行翻越栏杆” ；列车离开后，恢复到未开来的状态。6、历史记录 系统会自动记录 10 条最新列车通过信息，每条信息包括列车通过总时间和列车速度，可查询。7、人机对话和数据存储查询功能键盘及显示部分采用 44 键盘实现人机对话，操作简单易学。人机命令有五种： （1）时钟输入， （2）距离设置， （3）密码输入并核对， （4）自检， （5）删除， （6）确认， （7）查询历史记录。2 总体设计方案2.1 系统组成部分系统组成部分系统主要由传感器、键盘、

18、LED 点阵显示屏、单片机系统组成，系统组成框图如图 2 . 1 所示： 直流电机故障灯传感器单片机系统LED 点阵显示屏键盘信号整形光电隔离红黄绿灯锁存选通图 2 . 1 系统组成原理图2.2 系统工作示意图系统工作示意图系统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 系统工作平而示意图3 系统硬件设计系统硬件设计3.1 系统系统控制芯片选择控制芯片选择原则首先是可靠，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

19、。因此，我们选用技术成熟而且可以稳定工作的 AT89C5l 作为系统控制的核心。由于LED 点阵的控制占用 CPU 资源很多，而且点阵的规模可能根据需要扩展到更大，所以为使反应速度更快，本系统用另一片低档单片机AT89C405l 专门作为 LED 点阵的控制，两片控制芯片之间互相通信，共同完成系统任务。另外，用两片单片机还有的好处是在提高系统效率的同时增加了 RAM 和 ROM 的大小，随着系统功能的增强和任务增多，程序的不断增加需要扩展存储区，有了两片单片机，可以把任务分开，既扩大了存储区又增加了反应速度。3.1.1 AT89C51 性能介绍性能介绍 AT89C51 是一种低功耗、高性能的

20、8 位单片机，片内带有一个 4K 字节的 Flash 可编程可擦除只读存储器（PEROM ) ，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS - 51 兼容。片内的 Flash 存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此 AT89C51 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。 1）AT89C51 的主要性能有： 片内时钟振荡器； 可编程串行通道； 与 MCS - 51 微控制器产品兼容； 全静态工作：0HZ- 24MHZ ; 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存

21、片内 RAM 中的内容； 4KB 可改编程序 Flash 存储器；（可经受 1000 次的写入擦除周期）; 128 只 8 字节内部 RAM ; 32 条可编程 I / O 线； 2 个 16 位定时器计数器； 6 个中断源； 三级存储器保密。图 3.1 AT89C51 管脚图2）管脚说明： VCC ：供电电压。 GND ：接地端 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向盯 0 口，每脚可吸收 STTL 门电流。当 Pl 口管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 口能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的低八位。在 FLASH 编程时， PO 口作原码输入口，当 FL

22、ASH 校验时， PO 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 Pl 口： Pl 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向阳口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 Pl 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， Pl 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时， P1 口作为低八位地址接收 P2 口： P2 口为一个内部具有上拉电阻的 8 位双向 U0 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写， “ 1 ”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且可以作为输入。当作为输入口时， P2 口的管脚被外部拉低，将

23、输出电流。这也是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， 2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1 ”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其中特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 IO 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“ 1 ”后，它们被内部上拉为高电平，并作输入口使用。作为输入口时，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流，这也是由于上拉的缘故。 P3 口又可作为 AT

24、89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：表 3.1 P3 口功能表口管脚被选功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输入口P3.2/INT0外部中断 0P3.3/INT1外部中断 1P3.4T0计时器 0 外部输入P3.5T1计时器 1 外部输入P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST ：复位输入。当振荡器复位时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平，用于锁存地址的低位字节。在 FL 气 SH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在

25、平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1 / 6 。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 S 服 SEH 地址上置 0 。 PSEN ：外部程序存储器的选通信号在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/P SEN 信号将不出现。 /EA/VPP ：当压 A 保持低电平时，则在此期间访问外部程序存储器（0000H - FFFFH ) ，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/E A 将内部锁

26、定为 RESET ：当压 A 端保持高电平时，在此期间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程电源（ VPP ） 。 XTALI ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTALZ ：来自反向振荡器的输出 3）振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， XTAL2 应不接。有时输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.2 AT89C4051 性能介绍性能介绍AT

27、89C4051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128bytes 的随机数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。89C4051 设计有 2 个程序保密位，保密位 1 被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2 被编程之后，程序不能被读出。主要性能：.和 MCS-51 产品兼容；.4KB 可重编程 FLASH 存储器（1000 次） ；.2.7

28、-6V 电压范围；.全静态工作：0Hz-24MHz.2 级程序存储器保密锁定.128*8 位内部 RAM.15 条可编程 I/O 线.两个 16 位定时器/计数器.6 个中断源3.2 传感器的选择以及安装使用方法传感器的选择以及安装使用方法3.2.1 传感器选择的依据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

29、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。 1 、根据法拉第电磁感应定律： E=-Nd/ dt 感生电信号，可知磁通变化率决定感生电信号的幅值。 2 、相关技术特性：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，感生信号电压（E）与轮对通过传感器的速度（V）呈线形关系。如图 3 . 3 所示： 伏公里/小时图 3 .3 感生电压与车轮速度的关系3.2.2 传感器的安装使用方法传感器的安装使用方法传感器的安装要考虑以下因素：

30、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。 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 . 4 所示： 图 3 .4 测速原理为了测速，本系统检测车轮通

31、过两个传感器所用的时间 t ，则列车的速度 v = s / t ，其中 S 为两传感器的间距。利用传感器 1 的信号启动 89C51 的计数器 T0 ，再用传感器 2 的信号停止记数，则记数值 x 就对应于时间 t , t = Kx 式中的定时常数 K = 100us。 b 、复原端传感器：复原端传感器是指当火车到达道口后系统不再需要继续发出告警信号，这时需要该传感器给系统一个脉冲信号告诉系统火车已经运动到道口了，可以停止告警。所以复原端传感器选用一只磁电式传感器就可以了。3.3 信号处理电路的设计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

32、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成整形为脉冲信号； 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； 6 、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，

33、后两个通道的 16 路传感器的信号构成 intl 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。其中一路的信号处理电路如图 3 . 5 所示：12345678ABCD87654321DCBAA 02A 13A 24A 35A 46A 57A 68A 79B 018B 117B 216B 315B 414B 513B 612B 711E19D IR174 H C2 45D 03Q 02D 14Q 15D 27Q 26D 38Q 39D 413Q 412D 514Q 515D 617Q 616D 718Q 719O E1L E1174 H C3 73Y

34、M1C G2G ND11651 0 AR 111622 k AR P211622 k AR P1C 1D 1D 2G ND+5VV CCT LP51 2-4A D0A D1A D2A D3A D4A D5A D6A D7A 02A 13A 24A 35A 46A 57A 68A 79B 018B 117B 216B 315B 414B 513B 612B 711E19D IR174 H C2 45D 03Q 02D 14Q 15D 27Q 26D 38Q 39D 413Q 412D 514Q 515D 617Q 616D 718Q 719O E1L E1174 H C3 73Y M1C G3G

35、 ND11651 0 AR 111622 k AR P211622 k AR P1C 1D 1D 2G ND+5VV CCT LP51 2-4A D0A D1A D2A D3A D4A D5A D6A D7A 02A 13A 24A 35A 46A 57A 68A 79B 018B 117B 216B 315B 414B 513B 612B 711E19D IR174 H C2 45D 03Q 02D 14Q 15D 27Q 26D 38Q 39D 413Q 412D 514Q 515D 617Q 616D 718Q 719O E1L E1174 H C3 73Y M1C G4G ND116R

36、 1A51 0116R P2 A22 k 116R P1 A22 k C 1D 1D 2G ND+5VV CCT LP51 2-4A D0A D1A D2A D3A D4A D5A D6A D711622 0k ACA 1B 1A 2B 2Y 1Y 274 H C0 2A 11B 12C LR3Q4Q13B /C14C15A74 H C1 23V CCA 02A 13A 24A 35A 46A 57A 68A 79B 018B 117B 216B 315B 414B 513B 612B 711E19D IR174 H C2 45D 03Q 02D 14Q 15D 27Q 26D 38Q 39D

37、 413Q 412D 514Q 515D 617Q 616D 718Q 719O E1L E1174 H C3 73Y M1C G1G ND11651 0 AR 111622 k AR P211622 k AR P1C 1D 1D 2G ND+5VV CCT LP51 2-4A D0A D1A D2A D3A D4A D5A D6A D7L E1L EL EL E2L E2Y 3Y 4Y 5Y 6IN T 0L E2图 3.5 信号处理电路3 . 3 . 1 信号输入级信号输入级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，所以采用图示电路。其中 C1 为滤波电容，

38、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， Dl 、 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。外。Rp1 为 22 k 分压电阻。图中 A 点电压即静态输入电压 V1 如式 3.1 所示 （3.1）当传感器 CG 断线时， V1 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。3 . 3 . 2 信号整形级信号整形级信号整形级选用 74HC245 芯片。 74HC245 内含八组具有三态输出的双向总线收发器，是典型的 T

39、TL 型三态缓冲门电路。由于单片机等 CPU 的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。 74HC 系列的逻辑功能、引出端排列与 74LS 系列相一致。其工作速度与 74LS 亦相似 HC 系列的所有输入和输出均有内部保护线路，以减小由于静电感应而损坏器件的可能性， 74HC 系列具有高抗噪声度和驱动负载的能力。 HC 高电平规定为 0 . 7 倍电源电压，低电平规定为 0 . 3 倍电源电压。 LS 规定高电平为 2 . 0V ，低电平为 0 . 8V 。 HC 上拉下拉能力相同， LS 上拉弱而下拉强： 74HC 系列具有 CMOS 的低功耗和相当于

40、 74LS 高速度的性能，属于一种高速低功耗产品；扇出能力上看， 74LS 系列为 20 ，而 74HC 系列在直流时则高达 1000 以上。 74HC245 管脚如图 2 . 3 所示：图 3.6 74HC245 管脚图引出端符号：A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .A 总线端B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41、 . . . . .B 总线端G. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .三态允许端（低电平有效）DIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .方向控制端引脚定义说明如下：第 1 脚 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；第 2-9 脚,“ A”信号输入输

42、出端， A0= B0 . A7= B7 , A0 与 B0 是一组，如果 DIR = 1 G =“ 0 ，则 A0 输入 B0 输出，其它类同。如果 D IR=“ 0” , G =“ 0” ，则 B0 输入 A0 输出，其它类同；第 11 - 18 脚“B” ，信号输入输出端，功能与“ A” ，端一样，不在描述；第 19 脚 G ，使能端，若该脚为， “ 1”八旧端的信号将不导通，只有为“ 0”时周 B 端才被启用，该脚也就是起到开关的作用；第 10 脚 GND ，电源地；第 20 脚 VCC ，电源正极。 74HC245 的 DIR 端接电源后，使方向为 A 至 B ，第 19 管脚接地，使

43、其始终选通。3 . 3 . 3 光电隔离级光电隔离级在实际的信号处理电路中，不可避免的存在各种的干扰信号，为了保证信号传输的准确性，决定在信号处理电路中增加光电隔离级，即采用隔离技术来增强抗干扰能力。在硬件上常用光电混合器来实现电到光再到电的隔离，这样就可以有效的阻止干扰信号的传递。本系统采用的是光电混合器是 TLP521 - 4 ，这是一种完全对称特性的光电模拟信号隔离器。该光电隔离器的特点是：其内部结构为 4 个光电藕合器，它们的物理特性完全一直重复性好、并且 4 个光电混合器的 4 个电源实现了完全隔离，有良好的线形度，地面的干扰完全消除。这样该光电藕合器在电路中就将选中的模拟信号的输入

44、级、输出级完全隔离开来，阻止了相互之间的电联系，从而消除了输入级、输出级之间的干扰。3 . 3 . 4 锁存选通级锁存选通级由于传感器的信号宽度为几毫秒至一百多毫秒，向 CPU 申请中断的可能是 32 路传感器中的任一个或是几个，因此， CPU 接到中断申请后应该查询究竟是谁先发出的中断申请。因此本系统采用 74HC373 （八路数据锁存器） 、 74HC02 （二输入四或非门）组成了锁存电路，并且进而通过 74HC123 （可重触发单稳态多谐振荡器）变成宽度为 T 的中断信号锁存器的输出再与数据总线相接， CPU 通过 74LS138译码依次选通各锁存器，从 P0 口读入数据进行查询，所得数

45、据就将表明各传感器的状态。中断信号太宽不行，太窄有可能来不及响应。其宽度选取如下：T = RC = 12kx4700pf = 5 us 下面对所使用的芯片作一简要介绍 74HC373 、 74HC30 、 74H C0 2 、 74LS138 都是 74 系列常用产品。 74 系列集成电路大致可分为 6 大类：74xx （标准型） : 74LSxx （低功耗肖特基） ; 74sxx （肖特基） ; 74ALSxx （先进低功耗肖特基） ; 74Asxx （先进肖特基） ; 74Fxx （高速） . 近年来出现的高速 CMOS 电路的 74 系列可分为 3 大类：HC 为 CMOS 工作电平；H

46、CT 为 ITL 工作电平可与 7415 系列互换使用；HCU 适用于无缓冲级的 CMOS 电路这 9 种 74 系列产品，只要后边的标号相同，其逻辑功能和管脚排列就相同用户应根据不同的条件和要求选用不同类型的 74 系列产品。 l ) 74HC373 74HC373 是带三态缓冲输出的 SD 触发器（锁存允许输入有回环特性） ，在单片机系统中常应用在地址锁存及输出口的扩展中。如前所述， 74LS373 是低功耗肖特基 TTL8D 锁存器， 74HC373 是高速 CMOS 器件，功能与 74Ls373 相同，两者可以互换。 74HC373 内有 8 个相同的 D 型俘态同相）锁存器，由两个控

47、制端（n 脚 ALE ; 1 脚 OE ）控制。当 oE 接地时，若 ALE 为高电平， 74Hc373 接收由 CPU 输出的地址信号；如果 ALE 为低电平，则将地址信号锁存。 74HC373 管脚图见图 3.7 。图 3.7 74HC373 管脚图引出端符号说明 1D-8D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 数据输入端 LE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48、. . . . . 锁存器允许控制端 OE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 允许控制端（低电平有效）1Q - 8Q. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .数据输出端. VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .电源 GND

49、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .地2) 74HC02图 3.8 74HC02 管脚图引出端符号说明 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 数据输入端 B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .数据输入端 Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .数据输出端 VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .电源 GND . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .地3) 74HC138 74HC138 有三个地址输入（ A 、 B 、 C ） 、三个选通输入（ CS0 、CS1、CS2）和八个输出（ Y0 -Y 7） ，俗称 3 - 8 译码器当 CS0 为高电平、 CS1和 CS2 为低电平时器件被选通， A 、 B 、 C 可确定 Y0 - Y7 中的一个以低电平呈现，对于 CS0 、 CS1 、 CS2 的其它任何组合， Y 0- Y7 均为高电平 74HC138 管脚如图所示图 3.9 74HC138 管脚图引

52、出端符号说明 A 、 B 、 C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 地址输入端 CSO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .选通端 CSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 选通端（低电平有效） Y0-Y7 . .

53、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 输出端（低电平有效） VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 电源 GND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 地3.5键盘输入及数码显示电

54、路键盘输入及数码显示电路3.5.1 键盘输入电路键盘输入电路键盘是人向机器输入数据和对系统进行干预的基本设备，它实质上是一组按键开关的集合。键盘输入电路采用 8279 通用编程键盘和显示器接口芯片作为信息设置和参数显示的控制核心，它具有 168 位的随机存取存储器 RAM 和 88 位先进先出寄存器（ F1F0 ） 。利用 8279 可实现对键盘和显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键码，并提供键盘消抖和串键保护功能。不仅可以大大节省 CPU 对键盘和显示器的操作时间，从而减轻 CPU 的负担，而且显示稳定，程序简单，不会出现误操作。键盘可分为两个基本类型：一种是用硬件电路来识别，称为编码键

55、盘；另一种是用软件方法来识别，称为非编码键盘。非编码键盘是依靠外部的硬件电路和软件来判别哪一个键按下。非编码键盘的硬件系统无编码逻辑，仅提供行列矩阵按键，键的识别、键的代码等按键保护均由软件完成，由于几非编码键盘所需硬件少、价格便宜，所以本系统选用了非编码键盘。 1 ) 8279 管脚、引线及功能说明 8279 为 40 列引脚封装，管脚如图所示。图 3.13 8279 管脚图D0-D7 （数据总线）：双向、三态总线。用于和系统数据总线相连，在 CPU 和 8279 之间传递命令或数据。 CLK （系统时钟）：输入线。用于 8279 内部定时，以产生其工作所需时序。 RESET （复位）：输入

56、线，高电乎有效。当复位信号 RESET =1 时， 8279 被复位CS （片选）：输入线，低电平有效。当 C S = 0 时， 8279 被选中，允许 CPU 对其进行读、写操作，否则被禁止。 A0 （缓冲器地址）：输入线。当 A0 = 1 时，若 CPU 进行写操作，则写入字节是命令字。若进行读操作，则从 8279 读出的字节是状态字当 A0= 0 时，写入字节或读出字节均为数据。/RD 、/WR （读、写信号）：输入线，低电平有效。这两个来自 CPU 的控制信号，控制 8279 的读写操作。IRQ （中断请求）：输出线，高电平有效在键盘工作方式中，当 F0F0 /传感器 RAM 中存有数

57、据时， IRQ 为高电平，向 CPU 提出中断申请 CPU 每次从 RAM 中读出一个字节数据时，IRQ 就变成低电平。如果 RAM 中还有未读完的数据， IRQ 将再次变为高电平，再次提出中断申请。在传感器工作方式中，每当检测到传感器状态变化时， IRQ 就出现高电平 SL0-SL3（扫描线）：输出线。这四条输出线用来扫描键盘和显示器。它们可以编程设定为编码输出（ 16 中取 1） 或译码输出（ 4 中取 1 ） 。 RLD-RL7 （回复线）：输入线。它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输入线。 SHIFT 盯（移位信号）：输入线，高电平有效。该输入信号是 8279 键盘数据的次高位 D6

58、，通常用来补充键盘开关的功能，可以用作键盘上下挡功能键。在传感器方式和选通方式中， SHIFT 无效。 CNTL/ STB （控制选通）：输入线，高电平有效在键盘方式时，该输入信号是键盘数据的最高位 D7 ，通常用来扩充键开关的控制功能，作为控制功能键用。在传感器方式下， CNTL 信号无效。在选通输入方式下，该信号的上升沿可将来自 RLD -RL7 的数据存入 FI1F0 RAM 中。 OUTA0 - OUTA3 ( A 组显示信号）：输出线 OUTB0-OUTB3 ( B 组显示信号）：输出线。这两组引线均是显示信息输出线，它们与多路数字显示的扫描线 SLD - SU 同步。两组可以独立使

59、用，也可以合并使用。/DB（消隐显示）：输出线，低电平有效。该输出信号在数字切换显示或使用显示消隐命令时，将显示消隐。2) 8279 工作方式介绍8279 的 CS 为片选信号输入端，低电平有效，作为地址选择和启动 8279 工作，它接到 AT89C51 系统的译码器 74HC138 的 Y1 引脚上。 8279 有 8 条双向数据输输出线 DB7 DB0，用来传送数据和控制命令，与 AT89C51 系统的 P0 口相连。A0 为控制命令状态与数据选择信号，用来标志输入/输出的信息是控制命令/状态还是数据。当A0 = l（高电平）时，输入/输出的信息为控制/命令状态：当 A0 =0（低电平）时

60、，输入/输出的信息为数据。 8279 的 A0 脚与 AT89C5l 地址总线的 A0 相连。RD 为读有效输入信号，低电平有效，读有效时将缓冲器数据读出，送外部数据总线。 WR 为写有效输入信号，低电平有效，写有效时缓冲器接收外部数据总线上的数据。 SL3SL0 为扫描线，用来扫描按键开关和显示器的各位数字。当选择编码扫描方式时，此方式可从外部对扫描计数器产生的二进制计数值进行译码，以提供键盘或显示器扫描信号，扫描线输出高电平有效。 SL3SL0 呈分频式波形输出，当外接 4 - 16 译码器时，可扫描显示 16 位显示器；当选择译码扫描方式时，扫描线输出低电平有效， SL3SL0 每一时刻