【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 統(tǒng)所用的 AT89C51 單片機(jī)價(jià)格較低 ， 好操作 ， 易掌握 ， 學(xué)習(xí)使用都很方便。以 AT89C51 為主的系統(tǒng)都很穩(wěn)定 ， 對(duì)于火車道口這種突發(fā)狀況多 ， 天氣情況多變的地方很適合。 B. PLC 系統(tǒng) ： PLC 機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn) ， 如可靠性高 ， 抗干擾能力強(qiáng)等 ， 但價(jià)格昂貴 ， 對(duì)于我國(guó)火車道口數(shù)量極多的情況不是很合適 ， 且其輸入程序?yàn)樘菪螆D ， PLC 在執(zhí)行梯形圖時(shí) ， 用解釋程序?qū)⑺g成匯編語言然后執(zhí)行 ， 與 直接執(zhí)行匯編語言編寫的用戶程序相比 ， 執(zhí)行的時(shí)間更長(zhǎng)。 C. Atmega128L 與 MC55 系統(tǒng) ： 該系統(tǒng)有單片機(jī) Atmega128L 和 MC55 接口電路為主要組成部分。這部分的內(nèi)容并沒有接觸過 ， 而且也比較繁瑣 ， 所用的器件較多 ， 這樣造成的干擾也會(huì)更多。 基于上述情況 ， 最終選擇選用單片機(jī)系統(tǒng)。 傳感器的選擇 A. 凸出極磁電軌道傳感器 ： 此傳感器為永磁體材料 ， 外殼為堅(jiān)硬鑄鋼 ， 無源 ， 其磁心的磁能積足夠大 ， 火車車輪經(jīng)過時(shí) ， 通過切割磁力線能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖信號(hào) ， 只需要定時(shí)打掃金屬屑 ， 不需要特別的養(yǎng)護(hù) ， 就能長(zhǎng)期工作 ， 符 合工作環(huán)境對(duì)傳感器的要求。 B. MLY—9200 振動(dòng)傳感器 ： 該傳感器可以對(duì) 1km以內(nèi)行進(jìn)中的火車能夠檢測(cè)到 ， 適合鐵軌的中低振動(dòng)頻率范圍內(nèi) ， 有較低的輸出阻抗 ， 較好的信噪比 ， 使用方便 ， 靈活性較好 ， 但可能存在偏差 ， 動(dòng)態(tài)范圍有限。 綜上選擇凸出極磁電軌道傳感器作為本系統(tǒng)所用傳感器。 單片機(jī)的選擇 在單片機(jī)的選擇上 ， 并沒有太多的選擇 ， 那 是因?yàn)?單片機(jī) AT89C5 AT89C52 以及AT89S51 的基本功能都差不多 ， 若是做這個(gè)系統(tǒng)的話 ， 基本都可以 ， 只是 C52 的內(nèi)存比C51 的較大 ， 還多了看門狗和定時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器功能。 S51 則可以說是 C51 的升級(jí)版在寫入方式 ， 電源范圍 ， 工作頻率等方面都有改進(jìn) ， 基于本系統(tǒng)用單片機(jī) AT89C51 就可以做的很好 ，所以還是選用了 c51 為主要器件。 太原科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì) 系統(tǒng)抗干擾性及可靠性設(shè)計(jì)原則 近幾年來 ， 單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)自動(dòng)化 、 生產(chǎn)過程控制 、 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 ： ? 數(shù)據(jù)采集誤差加大 ? 控制狀態(tài)失靈 ? 數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生變化 ? 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) ： 元器件本身的性能與可靠性。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。 安裝與調(diào)試。 外部原因是指系統(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 ： 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 ； 外部空間條件 ， 如溫度 、 濕度 、 空氣清潔度等 ； 外部機(jī)械條件 ， 如振動(dòng) 、 沖擊等 ； 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解決辦法 ， 合理的安裝調(diào)試是基礎(chǔ)設(shè)置 ， 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效的手段 ， 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。 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 ，如下圖所示 ： 太原科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 圖 干擾流程示意圖 本系統(tǒng)受到的主要干擾來自電網(wǎng)供電 ， 空間電磁波 ， 信號(hào)傳輸通道和雷電。 ? 較惡劣的供電條件及抗干擾措施 由于車站現(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 ， 對(duì)高頻干擾電壓有較好的衰減作用。 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。 ? 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處不在 ， 車站附近可以認(rèn)為是電磁波重污染區(qū)。這里密 集了各種無線通信和廣播電視信號(hào) ， 內(nèi)然機(jī)車和電力機(jī)車上的各種大功率電機(jī)電器和車站的各種設(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。 1. 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 ， 所以優(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)輸入的開關(guān)量要進(jìn)行限幅 、 RC 濾波 、 整形。 2. 去耦措施是對(duì)共模耦合采取 分開回路的設(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。 3. 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。 4. 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 ， 將各單元電路也盡可能隔離太原科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 開。 各信號(hào)通道間盡量采用電氣隔離 、 空間隔離的措施 ， 減少干擾傳輸 ， 減少傳輸距離 ，開關(guān)通斷瞬間產(chǎn)生的尖峰干擾就近采用 RC 濾波進(jìn)行吸收。 人們己經(jīng)研究了許多抑制電源干擾的措施 ， 在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中 ， 可以選擇適合自己所設(shè)計(jì)的電源系 統(tǒng)的抗干擾手段。 ? 電源變壓器的初次級(jí)屏蔽。 ? 利用初級(jí)平衡式繞制法繞制電源變壓器。 ? 采用防雷電變壓器。 ? 減少電源變壓器的泄漏磁通。 ? 采用噪聲隔離變壓器。 ? 采用電源濾波器。 ? 采用性能好的穩(wěn)壓電源。 通過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。 這章主要是介紹系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì) ， 以下是對(duì)每部分的詳細(xì)介紹。 太原科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 傳感器的選用 傳感器的選擇 本系統(tǒng)選擇凸出極磁電式軌道傳感器。 因 為本系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求十分苛刻 ， 由于工作位置靠近站臺(tái)和道 路 ， 夏天有雨水浸泡 ， 冬天遭冰雪覆蓋 ， 還有沙土垃圾掩埋 ， 人為破壞等原因 ， 站內(nèi)道口傳感器的工作條件比區(qū)間道口惡劣的多。所以對(duì)傳感器有測(cè)試范圍寬并盡可能無源 ； 堅(jiān)固耐用無維修或極少維修 ； 較高的靈敏度和輸出范圍等要求。 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 ， 磁極為凸出極結(jié)構(gòu) ， 中央設(shè)凸出極鐵芯 ， 引出端子為密封結(jié)構(gòu)裝置 ， 外殼為優(yōu)質(zhì)鑄鋼制造 ， 無源 ， 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)。其效果是５公里／小時(shí)低速或 “蛇形運(yùn)動(dòng) ”時(shí)不丟軸 ， 防雷性能 好 ， 靈敏度高 ， 雨雪天能可靠輸出信號(hào) ， 可以滿足標(biāo)準(zhǔn)工作間隙的調(diào)整要求 ， 能適用于各種不同的鋼軌類型 ，較理想地適應(yīng)鐵路信號(hào)自動(dòng)控制裝置的配套需要。可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作 ， 而且除了定期清掃鐵屑外 ， 無需維修 ， 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 ： dtdNE ??? 將感生出電信號(hào) ， 且磁通變化率決定感應(yīng) 電信號(hào)的幅值。 1. 相關(guān)技術(shù)特性 ： ? 感生信號(hào)電壓 (E)與工作間隙 H 呈指數(shù)變化關(guān)系。即工作間隙 H 減小 ， 感應(yīng) 信號(hào)電壓 (E)呈 指數(shù)上升 ； 工作間隙 H 增大 ， 感應(yīng) 信號(hào)電壓 (E)呈指數(shù)下降。 ? 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 應(yīng) 信號(hào)電壓 (E)與車輪通過傳感器的速度 (V)呈線性關(guān)系。 ? 傳感器信號(hào)敏感度測(cè)試 ： 太原科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 對(duì)傳感器進(jìn)行模擬車輪實(shí)驗(yàn) ， 研究其脈沖強(qiáng)度與車輪運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系 ， 可以證明該型傳感器能產(chǎn)生足夠的脈沖信號(hào)發(fā)回主機(jī)。 傳感器的安裝及使用 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。 為了能用單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)算出火車的速度 ， 在觸發(fā)端設(shè)計(jì)兩只傳感器并排連接 ， 兩只傳感器的距離固定 (本系統(tǒng)設(shè)兩只傳感器之間的距離為 S)， 這樣可以依據(jù)脈沖發(fā)生間隔時(shí)間通過單片機(jī)系統(tǒng)編制的軟件算出火車的行駛速度。其測(cè)速原理如圖 所示。 為使測(cè)算的速度準(zhǔn)確 ， 本系統(tǒng)設(shè)檢測(cè)車輪通過兩個(gè)傳感器所用 的時(shí)間為 T， 火車 圖 測(cè)速原理 的行駛速度為 V， 則 V=ST。定時(shí)常數(shù) K=100s 時(shí) ， 利用傳感器 I 的信號(hào)啟動(dòng) 89C51 的計(jì)數(shù)器 T0， 同時(shí)利用傳感器 II 的信號(hào)關(guān)閉計(jì)數(shù)器 T0 記數(shù) ， 當(dāng)計(jì)數(shù)值為 x 時(shí) ， 則對(duì)應(yīng)的時(shí)間 T為 ： KxT? 。 飛輪 V S 鋼軌 道口 H H 計(jì)數(shù)器 0T 傳感器Ⅰ 傳感器Ⅱ 停止計(jì)數(shù) 開始計(jì)數(shù) 太原科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 當(dāng)火車到達(dá)道口后系統(tǒng)不再需要繼續(xù)發(fā)出預(yù)警信號(hào) ， 為此 ， 設(shè)置復(fù)原端傳感器 ， 只需給系統(tǒng)一個(gè)脈沖信號(hào)告知 ， 火車已經(jīng)到達(dá)道口 ， 馬上停止告警。所以 ， 復(fù)原端傳感器 采用一只磁電式傳感器就可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 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 輪 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 ； 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。圖 是其中一路傳感器輸出信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)圖 ： 圖 信號(hào)處理電路 太原科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 如圖 ，傳感器 CG1 采集列車通過信號(hào)，輸出脈沖信號(hào)， YM1 是壓敏電阻，其電阻值隨著電壓的改變而改變，是為了保護(hù)傳感器受到過電 壓的損傷。 R1 是限流電阻， Rp1 是分壓電阻， C1 是濾波電容，兩個(gè)二極管也是為了防止過電壓，這些都是為了保護(hù)電路及元件的。脈沖信號(hào)通過 74HC245 后 放大 信號(hào)功率 。 TLP5214 是光電耦合器，是為了減少電壓干擾，脈沖信號(hào)通過光電耦合器后分成兩路，一路 輸入與非門 74HC30，四片 74HC30輸出的信號(hào)再輸入或非門 74HC02，一路輸入數(shù)據(jù)鎖存器 74HC373，而后他們輸出的兩路信號(hào)再進(jìn)入 74HC123，最后輸出完整的脈沖信號(hào)。 器件簡(jiǎn)介 ? TLP5214 是可控制的光耦合器件 ， 電路之間的信號(hào)輸出 ， 使之 前端與負(fù)載完全隔離 ，目的在于安全性 ， 減小電壓的干擾 ， 減化電路的設(shè)計(jì)。 ? 74HC245 總線收發(fā)器 ， 典型的 CMOS 型三態(tài)緩沖門電路。 用于信號(hào)功率放大。 ? 74HC373D 是 8 位的高速數(shù)據(jù)鎖存器 ， COMS 材料的 ， 常用作單片機(jī) ISP 下載器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)鎖存緩沖。工作電壓在 到 5V 之間。 ? 74HC30 是 8 輸入單與非門。 ? 74HC02 是 二輸入四或非門 ? 74HC123 是雙路可再觸發(fā)單穩(wěn)多諧振蕩器 ， 可通過多達(dá) 3 種方式實(shí)現(xiàn)輸出脈寬控制。74HC123 的 nA 和 nB 輸入帶施密