【導(dǎo)讀】平頂山學(xué)院2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計秦佳

　　

【正文】 一般比 TTL 平頂山學(xué)院 2021屆 本科 生 畢業(yè) 設(shè)計 基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計 秦佳 26 功耗小，且選用比較低的時鐘頻率，所以本單片機優(yōu)先選用 CMOS 芯片，系統(tǒng)時鐘頻率選 用 6MHZ。對輸入的開關(guān)量要進行限幅、 RC濾波、整形。 4)去禍措施。是對共模禍合采取分開回路的設(shè)計，對互阻禍合，采取使空間導(dǎo)體彼此遠離，尺寸盡量減小，就近接地和加粗地線。 5)濾波措施。是對進入電路內(nèi)部的連接電纜，都加濾波環(huán)節(jié)，以抑制其傳導(dǎo)干擾，同時在內(nèi)部電路的信號輸入部分也加有濾波電容。 6)隔離措施。是用光電禍合器把內(nèi)部電路與外部接口隔離開，將各單元電路也盡可能隔離開。 7)本系統(tǒng)中，由于鐵軌上的傳感器到道口房內(nèi)的主機往往距離 1一 2公里，這樣，信號不可避免的要進行長距離的傳輸，信號在傳輸?shù)倪^程中很容易 受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號發(fā)生畸變或失真 。因此為了確保長線傳輸?shù)目煽啃?，采用?TLp521 一 4四路光電禍合器將電路的電氣連接斷開，切斷可能形成的環(huán)路，使它們相互獨立，提高系統(tǒng)的抗干擾性能。 各信號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濾波進行吸收。 人們己經(jīng)研究了許多抑制電源干擾的措施，在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，可以選擇適合自己所設(shè)計的電源系統(tǒng)的抗干擾手段。 ① 電源變壓器的初次級屏蔽。 ② 利用初級平衡式繞制法繞制電源變壓器。 ③ 采用防雷電變壓器。 ④ 減少電源變 壓器的泄漏磁通。 ⑤ 采用噪聲隔離變壓器。 ⑥ 采用電源濾波器。 ⑦采用性能好的穩(wěn)壓電源。 為防止感應(yīng)雷的侵害，本系統(tǒng)從電源進線以及信號輸入輸出端，裝設(shè)了各種保護設(shè)備和器件。在雷雨天，運行在鐵路線上的列車極易遭受雷擊，從而將雷電引到線路和其他的鐵路設(shè)備上。本系統(tǒng)可能遭受雷擊的途徑主要有兩條 :一是安裝在鐵軌上的傳感器 。二是安裝在道口房內(nèi)的單片機系統(tǒng)設(shè)備。本系統(tǒng)中由于選用的是凸出極磁電式軌道傳感器，其內(nèi)核為永磁體，外殼為鋼制，并且其安裝方式為直接鑲嵌在鐵軌的軌腰上，同鐵軌連為一體。因此，當鐵軌遭受雷擊的時候，雷電所產(chǎn)生 的高電壓、 平頂山學(xué)院 2021屆 本科 生 畢業(yè) 設(shè)計 基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計 秦佳 27 大電流必然要通過系統(tǒng)的傳感設(shè)備沿信號電纜進入系統(tǒng)，從而對系統(tǒng)的正常工作造成干擾。 本系統(tǒng)在防雷設(shè)計中除了在單片機電路設(shè)計時設(shè)計了光電耦合隔離部分以外，在傳感器信號引出端采用了氧化鋅壓敏電阻來防雷。氧化鋅壓敏電阻是一種過電壓保護用的半導(dǎo)體器件，又稱非線性電阻。它是由微小氧化鋅晶粒為主體，攙雜了少量更為微小的氧化秘、氧化鋅、氧化鉆、氧化錳等多種金屬氧化物粉末在高溫下燒結(jié)而成。氧化鋅是 N型半導(dǎo)體，電阻率較低，約為 1~10Q cIn，氧化鋅晶粒周圍是由氧化鏈等組成的晶界層，是 P 型半導(dǎo)體，其電阻率可高達 1013/cm。氧化鋅壓敏電阻在正常的工作電壓下，其晶界層呈高電阻狀態(tài)，只能有微安數(shù)量級的很小泄露電流。 若出現(xiàn)浪涌過電壓時，其晶界層立即轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，通過壓敏電阻的電流急劇增大，將浪涌過電壓的能量轉(zhuǎn)化為電阻體的熱能。也就是說，浪涌過電壓以放電電流的形式被壓敏電阻所吸收，浪涌過電壓受到抑制，從而對電路中的設(shè)備或器件起到過電壓保護的作用。當浪涌過電壓通過后，電路電壓恢復(fù)正常，壓敏電阻很快又恢復(fù)為高電阻狀態(tài)，線路正常運行。 選用氧化鋅壓敏電阻，亦是考慮其具有非線性系數(shù)大，常態(tài)泄露電流小，功耗低，時間響應(yīng)快，伏安 特性對稱，殘壓低，放電后無續(xù)流，體積小，可靠性高，價格經(jīng)濟，更換安裝比較方便等特點 [15]。本系統(tǒng)針對傳感器引出線部分防雷設(shè)計如圖 41所示。 另外，本系統(tǒng)對道口房內(nèi)的微機設(shè)備的防雷亦綜合運用了分流 (泄流 )、均壓、屏蔽、接地等各項技術(shù)，構(gòu)成了一個比較完整的防護體系。具體的來講 :分流 (泄流 )指的是對于可能的直擊雷，用接閃器經(jīng)引下線和接地裝置，將雷電流散流入地，從而使其不經(jīng)過被保護的設(shè)備和部件 。同時要保證雷電經(jīng)過的部分電阻要足夠的低，散流要好，以降低電位，避免引起對被保護物的反擊。均壓是指同一部位的不同的電纜外 皮、設(shè)備外殼、金屬架構(gòu) (構(gòu)件 )等進行電氣搭接，以均衡電位。屏蔽則是采用屏蔽電纜和人工的屏蔽箱盒來阻擋和衰減施加在單片機系統(tǒng)上的電磁干擾和過電壓能量。接地是指將所有金屬架構(gòu) (構(gòu)件 )、管道、電纜金屬屏蔽層、穿線鐵管連在一起，與接地設(shè)備就近接地。 本單片機系統(tǒng)不僅在硬件抗干擾方面采取了很多措施，而且在軟件編制上也盡可能采取強有力的抗干擾措施。 平頂山學(xué)院 2021屆 本科 生 畢業(yè) 設(shè)計 基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計 秦佳 28 圖 41 防雷設(shè)計 l)延時重復(fù)讀取，即數(shù)字濾波除了硬件抗干擾電路外，軟件采樣時，讓脈沖信號延時讀取，可去掉傳感器脈沖信號傳入時疊加的干擾脈沖， 且規(guī)定只有重復(fù)讀取 8次相同值時，才認為信號讀入值有效。該程序設(shè)計的流程如圖 42所示。 2)軟件陷阱 為保證數(shù)據(jù)的準確，系統(tǒng)工作絕對可靠，程序運行正確，從現(xiàn)場實際需要出發(fā)，程序恢復(fù)運行后，不做是否需要初始化的判斷，而是統(tǒng)統(tǒng)引導(dǎo)到重新初始化，從而提高系統(tǒng)的安全可靠性。這是由所謂的“軟件陷阱”完成的。即在 MCS 一 51 系列單片機程序的功能模塊中及模塊間的合適地方， EPROM 或 ROM 中未安裝程序的區(qū)域，全都填滿指令 UMP0202H(機器碼為 02H， OZH， 02H)，其下一句指令為 LIMPSTART。這樣，萬一程 序走飛，程序指針 PC 失控時，很快就會落入“軟件陷阱”， 16 位地址 0202H被放進 PC，該長跳轉(zhuǎn)指令就會引導(dǎo)程序重新初始化。 3)自動復(fù)位電路，也稱看門狗 基于以上措施，考慮到強干擾的特殊情況下，程序也可能走飛后，在進入陷阱之前就進入死循環(huán)狀態(tài)，造成系統(tǒng)癱瘓。解決辦法是設(shè)計出自動復(fù)位電路，處理這一特殊問題。電路選用 14 級二進制計數(shù)器 4060 芯片，接成 RC 振蕩器，振蕩頻率 f計算 平頂山學(xué)院 2021屆 本科 生 畢業(yè) 設(shè)計 基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計 秦佳 29 圖 42 軟件抗干擾流程 如下 :f 二 1瓜 C。經(jīng) 14 級分頻后輸出信號，當 CPU 程序在每個工作循環(huán)中不能定時清掉計數(shù)器的計數(shù)，則 4060 芯片輸出的計數(shù)器計滿溢出信號將使 CPU 復(fù)位。其電路圖如圖 43所示。 4)指令冗余技術(shù) 基于干擾有可能引起程序計數(shù)器 PC 的改變，可通過在重要指令 (比如 :RET、 RETI、ACALL、 LCALL、 UMp、 JZ、 JNZ、 JC、 JNC 等等 )和某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)有重要作用的指令 (比如 :SETB、 EA等 )的后面，重復(fù)寫這些指令，以確保這些指令的正確執(zhí)行。同時可在雙字節(jié)和 3字節(jié)指令之后插入兩個單字節(jié) NOP指令，可保證其后的指令不被拆散。另外對重要的指令之前插入兩 個單字節(jié) NOP 指令，可保證亂飛的程序迅速納入軌道，確保這些指令正確執(zhí)行。 事實上，系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，貫穿于從總體方案到具體電路設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，也體現(xiàn)在從硬件到軟件設(shè)計的每一方面。負責任的設(shè)計者，在大到方案思路，小到每 計數(shù)清零 前次值寄存器置初值 讀入本次值 與前次值相同嗎？ 計數(shù)器加 1等于 8嗎？ 讀入數(shù)有效 N Y N Y 平頂山學(xué)院 2021屆 本科 生 畢業(yè) 設(shè)計 基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計 秦佳 30 圖 43 復(fù)位電路 一細節(jié)的整個設(shè)計工作中，每時每刻都會想到怎樣才能保證和提高系統(tǒng)的可靠性。各種抗干擾措施以及前文所列的許多設(shè)計思想其實也與提高系統(tǒng)可靠性密不可分。所以可靠性設(shè)計思想無處不在，此處僅將部分體會較深的設(shè)計原則和思路歸納如下： 盡量減少元器件的數(shù)量： 由可靠性理論可知，系統(tǒng)總失效率等于所有構(gòu)成系統(tǒng)的元器件失效率之和。所以減少元器件就是提高了系統(tǒng)的可靠性。 合理選用失效率低的元器件：例如阻容元件失效率遠小于晶體管，所以盡量優(yōu)先選用阻容元件。 適當降額使用元器件：當降額使用元器件時，其失效率減小，故可靠性提高。 使用正常壽命區(qū)的元器件：通過老化和篩選，使元器件處于正常壽命區(qū)，盡量做到優(yōu)中選優(yōu)。 部件和系統(tǒng)試運行：投入正式使用前，部件和系統(tǒng)進行必要的考機，使之處于“正常壽命區(qū)”。 嚴格電子線路板布板設(shè)計工藝，力求元器件布局走線合理，集成度高 。 總之 ,系統(tǒng)在采取了以上措施后 ,經(jīng)過實際的試驗和應(yīng)用 ,取得了較好的效果，達到了設(shè)計要求。 平頂山學(xué)院 2021屆 本科 生 畢業(yè) 設(shè)計 基于單片機的鐵路道口報警系統(tǒng)的設(shè)計 秦佳 31 5 結(jié)束語 本課題對鐵路站內(nèi)道口自動報警系統(tǒng)進行了研究與設(shè)計，針對目前道口報警主要靠電話通知和人工瞭望的狀態(tài)，設(shè)計了可以實時采集來車信息并通知道口值守人員及過往行人的報警系統(tǒng)，并最終達到了預(yù)期的設(shè)計目標，主要工作有： 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)計出了來車信息采集及測速的方法，為系統(tǒng)功能的準確性、實時性打下了基礎(chǔ)。 設(shè)計了單片機系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以準確處理傳感器采集的信息并產(chǎn)生聲光、語音報警信 息，達成了最終的報警功能。 此外，在這里提出對該系統(tǒng)改進的一些觀點： 將該系統(tǒng)與道口電動攔木相聯(lián)接，使來車報警與道口封閉相統(tǒng)一。 將系統(tǒng)與道口視頻監(jiān)控相聯(lián)接，使視頻監(jiān)控有的放矢，及時將道口過車情景存儲下來，為日后調(diào)查研究提供可靠資料。 參考文獻 1 李剛民，曹巧媛，曹琳琳等 .單片機原理及實用技術(shù) .北京 :高等教育出版社， 2021:1~5 2 劉華東 .單片機原理及應(yīng)用 .北京 :電子工業(yè)出版社， 2021:1~10 3 黃仁新 .單片機原理及應(yīng)用技術(shù) .北京 :新世界出版社， 2021:22~28 4 李顯軍 .道口報 警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) .北京 :鐵路技術(shù)創(chuàng)新， 2021:5~6 5 李玲桂 .國外平交道口的安全措施 .北京 :鐵道知識， 2021:22~23 6 王夢深 .站內(nèi)道口微機自動通知系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) .北京 :鐵道運輸與經(jīng)濟 1997:30~32 7 謝子青 .光電隔離抗干擾技術(shù)及應(yīng)用 .西安 :現(xiàn)代電子技術(shù) 2021:33~ 34 8 黃曙，梁慧冰，張忠波 .微型打印機打印程序設(shè)計 .沈陽 :控制工程， 2021:169~ 171 9 牛軍，張戈 .單片機系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù) .西安 :現(xiàn)代電子技術(shù)， 2021:46~49 10 徐慧君，李亞芬 .單片機的 抗干擾技術(shù) .北京 :電子產(chǎn)品世界， 2021:46~48 11 王幸之，王雷等 .單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù) .北京 :北京航空航天大學(xué)出版社， 2021:26~28 12 千濤 .微電子設(shè)備的防雷及過電壓保護 .西安 :電磁避雷器， 2021:27~29 13 虞昊等 .現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ) .北京 :清華大學(xué)出版社， 1995:12~13 14 李永毅，邱傳睿 .鐵路信號設(shè)備的雷電綜合防護體系 .北京 :鐵路通信信號 ,2021: 12~13 15 楊華舒，褚福濤 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