【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 傳感器的選擇以及安裝使用方法 傳感器選擇的依據(jù) 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。該類傳感器為永磁體材料，外殼為 優(yōu)質(zhì)鑄鋼制造，無(wú)源，其磁心的磁能積足夠大，火車車輪通過時(shí)切割磁力線可以產(chǎn)生足夠高的脈沖信號(hào)?？梢蚤L(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。 其工作原理為： 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律： 感生電信號(hào)，可知磁通變化率 、決定感生電信號(hào)的幅值。 相關(guān)技術(shù)特性：（ 1）工作間隙（鋼軌頂部平面與傳感器工作面間的垂直距離）一定的條件下，感生信號(hào)電壓（ E）與輪對(duì)通過傳感器的速度 （ V）呈線形關(guān)系。如圖 31 所示： 圖 31 感生電壓與車輪速度的關(guān)系 感生信號(hào)電壓（ E）與工作間 隙 H 呈指數(shù)變化關(guān)系，如圖 32 所示： 圖 32 感生信號(hào)電壓與工作間隙的關(guān)系 H 減小與感生信號(hào)電壓（ E）呈指數(shù)上升關(guān)系。 H 增大與感生信號(hào)電壓（ E）呈指數(shù)下降關(guān)系。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 7 傳感器的安裝使用方法 傳感器的安裝要考慮以下因素： ① 機(jī)車輪沿高度為 28 毫米，車輛輪沿高度為 25 毫米； ② 車輛踏面最大允許限度為 9 毫米，到此限的車輪踏面不允許繼續(xù)使用。 所以為了確保傳感器安裝不侵入限界，即保證安全使用又使傳感器的信息源盡可能地提高其效能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)確定 傳感器面到鐵軌面的高度為 37 毫米，在無(wú)機(jī)車行走的線路，只溜放車輛的條件下，此高度可以調(diào)整到 34 毫米［ 4， 5］。 ：由于單片機(jī)系統(tǒng)需要由觸發(fā)信號(hào)計(jì)算出火車速度，所以將觸發(fā)端設(shè)計(jì)為兩只傳感器連排，其距離尺寸固定，這樣根據(jù)脈沖發(fā)生間隔時(shí)間就可以由軟件計(jì)算出火車接近速度。其測(cè)速原理如圖 34 所示： 圖 33 測(cè)速原理 為了測(cè)速，本系統(tǒng)檢測(cè)車輪通過兩個(gè)傳感器所用的時(shí)間 t，則列車的速度其中 S 為兩傳感器 的間距。利用傳感器 1 的信號(hào)啟動(dòng) 89C51 的計(jì)數(shù)器T0，再用傳感器 2 的信號(hào)停止記數(shù)，則記數(shù)值 X 就對(duì)應(yīng)于時(shí)間 t. t=K x 式中的定時(shí)常數(shù) K=100μs. 觸發(fā)端傳感器安裝方式如圖 34 所示： 圖 34 觸發(fā)傳感器實(shí)物照片 ：復(fù)原端傳感器是指當(dāng)火車到達(dá)道口后系統(tǒng)不再需要繼續(xù)發(fā)淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 出告警信號(hào)，這時(shí)需要該傳感器給系統(tǒng)一個(gè)脈沖信號(hào)告訴系統(tǒng)火車已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到道口了，可以停止告警。所以復(fù)原端傳感器選用一只磁電式傳感器就可以了。其安裝方式如下圖所示： 圖 35 復(fù)位傳感器實(shí)物照片 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論信息的復(fù)合模擬信號(hào)。這樣的信號(hào)必須經(jīng)過必要的處理，將不同的有用信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的開關(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： ① 將復(fù)合信號(hào)中車輪信號(hào)分離并整形為脈沖信號(hào) ② 分離出復(fù)合信號(hào)中包含的故障信息 ③ 對(duì)車輪信號(hào)中的顫動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波 ④ 對(duì)傳感器及線路傳輸?shù)母蓴_信號(hào)進(jìn)行處理 ⑤ 為設(shè)備維護(hù)方便，設(shè)置處理電路自檢裝置以及信號(hào)顯示電路 ⑥ 隔離內(nèi)、外地系統(tǒng)信號(hào)處理電 路包括 4 個(gè)相互獨(dú)立的縱向通道，每個(gè)通道處理 8 路傳感器的信號(hào)，共可處理 32 路信號(hào)傳感器信號(hào)，前兩個(gè)通道的 16 路傳感器的信號(hào)構(gòu)成 int0 中斷，后兩個(gè)通道的 16 路傳感器的信號(hào)構(gòu)成 int1 中斷。每個(gè)信號(hào)通道由信號(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。其中一路的信號(hào)處理電路如圖 36 所示： 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 圖 36 信號(hào)處理電路 信號(hào)輸入級(jí) 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電高電壓竄入。 R1 為限流電阻， D D2 為單向整流限幅二極管，防止輸入過壓，且完成傳感器輸入信號(hào)的尖脈沖波形到方波脈沖的轉(zhuǎn)換。 RP1 為 22kΩ 分壓電阻。圖中 A 點(diǎn)電壓即靜態(tài)輸入電壓 VI 為： 當(dāng)傳感器 CG 斷線時(shí)， VI 變?yōu)? V+為 5V，從而為斷線檢測(cè)打下硬件基礎(chǔ)。在系統(tǒng)工作時(shí)，不斷檢測(cè)所有 4 塊 373 的輸入端，若連續(xù)檢得 10 秒鐘低電平，即為斷線。 信號(hào)整形級(jí) 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)? AB，第 19 管腳接地，使其始終選通。 光電隔離級(jí) 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?shù)臏?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 TLP5214，這是一種完全對(duì)稱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)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淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 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。 鎖存選通級(jí) 由于傳感器的信號(hào)寬度為幾毫秒～一百多毫秒，向 CPU 申請(qǐng)中斷的可能是 32 路傳感器中的任一個(gè)或是幾個(gè)，因此， CPU 接到中斷申請(qǐng)后應(yīng)該查詢究竟是誰(shuí)先發(fā)出的中斷申請(qǐng)。 本系統(tǒng)采用 74HC373（八路數(shù)據(jù)鎖存器）、 74HC30（八輸入與非門）、 74HC02（二輸入四或非門）組成了鎖存電路，并且進(jìn)而通過 74HC123（雙可再觸發(fā)的單穩(wěn)多諧振蕩器）變成寬度為 T 的中斷信號(hào)。由上圖可見，在產(chǎn)生 int0 中斷信號(hào)的同時(shí)，經(jīng)過兩級(jí)門電路的傳輸時(shí)間延遲后，也使 373 鎖存器鎖存。鎖存器的輸出接入數(shù)據(jù)總線， CPU 通過 138 譯碼依次選通各鎖存器，從 P0 口讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，此數(shù)據(jù)就表明了各傳感器的狀態(tài)。 中斷信號(hào)太寬不行，太窄有可能來(lái)不及響應(yīng)。其寬度選取如下： T=RC= 12kΩ4700pf=56μs 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AT89C51 作為系統(tǒng)主電路的核心。利用該芯片設(shè)計(jì)的電路，基層設(shè)備使用單位的技術(shù)人員經(jīng)過短時(shí)間的培訓(xùn)基本都能掌握系統(tǒng)硬件電路的基本工作原理，而且電路上的元件均采用拔插式，這樣的設(shè)計(jì)保證了他們可以自行的處理一些小的故障或在設(shè)計(jì)人員的遠(yuǎn)程指導(dǎo)下更換芯片，保證了系統(tǒng)故障的及時(shí)有效排除，為運(yùn)輸生產(chǎn)提供了有效保障。 AT89C51 性能介紹 AT89C51 是一種低功耗、高性能的 8 位單片機(jī)，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 MCS51 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 MCS51 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 次的寫入 /擦除周期 )； 全靜態(tài)工作 :OHZ24MHZ。 三級(jí)存儲(chǔ)器保密 。 128X8 字節(jié)內(nèi)部 RAM。 32 條可編程 I/0 線 。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 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。 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖 37 所示： 圖 37 單片機(jī)電路 信號(hào)輸入與輸出 信號(hào)輸入包括所有的傳感器狀態(tài)、鍵盤輸入和打印機(jī)應(yīng)答信號(hào)等，都通過 P0口，功能輸出通過 P1，而打印、顯示的輸出數(shù)據(jù)仍然通過 P0 口， P3 用作控制線。P0 口共驅(qū)動(dòng) 9 個(gè)芯片，除 8279 和 6264 其余均為 HC 電路，所以驅(qū)動(dòng)能力可以保證。用 74HC138 對(duì) ～ 進(jìn)行全譯碼，選通不同的芯片，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，選通地址表如表 31 所示： 表 31 74HC138 選通地址表 74HC138 輸出 選通 地址 Y0=0 6264 0~1FFFH Y1=0 8279 2020~3FFFH Y2=0 空閑 Y3=0 信號(hào) 3731 6000~7FFFH Y4=0 信號(hào) 3732 8000~9FFFH Y5=0 信號(hào) 3733 A000~BFFFH Y6=0 信號(hào) 3734 C000~DFFFH Y7=0 看門狗電路 D000~FFFH 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 傳感器信號(hào)的輸入采用 CPU 外中斷 0 和外中斷 1 的方式， CPU 接到中斷申請(qǐng)后依次從 4 片 373 鎖存器中讀入數(shù)據(jù)，以此來(lái)判斷是哪個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)。 鍵盤輸入采用查詢 8279 的方式，而顯示的數(shù)據(jù)由 CPU 一次送給 8279。打印的數(shù)據(jù)采用握手送出方式，若用 UP—40 則快的多。 語(yǔ)音電路的設(shè)計(jì) 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。 PIC16C71 單片機(jī)介紹 PIC16C71 單片機(jī)是 microchip 生產(chǎn)的一種高性能、低價(jià)位、采用 COMS 工藝制造、全靜態(tài)設(shè)計(jì)的一種 8 位單片機(jī)。其內(nèi)含 1K14 程序存儲(chǔ)器、 36 個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 4 路 8 位 A/D、 13 個(gè) I/O 口、有 4 種中斷源。 它的匯編語(yǔ)言精煉，易學(xué)易用的精簡(jiǎn)指令集（ RISC 結(jié)構(gòu)）使用方便、功能強(qiáng)、且有 C 語(yǔ)言和模糊邏輯開發(fā)系統(tǒng)的支持 （ MP—C； FUZZY TECHMP）以及仿真軟件 MPSIM 的支持。與同類單片機(jī)相比，其程序存儲(chǔ)器可節(jié)省一半，指令速度可提高 5 倍左右。其內(nèi)置的看門狗定時(shí)器提高了單片機(jī)的可靠性，同時(shí)，單片機(jī)設(shè)置的保密位，防止了用戶程序代碼的泄露或被人非法拷貝 . 其引腳圖如圖 38 所示： 圖 38 PLC16C71 管腳圖 ISD1420 芯片介紹 ISD1400 系列語(yǔ)音芯片是 ISD（ Information Storage Device）公司生產(chǎn)的。它包括時(shí)鐘振蕩器、 128K 可編程電擦除只讀存儲(chǔ) 器（ EEPROM）、低噪前置放大器、自動(dòng)增益控制電路、抗干擾濾波器、差分功率放大器等電路。 ISD1400 系列語(yǔ)音芯片采用直接存儲(chǔ)模擬信號(hào)，自動(dòng)待機(jī)省電，可編程電擦除只讀存儲(chǔ)和總線技術(shù)，高保真、錄音數(shù)據(jù)永久保存、省電、適用于同單片機(jī)接口。 ISD1420 是 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 ISD1400 系列中語(yǔ)音時(shí)長(zhǎng)為 20S 的語(yǔ)音芯片。 ISD1400 系列語(yǔ)音芯片具有下列特點(diǎn)： （ 1） .采用直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)（ DAST），重顯優(yōu)質(zhì)原音。 （ 2）零功率信息存儲(chǔ)，無(wú)需備用電池，存儲(chǔ)的信息可保留 10 年以上。 （ 3）易于使用，無(wú)需編程， 可隨意改變錄音內(nèi)