基于單片機(jī)的火車(chē)道口安全報(bào)警的研究與設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的火車(chē)道口安全報(bào)警的研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的火車(chē)道口安全報(bào)警的研究與設(shè)計(jì) 電子信息工程專(zhuān)業(yè) 摘 要道口是鐵路安全運(yùn)輸問(wèn)題的重點(diǎn)和薄弱點(diǎn)。本課題針對(duì)我國(guó)鐵路平交道口 的現(xiàn)狀，利用單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了平交道口來(lái)車(chē)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，采用了可靠性高、價(jià)位 低、普及程度高、利于基層技術(shù)人員掌握學(xué)習(xí)的 89C51 作為控制芯片，利用了軌道傳 感器采集回來(lái)的車(chē)輪信息，準(zhǔn)確地將來(lái)車(chē)信息通知道口值守人員及過(guò)往行人，大大減 少了事故發(fā)生的隱患。針對(duì)系統(tǒng)工作環(huán)境的惡劣和工作的特殊性，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò) 程中，重點(diǎn)突出了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、設(shè)備的堅(jiān)固程度，在軟件的編制上也采取了有 力的抗干擾措施，因此，本系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

2、具有重要的社會(huì)意義以及推廣價(jià)值。 關(guān)鍵詞 運(yùn)輸安全；鐵路平交道口；單片機(jī) The Research and Design Based on The Single-chip Computer for The Rail-road Crossing Warning System Electronic Information Engineering TANG Li-jun Abstract: The Level road crossing is emphasis and weak point.This article discusses the present situation of our rai

3、l level road crossing,use single-chip microcomputer system to design the coming vehicle automatic warning system for level road crossing.The core chip is 89C51 which has high reliability,low price and good universality.Most technicians can master it easily.The system gets the coming vehicles message

4、,and gives notice to the crossing keeper and the people.So it can reduce the hidden dangers and provide the insurance for the rail traffic. Because of the bad running environment and working important,so we think much of the system running reliability,firmness of device.Some measures also are taken

5、in the software. So the research and design of this system is very necessary. Key words：Traffic Safety; Rail-way Crossing; 89C51 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作 明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人 成果及已獲得 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與 我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明

6、 并表示了謝意。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交 論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人 授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè) 論文（設(shè)計(jì)） 。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文 （設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，單位署名為 。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 目 錄 1 緒論 .1 1.1 問(wèn)題的

7、提出 .1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究的目的好意義 .1 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求.1 2 微機(jī)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)概述 .2 2.1 系統(tǒng)組成部分 .2 2.2 系統(tǒng)主要組成部分.2 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .2 3.1 傳感器的選用.2 3.1.1 傳感器的選擇 .2 3.1.2 傳感器檢測(cè)道口狀況的方法。 .3 3.2 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì).3 3.2.1 信號(hào)輸入 .4 3.2.2 信號(hào)整形 .4 3.2.3 光電隔離 .4 3.3 系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì).5 3.3.1 AT89C51 性能介紹 .5 3.3.2 系統(tǒng)主電路 .5 3.4 語(yǔ)音報(bào)警功能的設(shè)計(jì).6 3.4.1 ISD1420 芯片介紹 .6

8、 3.4.2 語(yǔ)音報(bào)警電路 .7 3.5 道口欄木驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì).8 3.5.1 芯片 L298N 的介紹。 .8 3.5.2 驅(qū)動(dòng)控制電路圖及工作原理 .8 3.7 硬件抗干擾設(shè)計(jì) .10 3.7.1 系統(tǒng)抗干擾性及可靠性設(shè)計(jì)原則 .10 3.7.2 系統(tǒng)干擾源分析以及硬件抗干擾措施.11 4 軟件設(shè)計(jì) .12 4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì).12 4.2 交通燈控制軟件設(shè)計(jì).13 4.3 語(yǔ)音廣播軟件設(shè)計(jì).14 4.4 道口欄木軟件設(shè)計(jì).15 4.5 軟件抗干擾措施.15 7結(jié)論與展望 .16 參考文獻(xiàn) .17 附錄 語(yǔ)音板電路原理圖 .18 致謝 .19 1 緒論 1.1 問(wèn)題的提出 鐵路是

9、國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈、交通運(yùn)輸體系的骨干，對(duì)于國(guó) 家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行和發(fā)展具有舉足輕重的作用和全局性的作用。鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸 能力大、能夠負(fù)擔(dān)大量客貨運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)、速度快、受氣候條件限制小、可全天候運(yùn)營(yíng)、 運(yùn)輸成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，我國(guó)正大力發(fā)展鐵路行業(yè)的建設(shè)事業(yè)。 平交道口是鐵路和公路的平面交叉，隨著鐵路行車(chē)速度、密度的不斷提高和公路 車(chē)輛的急速增多，平交道口的安全問(wèn)題，已經(jīng)變的非常突出。為改善鐵路平交道口尤 其是站內(nèi)道口的安全狀況，有必要設(shè)計(jì)一種具有高可靠性的道口報(bào)警設(shè)備，在列車(chē)接 近道口前告警，提示道口職守人員及行人、車(chē)輛注意，以確保列車(chē)安全通過(guò)，減少以 至杜絕道口交通事故的

10、發(fā)生 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究的目的好意義 現(xiàn)在我國(guó)站內(nèi)道口來(lái)車(chē)管理大多還是處于靠電話通知和道口工眺望的狀態(tài)，遇到 天氣狀況不好，或是電話線路不暢的時(shí)候，就存在了事故的隱患。鐵道部對(duì)此尚無(wú)在 全國(guó)推廣的定型產(chǎn)品，均為各鐵路局自己開(kāi)發(fā)的設(shè)備，而且利用率也不是太高。 在鐵路網(wǎng)比較發(fā)達(dá)的歐洲，道口密度大，事故風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)比較高。其中，英國(guó)的 安全工作做的比較好，這主要得益于英國(guó)政府增加警力，強(qiáng)行控制道口違章行為。同 時(shí)，英國(guó)西屋鐵路系統(tǒng)公司在別國(guó)成功技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了一種新型的平交道口預(yù) 測(cè)器。該設(shè)備符合道口報(bào)警設(shè)備的一般設(shè)計(jì)原理，但是其價(jià)格昂貴，同時(shí)英國(guó)鐵路軌 道電路與我國(guó)軌道電路有諸多不同之

11、處，所以無(wú)法將其移用至我國(guó)鐵路道口中。 鐵路道口安全工作的好壞，直接關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，它是推動(dòng)和促進(jìn)鐵 路跨越式發(fā)展目標(biāo)能否順利實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要方面。 道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)提高了道口來(lái)車(chē)報(bào)警的可靠性和準(zhǔn)確性，可以有效的降低誤報(bào)、 錯(cuò)報(bào)事件的出現(xiàn)幾率，從而有效的避免道口交通事故的發(fā)生。 所以，立足我國(guó)鐵路現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)實(shí)用的站內(nèi)道口自動(dòng)報(bào)警設(shè)備仍是當(dāng)務(wù)之急。 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 系統(tǒng)總體采用 AT89C51 單片機(jī)為平交道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的核心，用安裝在鋼軌內(nèi) 側(cè)的車(chē)輪傳感器組成檢測(cè)點(diǎn)，感應(yīng)到的車(chē)輪信息通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)電纜傳送到道口房的主 機(jī)內(nèi)，由單片機(jī)控制道口交通燈的轉(zhuǎn)換和語(yǔ)音報(bào)警功能的開(kāi)關(guān)，并控

12、制道口欄目升降 從而達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警通知和提升道口整體安全狀況的目的。 本系統(tǒng)列車(chē)接近報(bào)警系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)如下： （1）列車(chē)接近道口語(yǔ)音報(bào)警功能。當(dāng)列車(chē)接近道口時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)播報(bào)“司機(jī)、行人請(qǐng) 注意，火車(chē)就要開(kāi)過(guò)來(lái)了，請(qǐng)不要搶行和翻越欄桿” 。 2）交通燈切換功能。當(dāng)列車(chē)接近道口，傳感器采集到列車(chē)接近信息，系統(tǒng)立即控制交 通燈的紅色信號(hào)燈亮，綠色信號(hào)暗，以提示行人、車(chē)輛禁止通行。 （3）道口欄木升降功能。 （4）系統(tǒng)復(fù)原功能。 2 微機(jī)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)概述 2.1 系統(tǒng)組成部分 根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)了道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖 1 所示： 傳 感 器 信 號(hào) 處 理 單片機(jī) 道口交通燈 語(yǔ)音

13、報(bào)警 欄木電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 圖 1 系統(tǒng)組成框圖 2.2 系統(tǒng)主要組成部分 系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)以及系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)模塊四部 分組成。 （1）傳感器系統(tǒng)：根據(jù)系統(tǒng)需求，數(shù)據(jù)采集元件選用的是凸出極磁電式軌道 傳感器。由傳感器采集來(lái)車(chē)信息送信號(hào)處理電路。 （2）信號(hào)處理系統(tǒng)：信號(hào)處理系統(tǒng) 將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量，并分離出信號(hào)中的故障信號(hào)，是系統(tǒng)的重要組 成部分。 （3）單片機(jī)系統(tǒng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中央處理系統(tǒng)，他通過(guò)硬件與軟 件的結(jié)合來(lái)控制各個(gè)部分的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。 （4）功能實(shí)現(xiàn)模塊：功能實(shí) 現(xiàn)模塊包括 3 個(gè)功能：道口交通燈轉(zhuǎn)換控制功能、語(yǔ)音報(bào)警功能和

14、道口欄木升降功能。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 傳感器的選用 3.1.1 傳感器的選擇 本系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求很苛刻，站內(nèi)道口傳感器的工作條件比區(qū)間道口惡劣的多。 其工作位置靠近站臺(tái)和道路，夏天雨水浸泡，冬天冰雪覆蓋，沙土垃圾掩埋，人為破 壞等。所以對(duì)傳感器提出了要有較高的靈敏度和輸出范圍；堅(jiān)固耐用無(wú)維修或極少維 修；測(cè)試范圍寬并盡可能無(wú)源等要求。經(jīng)過(guò)綜合比較，本課題最終決定選擇凸出極磁 電式軌道傳感器。該傳感器可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，而且除了定期清掃鐵屑外，無(wú)需維 修，能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境。根據(jù)需要本系統(tǒng)應(yīng)用了兩個(gè)凸出極磁電式軌道傳 感器。 3.1.2 傳感器檢測(cè)道口狀況的方法。 圖 2 是該

15、鐵路和公路平交道口的平面位置示意圖。在 P1和 P2點(diǎn)設(shè)置了兩個(gè)傳感器 元件，用于檢測(cè)是否有火車(chē)通過(guò)道口。P1和 P2這兩點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，因此一列火車(chē)不會(huì)同 時(shí)壓在兩個(gè)壓敏傳感器上。A 和 B 是兩個(gè)柵門(mén)，當(dāng)火車(chē)由東向西或由西向東通過(guò) P1P2 段，且當(dāng)火車(chē)的任何部分位于 P1P2之間時(shí)，柵門(mén) A 和 B 應(yīng)同時(shí)關(guān)閉，道口的紅色交通 燈亮，綠色交通燈滅，公路禁止通行；否則柵門(mén) A 和 B 同時(shí)打開(kāi)，道口的綠色交通燈 亮，紅色交通燈滅，公路允許通行。傳感器的功能是當(dāng)火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，產(chǎn)生邏輯電平 1， 否則產(chǎn)生邏輯電平 0。設(shè)位于 P1和 P2兩點(diǎn)的傳感器所輸出的信號(hào)分別為 I1和 I2，柵門(mén) A 和 B

16、 的開(kāi)閉由圖 2 所示的電路控制?？刂齐娐返妮斎胧莻鞲衅魉l(fā)出的信號(hào) I1和 I2，輸出信號(hào) Z 用來(lái)控制柵門(mén) A 和 B，當(dāng) Z=1 時(shí)，柵門(mén)關(guān)閉；Z=0 時(shí)柵門(mén)打開(kāi)。 圖 2 鐵路和公路平交道口的平面位置示意圖 3.2 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì) 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)原則為：傳感器輸出的信號(hào)是包括故障信息和車(chē)論信息的復(fù) 合模擬信號(hào)。這樣的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)必要的處理，將不同的有用信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān) 量，才能供數(shù)字式控制系統(tǒng)使用。根據(jù)傳感器信號(hào)和控制系統(tǒng)的需要，本系統(tǒng)的信號(hào) 處理電路必須要完成下列功能： 將復(fù)合信號(hào)中車(chē)輪信號(hào)分離并整形為脈沖信號(hào) 分離出復(fù)合信號(hào)中包含的故障信息 對(duì)車(chē)輪信號(hào)中的顫動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾

17、波 對(duì)傳感器及線路傳輸?shù)母蓴_信號(hào)進(jìn)行處理 1信號(hào)處理電路包括 1 縱向通道，處理 2 路傳感器的信號(hào)，其中一路傳感器的信 號(hào)構(gòu)成 int0 中斷，另一路傳感器的信號(hào)構(gòu)成 int1 中斷。信號(hào)處理電路由信號(hào)輸入級(jí)、 整形級(jí)、光電隔離級(jí)、鎖存選通級(jí)和中斷控制邏輯形成電路組成。信號(hào)處理電路如圖 4 所示： 圖 4 信號(hào)處理電路 3.2.1 信號(hào)輸入 對(duì)信號(hào)輸入級(jí)的要求，一是檢測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)變化，二是連續(xù)檢測(cè)信號(hào)電平的變化， 所以采用圖示電路。其中 C1 為濾波電容，YM1 為壓敏元件，可以防止雷電以及車(chē)電 高電壓竄入。R1 為限流電阻，D1、D2 為單向整流限幅二極管，防止輸入過(guò)壓，且完 成傳感器輸入

18、信號(hào)的尖脈沖波形到方波脈沖的轉(zhuǎn)換。RP1 為 22k 分壓電阻。 3.2.2 信號(hào)整形 信號(hào)整形級(jí)選用得是 74HC245 芯片，74HC245 的 DIR 端接電源后，使方向?yàn)?A 到 B，第 19 管腳接地，使其始終選通。 3.2.3 光電隔離 在實(shí)際的信號(hào)處理電路中，不可避免的存在各種的干擾信號(hào)，為了保證信號(hào)傳輸 的準(zhǔn)確性，決定在信號(hào)處理電路中增加光電隔離級(jí)，即采用隔離技術(shù)來(lái)增強(qiáng)抗干擾能 力。在硬件上常用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)電光電的隔離，這樣就可以有效的阻止干擾信號(hào) 的傳遞。 本系統(tǒng)采用的是光電耦合器是 TLP521-4，這是一種完全對(duì)稱(chēng)特性的光電模擬信號(hào) 隔離器。該光電隔離器的特點(diǎn)是：其內(nèi)

19、部結(jié)構(gòu)為 4 個(gè)光電耦合器，它們的物理特性完 全一直、重復(fù)性好、并且 4 個(gè)光電耦合器的 4 個(gè)電源實(shí)現(xiàn)了完全隔離，有良好的線形 度，地面的干擾完全消除。這樣該光電耦合器在電路中就將選中的模擬信號(hào)的輸入級(jí)、 輸出級(jí)完全隔離開(kāi)來(lái)，阻止了相互之間的電聯(lián)系，從而消除了輸入級(jí)、輸出級(jí)之間的 干擾。 3.3 系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則首先是可靠，其次是簡(jiǎn)單，具有可以滿足系統(tǒng)工作需要的計(jì)算速度，而 且要考慮系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)成本。因此，我們選用技術(shù)成熟而且可以穩(wěn)定工作的 89C51 作為系統(tǒng)主電路的核心。 。 3.3.1 AT89C51 性能介紹性能介紹 AT89C51 是一種低功耗、高性能的 8 位單片機(jī)，

20、片內(nèi)帶有一個(gè) 4K 字節(jié)的 Flash 可 編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(PEROM)，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易 失性存儲(chǔ)器(NURAM)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容。片內(nèi)的 Flash 存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程。 因此 AT89C51 是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，它可方便地應(yīng)用在各種 控制領(lǐng)域。 AT89C51 的主要性能有: 與 MCS-51 微控制器產(chǎn)品兼容; 4KB 可改編程序 Flash 存儲(chǔ)器;(可經(jīng)受 1,000 次的寫(xiě)入/擦除周期)； 全靜態(tài)工作:OHZ-24MHZ; 三級(jí)存儲(chǔ)

21、器保密; 128X8 字節(jié)內(nèi)部 RAM; 32 條可編程 I/0 線; 2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器; 6 個(gè)中斷源; 可編程串行通道; 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器; 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存片內(nèi) RAM 中的內(nèi)容。 3.3.2 系統(tǒng)主電路系統(tǒng)主電路 本系統(tǒng)道口交通燈只有紅綠兩個(gè)。模擬交通燈使用發(fā)光二極管，可直接接單片機(jī) 引腳,其中紅燈接 P1.0 和 P1.1；綠燈接 P1.2 和 P1.3,再用軟件來(lái)進(jìn)行控制紅綠燈的切換。 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖 5 所示 1 1 2 2 3 3 4 4 DD CC BB AA Title NumberRevisionSize A4 Date:2009-5-29

22、Sheet of File:D:Program Files.Sheet1.SchDocDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 T

23、XD 11 RXD 10 MCS-89S51 12M XTAL 33pF C1 33pFC2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10K RPVCC VCC 200 R19 1K R20 22uF C10 RST P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P36 P37 RST VCC D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 LE Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 OE 74HC373 12 GREEN 12 GREEN 12 RED 12 RED 利用 74HC373 鎖存器軟件控制紅綠燈。 圖 3-2 單片機(jī)電路 3.4 語(yǔ)音報(bào)警功能的設(shè)計(jì) 語(yǔ)音

24、報(bào)警功能是本系統(tǒng)的第二個(gè)主要功能。 語(yǔ)音電路是針對(duì)室外語(yǔ)音廣播而設(shè)計(jì)的。其核心為 microchip 公司生產(chǎn)的 PIC16C71 單片機(jī)，語(yǔ)音芯片為 ISD（Information Storage Device）公司生產(chǎn)的 ISD1420 芯片。 3.4.1 ISD1420 芯片介紹 ISD1420 芯片特點(diǎn)：SD1420 芯片采用直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)，且錄放音質(zhì)極好，并有一定 的混響效果；它的外圍元件簡(jiǎn)單，僅需簡(jiǎn)單的阻、容元件即可組成簡(jiǎn)單的錄、放電路； 但電源供電，典型電壓+5V。待機(jī)時(shí)低功耗，放音電流 15mA；放音時(shí)間 20s,可擴(kuò)充級(jí) 聯(lián)；可持續(xù)放音，也可分段錄放，最小分段：20s/16

25、0 段=0.125s/段，可分段 160 段； 錄、放次數(shù)達(dá) 10 萬(wàn)次；斷電信息存儲(chǔ)，無(wú)需后備電池，信息可存儲(chǔ) 100 年；不需要專(zhuān) 用的編程器及語(yǔ)音開(kāi)發(fā)器；高優(yōu)先級(jí)錄音，低電平或負(fù)邊沿放音。 ISD1420 芯片引腳介紹 ISD1420 芯片封裝有 DIP 硬封裝和 COB 軟封裝兩種形式，均為 28 引腳 A0A7地址或操作模式控制端 VSSD數(shù)字地 VSSA模擬地 SP+、SP音頻信號(hào)輸出端，可以驅(qū)動(dòng) 816 歐揚(yáng)聲器 VCCA模擬電源 VCCD數(shù)字電源 MIC話筒輸入端，可用駐級(jí)體話筒，通過(guò)電容耦合 MICREF話筒輸入考端，若不用應(yīng)懸空 AGC自動(dòng)增益控制端，調(diào)整芯片內(nèi)部前置放大器

26、增益，使錄入信號(hào)不失真 ANAIN、ANAOUT兩端間接電容，該端用于模擬信號(hào)的直接輸入、輸出 XCLK外部時(shí)鐘或接地（一般用戶接地即可） REC錄、放音控制，低電平為錄音 PLAYL電平放音控制（低電平有效） ，放音時(shí)應(yīng)該保持低電平 PLAYE邊沿放音控制，下降沿開(kāi)始放音（此時(shí) REC=0） RECLED錄音指示，接發(fā)光二極管，錄音時(shí)亮，放音結(jié)束閃爍 3.4.2 語(yǔ)音報(bào)警電路 該部分電路中包含了為語(yǔ)音系統(tǒng)供電的電源部分電路設(shè)計(jì)。電源部分采用二極管 整流電路，接在電源變壓器的次級(jí)輸出端，用四個(gè)二極管組成橋式整流電路。它們的 后級(jí)為濾波電容，交流電整流后，要求將交流成分濾的越干凈越好，所以濾波電

27、容選 用大容量的電解電容。語(yǔ)音報(bào)警電路如圖 6 所示。 圖 6 語(yǔ)音報(bào)警電路 3.5 道口欄木驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì) 道口欄木是保證行人安全的重要措施，本系統(tǒng)道口欄木驅(qū)動(dòng)選用了 SBS 公司生產(chǎn) 的 L298N 芯片。 3.5.1 芯片 L298N 的介紹。 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見(jiàn)的是 15 腳 Multiwatt 封裝的 L298N，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路?？梢苑奖愕尿?qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N 芯 片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直 接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電

28、路簡(jiǎn)單，使 用比較方便。L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) VSS，VSS可接 457 V 電壓。4 腳 VS接電源電壓，VS電壓范圍 VIH為2546 V。輸出電流可達(dá) 25 A，可驅(qū)動(dòng)電感 性負(fù)載。1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳 感信號(hào)。L298 可驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動(dòng)機(jī)， 本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12 腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的 正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。圖 7 是 L298N 芯片的引腳圖。 圖 7 L298N 芯片的引腳

29、圖 3.5.23.5.2 驅(qū)動(dòng)控制電路圖及工作原理驅(qū)動(dòng)控制電路圖及工作原理 單片機(jī)輸出口 P3.0、P3.1 為 L298N 提供脈沖信號(hào)，L298N 正常工作時(shí)，輸入信號(hào) INT1 和 INT2 來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)及停止，通過(guò)單片機(jī)輸出脈沖頻率控制步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速即欄木升降的快慢。表 1 為 L298N 芯片功能表。 L298N 芯片功能表 圖 8 驅(qū)動(dòng)控制電路圖 3.6 電源電路設(shè)計(jì)電源電路設(shè)計(jì) 一個(gè)系統(tǒng)要想正常穩(wěn)定的工作，必須要有一套穩(wěn)定可靠的電源系統(tǒng)做保障系統(tǒng)電 源板直接引入 220V 交流電源，經(jīng)過(guò)變壓、整流處理后分別為主機(jī)和傳感器供電。 電源電路設(shè)計(jì)如圖 3-15 所示：

30、 圖中后部分電路為蓄電池電路，如停電，則用蓄電池為主機(jī)供電，當(dāng)電池電壓低 于一定值后，自動(dòng)斷電。 圖 9 電源電路 3.7 硬件抗干擾設(shè)計(jì)硬件抗干擾設(shè)計(jì) 3.7.1 系統(tǒng)抗干擾性及可靠性設(shè)計(jì)原則系統(tǒng)抗干擾性及可靠性設(shè)計(jì)原則 近幾年來(lái)，單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、生產(chǎn)過(guò)程控制、智能化儀器儀表等領(lǐng)域造 成的干擾后果主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1、 數(shù)據(jù)采集誤差加大 2、 控制狀態(tài)失靈 3、 數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化 4、 程序運(yùn)行失靈 針對(duì)這些內(nèi)部和外部因素的干擾，采取有效的軟硬件措施加以解決，是可靠性設(shè) 計(jì)的基本任務(wù)。導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行的內(nèi)部因素主要有三個(gè)：1、元器件本身的性能 與可靠性；2、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)

31、計(jì)是否合理；3、安裝與調(diào)試。外部因素是指系統(tǒng)所處工 作環(huán)境中的外部設(shè)備或空間條件導(dǎo)致運(yùn)行不可靠的因素，主要包括：1、外部電器條件， 如電源電壓的穩(wěn)定性、強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響；2、外部空間條件，如溫度、濕度、空氣 清潔度等；3、外部機(jī)械條件，如振動(dòng)、沖擊等；4、惡劣的自然現(xiàn)象影響，如雷電等。 因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，元器件的選擇是根本，合理的安裝調(diào)試是基礎(chǔ)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是手 段，外部環(huán)境是保證。這是本系統(tǒng)在抗干擾性以及可靠性設(shè)計(jì)方面遵循的基本原則。 3.7.2 系統(tǒng)干擾源分析以及硬件抗干擾措施系統(tǒng)干擾源分析以及硬件抗干擾措施 干擾形成必須具備三個(gè)主要因素，即：干擾源、耦合通道、對(duì)于干擾敏感的接受 電路，如

32、下圖所示： 本系統(tǒng)受到的主要干擾來(lái)自電網(wǎng)供電，空間電磁波，信號(hào)傳輸通道和雷電。 1、較惡劣的供電條件及抗干擾措施 由于車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種電器設(shè)備眾多，特別是感性負(fù)載的啟停，可使電網(wǎng)電壓 產(chǎn)生大幅度的漲落（浪涌）和較大幅度的高頻振蕩電壓，而各種大功率開(kāi)關(guān)的通斷， 電機(jī)的啟停，又會(huì)形成很強(qiáng)的尖峰干擾，極易造成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)得誤動(dòng)作、數(shù)據(jù)丟 失甚至死機(jī)。 系統(tǒng)針對(duì)供電條件的干擾所采取的抗干擾措施主要有：1、在電源引入線上加帶有 屏蔽罩的電源濾波器（低通濾波器） ，它一方面抑制分布在火線上的干擾，另一方面也 可解決寬頻帶瞬變狀態(tài)下的干擾。其設(shè)計(jì)力圖僅允許 50HZ 交流電通過(guò)，對(duì)高頻干擾 電壓有較好的

33、衰減作用。2、在電源引入線的線間和每線對(duì)地間加裝 430V 壓敏電阻， 可有效抑制較高幅度的振蕩電壓和尖峰脈沖。 2、較強(qiáng)的空間電磁波干擾以及抗干擾措施 空間電磁波的干擾無(wú)處不在，車(chē)站附近可以認(rèn)為是電磁波重污染區(qū)。這里密集了 各種無(wú)線通信和廣播電視信號(hào)，內(nèi)然機(jī)車(chē)和電力機(jī)車(chē)上的各種大功率電機(jī)電器和車(chē)站 的各種設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。系統(tǒng)抗電磁干擾的能力又稱(chēng)為電磁兼容性，目前，各種 軍用、民用電子設(shè)備對(duì)電磁兼容性的要求越來(lái)越高。 電磁兼容性設(shè)計(jì)主要包括電路設(shè)計(jì)、接地和屏蔽設(shè)計(jì)。 電路設(shè)計(jì)包括帶寬控制、去耦、濾波和隔離。帶寬控制主要是選用高抗干擾能力 的邏輯芯片。CMOS 一般比 TTL 好，功耗小，所

34、以?xún)?yōu)先選用 CMOS 芯片。盡量選用比 較低的時(shí)鐘頻率，本單片機(jī)系統(tǒng)選用 6MHZ。對(duì)輸入的開(kāi)關(guān)量要進(jìn)行限幅、RC 濾波、 整形。去耦措施是對(duì)共模耦合采取分開(kāi)回路的設(shè)計(jì)，對(duì)互阻耦合，采取使空間導(dǎo)體彼 此遠(yuǎn)離，尺寸盡量減小，就近接地和加粗地線。濾波措施是對(duì)進(jìn)入電路內(nèi)部的連接電 纜，都加濾波環(huán)節(jié)，以抑制其傳導(dǎo)干擾，同時(shí)在內(nèi)部電路的信號(hào)輸入部分也加有濾波 電容。隔離措施是用光電耦合器把內(nèi)部電路與外部接口隔離開(kāi)，將各單元電路也盡可 能隔離開(kāi)。 通過(guò)以上抗干擾措施從而減小外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 至此，整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分介紹完畢，實(shí)驗(yàn)表明本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為 合理，工作穩(wěn)定，

35、能完成預(yù)定的各種功能要求，具有較高的可靠性。 4 軟件設(shè)計(jì) 硬件電路確定以后，系統(tǒng)的主要功能將依賴(lài)于系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？?靠地工作，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開(kāi)的。軟件采用匯 編語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。 4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件總體上分三大部分：初始化及設(shè)備自檢和斷線檢測(cè)、鍵盤(pán)管理、列車(chē)接 近檢測(cè)報(bào)警等。系統(tǒng)總體程序框圖如圖 4-1 所示： 初始化 語(yǔ)音報(bào)警 紅燈亮 下欄桿 語(yǔ)音報(bào)警 紅燈亮 下欄桿 電機(jī)停 開(kāi)始 欄桿是否完全放下？欄桿是否完全放下？ 火車(chē)是否離開(kāi)？ 火車(chē)是否離開(kāi)？ 電機(jī)停 來(lái)車(chē)方向是否為從左到右來(lái)車(chē)方向是否為從右到左 停止語(yǔ)音報(bào)警 綠燈亮

36、欄桿升起 停止語(yǔ)音報(bào)警 綠燈亮 欄桿升起 欄桿是否完全升起欄桿是否完全升起 Y N Y N YY N Y Y NN Y NN N 圖 4-1 軟件總體框圖 在圖 4-1 中，程序開(kāi)始時(shí)，首先初始化，判斷來(lái)車(chē)方向是否為從左到右，若不是， 重新判斷，是往下執(zhí)行，語(yǔ)音報(bào)警提示，紅燈亮，下欄桿，當(dāng)欄桿完全放下后，電機(jī) 停止，然后判斷火車(chē)是否離開(kāi)，離開(kāi)則綠燈亮，欄桿升起，完全升起后，重復(fù)開(kāi)始， 進(jìn)入到下一次循環(huán)。如果來(lái)車(chē)方向是從右到左，也如前所述，開(kāi)始聲光報(bào)警并下放欄 桿，然后判斷火車(chē)是否離開(kāi)，完成后，重新開(kāi)始循環(huán)。 4.2 交通燈控制軟件設(shè)計(jì)交通燈控制軟件設(shè)計(jì) 交通控制部分是系統(tǒng)主要功能是通過(guò)道口紅綠

37、燈控制行人的通過(guò)的報(bào)警系統(tǒng)。 交通控制軟件系統(tǒng)采用針對(duì)的 PIC 單片機(jī)的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。系統(tǒng)流程如圖 4-8 所 示： 紅燈亮、綠燈暗 初始化 結(jié)束 檢測(cè)是否有列車(chē)通過(guò) 列車(chē)是否完全通過(guò) N N Y Y 圖 4-8 交通燈控制流程 在圖中首先初始化，在檢測(cè)是否有列車(chē)通過(guò)，若無(wú)列車(chē)通過(guò)，則重新檢測(cè)；若系統(tǒng) 檢測(cè)到有列車(chē)通過(guò)道口，則紅燈亮，綠燈暗，然后檢測(cè)列車(chē)是否完全通過(guò)，若沒(méi)有完 全通過(guò)重新檢測(cè)，若列車(chē)已完全通過(guò)道口則程序結(jié)束。 4.3 語(yǔ)音廣播軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)音廣播軟件設(shè)計(jì) 語(yǔ)音廣播部分軟件系統(tǒng)采用針對(duì)的 PIC 單片機(jī)的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，在本系統(tǒng)中由于 單片機(jī)是將“司機(jī)、行人請(qǐng)注意，火車(chē)就要開(kāi)過(guò)來(lái)了，

38、請(qǐng)不要搶行和翻越欄桿”或 “還有火車(chē)開(kāi)過(guò)來(lái)，請(qǐng)不要搶行和翻越欄桿”兩句話，所以軟件流程比較簡(jiǎn)單。如圖 4-8 所示 圖 4-8 廣播流程 4.4 道口欄木軟件設(shè)計(jì)道口欄木軟件設(shè)計(jì) 生成電機(jī)控制邏輯 驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn) 中斷標(biāo)志清0 Y N 中斷響應(yīng) 電機(jī)控制指令 返回 道口欄木軟件流 中斷響應(yīng)后，執(zhí)行電機(jī)控制指令，再生成電機(jī)控制邏輯，生成的電機(jī)控制邏輯驅(qū) 動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，然后中斷完成，把中斷標(biāo)志清零，最后返回到主程序。若果不 執(zhí)行電機(jī)控制，則直接終止中斷，返回到主程序。 4.5 軟件抗干擾措施軟件抗干擾措施 雖然本單片機(jī)系統(tǒng)在硬件抗干擾方面已經(jīng)采取了很多措施，從理論到實(shí)際也確實(shí) 可行，但是

39、對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的整體抗干擾能力來(lái)說(shuō)，還是不夠，必須在軟件編制上盡可 能采取強(qiáng)有力的抗干擾措施。 系統(tǒng)采用數(shù)字濾波即延時(shí)重復(fù)讀取開(kāi)關(guān)量輸入值的措施來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 傳感器脈沖信號(hào)在傳入時(shí)往往會(huì)迭加上干擾脈沖，所以除了硬件抗干擾電路外， 軟件采樣時(shí)，必須讓脈沖信號(hào)延時(shí)讀取，且只有重復(fù)讀取值 8 次相同時(shí)才認(rèn)為讀入值 有效， 該抗干擾程序流程如圖 5-3 所示。 計(jì)數(shù)器清零 讀入本次值 與前次值相同嗎？ 計(jì)數(shù)器加1等于8嗎？ 前次寄存器置初值 讀入數(shù)有效 N N Y Y 圖 5-3 軟件抗干擾流程 總之,系統(tǒng)在采取了以上措施后,經(jīng)過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)和應(yīng)用,取得了較好的效果，達(dá)到了 設(shè)計(jì)要求。 7結(jié)論

40、與展望 本課題對(duì)鐵路站內(nèi)道口自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，針對(duì)目前道口報(bào)警主要 靠電話通知和人工瞭望的狀態(tài)，設(shè)計(jì)了可以實(shí)時(shí)采集來(lái)車(chē)信息并通知道口值守人員及 過(guò)往行人的報(bào)警系統(tǒng)，并最終達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，主要工作有： 1、選取了凸出極磁電式傳感器，并在該傳感器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了來(lái)車(chē)信息采集及測(cè)速 的方法，為系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性打下了基礎(chǔ)。 2、設(shè)計(jì)了單片機(jī)系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以準(zhǔn)確處理傳感器采集的信息并產(chǎn)生聲光、語(yǔ)音報(bào)警 信息，達(dá)成了最終的報(bào)警功能。 3、系統(tǒng)各大模塊的軟件設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) 1李顯軍.道口報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J北京:鐵路技術(shù)創(chuàng)新。2004，3：56 2李玲桂.國(guó)外平交道口的安全措施

41、J北京：鐵道知識(shí)，2005、2，2223 3TB10007-99s.鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范 4張伯敏.鐵路車(chē)站接發(fā)列車(chē)安全性系統(tǒng)分析J上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，1999、4，3335 5張迎新.單片微型計(jì)算機(jī)原理、應(yīng)用、及接口技術(shù)M國(guó)防工業(yè)出版社，1993，221-230 6陳章龍.實(shí)用單片機(jī)大全M黑龍江技術(shù)出版社，1989，277-311 7李雙全，李凱昕.一種用于單片機(jī)間的串行通訊方法J黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003，17，3739 8金秋生.氧化鋅壓敏電阻的過(guò)電壓保護(hù)J安全用電 2004、12，3537 9楊華舒，楮福濤.單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抗干擾的軟件設(shè)計(jì)途徑J電子技術(shù)應(yīng)用，2001、3，2022 附錄

42、語(yǔ)音板電路原理圖 致謝 內(nèi)部資料 僅供參考 內(nèi)部資料 僅供參考 9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!zn%Mz849GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$

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