火车道口报警系统毕业设计论文(3)

太原科技大学毕业论文（设计）

2.2系统主要组成部分

微机自动报警系统主要由传感器系统、信号处理系统、单片机系统以及系统功能实现模块四部分组成。

? 传感器系统：根据系统需求，数据采集元件选用的是凸出极磁电轨道传感器。此传感

器为永磁体材料，外壳为坚硬铸钢，无源，其磁心的磁能积足够大，火车车轮经过时，通过切割磁力线能够产生强大的脉冲信号，只需要定时打扫金属屑，不需要特别的养护，就能长期工作，符合工作环境对传感器的要求。

? 信号处理系统：信号处理系统将传感器输出的模拟量转换为开关量，并分离出信号中

的故障信号，是系统的重要组成部分。传感器输出的信号包括故障信息和车轮信息的复合模拟信号。这样的信号必须经过信号处理系统成为标准的开关量，才能供数字控制系统使用。信号处理系统还包括信号输入，光电隔离抗干扰，锁存选通等几个部分，保证信号的准确、及时。

? 单片机系统：单片机系统是整个系统的中央处理系统，他通过硬件与软件的结合来控

制各个部分的工作，实现系统的各项功能。这部分是整个系统的灵魂，选择了AT89C51单片机，其使用方便，易于掌握，操作方便，是合适的选择。通过显示器显示列车接近的时间，键盘是人机通讯的工具，通过键盘工作人员可以检查、操作单片机。 ? 功能实现模块：功能实现模块包括3个主要功能：道口交通灯转换控制功能、语音报

警功能和道口栏木升降功能。当车来之前绿灯灭，红灯亮，车走之后红灯灭，绿灯亮。室内语音室用来提醒工作人员列车将要来到，提前做好准备，室外语音则是提醒过往车辆以及行人注意安全。栏木在车来之前就会放下来，车走之后会抬起。

2.3方案选择

火车道口报警系统有许多方案可以选择，每一个方案都有自己的优缺点。在做这个系统时，我参考了许多方案，但最终决定使用以单片机AT89C51为中心，振动传感器MLY—9200为主要组成的单片机系统。 2.3.1系统选择

在我所学的知识里，单片机和PLC都可以做这个系统。

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A. 单片机系统：单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。适用于嵌入式操

作系统，应用广泛。本系统所用的AT89C51单片机价格较低，好操作，易掌握，学习使用都很方便。以AT89C51为主的系统都很稳定，对于火车道口这种突发状况多，天气情况多变的地方很适合。

B. PLC系统：PLC机有许多优点，如可靠性高，抗干扰能力强等，但价格昂贵，对于我

国火车道口数量极多的情况不是很合适，且其输入程序为梯形图，PLC在执行梯形图时，用解释程序将他翻译成汇编语言然后执行，与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行的时间更长。

C. Atmega128L与MC55系统：该系统有单片机Atmega128L和MC55接口电路为主要组

成部分。这部分的内容并没有接触过，而且也比较繁琐，所用的器件较多，这样造成的干扰也会更多。

基于上述情况，最终选择选用单片机系统。 2.3.2传感器的选择

A. 凸出极磁电轨道传感器：此传感器为永磁体材料，外壳为坚硬铸钢，无源，其磁心的

磁能积足够大，火车车轮经过时，通过切割磁力线能够产生强大的脉冲信号，只需要定时打扫金属屑，不需要特别的养护，就能长期工作，符合工作环境对传感器的要求。 B. MLY—9200振动传感器：该传感器可以对1km以内行进中的火车能够检测到，适合铁

轨的中低振动频率范围内，有较低的输出阻抗，较好的信噪比，使用方便，灵活性较好，但可能存在偏差，动态范围有限。

综上选择凸出极磁电轨道传感器作为本系统所用传感器。 2.3.3单片机的选择

在单片机的选择上，并没有太多的选择，那是因为单片机AT89C51、AT89C52以及AT89S51的基本功能都差不多，若是做这个系统的话，基本都可以，只是C52的内存比C51的较大，还多了看门狗和定时器/计数器功能。S51则可以说是C51的升级版在写入方式，电源范围，工作频率等方面都有改进，基于本系统用单片机AT89C51就可以做的很好，所以还是选用了c51为主要器件。

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2.4系统抗干扰设计

2.4.1系统抗干扰性及可靠性设计原则

近几年来，单片机系统对工业自动化、生产过程控制、智能化仪器仪表等领域造成的干扰后果主要表现在以下几个方面： ? 数据采集误差加大 ? 控制状态失灵 ? 数据受干扰发生变化 ? 程序运行失灵

针对这些内部和外部因素的干扰，采取有效的软硬件措施加以解决，是可靠性设计的基本任务。导致系统不能稳定运行的内部因素主要有三个： 1、元器件本身的性能与可靠性。 2、系统的结构设计是否合理。 3、安装与调试。

外部原因是指系统所处工作环境中的外部设备或空间条件导致运行不可靠的因素，主要包括：

1、外部电器条件，如电源电压的稳定性、强电场和磁场的影响； 2、外部空间条件，如温度、湿度、空气清洁度等； 3、外部机械条件，如振动、冲击等； 4、恶劣的自然现象影响，如雷电等。

因此在系统设计中，元器件的选择是根本解决办法，合理的安装调试是基础设置，系统的设计是有效的手段，外部环境是保证。这是本系统在抗干扰性以及可靠性设计方面遵循的基本原则。

2.4.2系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施

干扰形成必须具备三个主要因素，即：干扰源、耦合通道、对于干扰敏感的接受电路，如下图所示：

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图2.2干扰流程示意图

本系统受到的主要干扰来自电网供电，空间电磁波，信号传输通道和雷电。 ? 较恶劣的供电条件及抗干扰措施

由于车站现场运行的各种电器设备众多，特别是感性负载的启停，可使电网电压产生大幅度的涨落（浪涌）和较大幅度的高频振荡电压，而各种大功率开关的通断，电机的启停，又会形成很强的尖峰干扰，极易造成单片机应用系统得误动作、数据丢失甚至死机。 系统针对供电条件的干扰所采取的抗干扰措施主要有：

1. 在电源引入线上加带有屏蔽罩的电源滤波器（低通滤波器），它一方面抑制分布在火

线上的干扰，另一方面也可解决宽频带瞬变状态下的干扰。其设计力图仅允许50HZ交流电通过，对高频干扰电压有较好的衰减作用。

2. 在电源引入线的线间和每线对地间加装430V压敏电阻，可有效抑制较高幅度的振荡

电压和尖峰脉冲。

? 较强的空间电磁波干扰以及抗干扰措施

空间电磁波的干扰无处不在，车站附近可以认为是电磁波重污染区。这里密集了各种无线通信和广播电视信号，内然机车和电力机车上的各种大功率电机电器和车站的各种设备产生的电磁干扰。系统抗电磁干扰的能力又称为电磁兼容性，目前，各种军用、民用电子设备对电磁兼容性的要求越来越高。

电磁兼容性设计主要包括电路设计、接地和屏蔽设计。 电路设计包括带宽控制、去耦、滤波和隔离。

1. 带宽控制主要是选用高抗干扰能力的逻辑芯片。CMOS一般比TTL好，功耗小，所以

优先选用CMOS芯片。尽量选用比较低的时钟频率，本单片机系统选用6MHZ。对输入的开关量要进行限幅、RC滤波、整形。

2. 去耦措施是对共模耦合采取分开回路的设计，对互阻耦合，采取使空间导体彼此远离，

尺寸尽量减小，就近接地和加粗地线。

3. 滤波措施是对进入电路内部的连接电缆，都加滤波环节，以抑制其传导干扰，同时在

内部电路的信号输入部分也加有滤波电容。

4. 隔离措施是用光电耦合器把内部电路与外部接口隔离开，将各单元电路也尽可能隔离

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开。

各信号通道间尽量采用电气隔离、空间隔离的措施，减少干扰传输，减少传输距离，开关通断瞬间产生的尖峰干扰就近采用RC滤波进行吸收。

人们己经研究了许多抑制电源干扰的措施，在实际应用系统中，可以选择适合自己所设计的电源系统的抗干扰手段。 ? 电源变压器的初次级屏蔽。

? 利用初级平衡式绕制法绕制电源变压器。 ? 采用防雷电变压器。 ? 减少电源变压器的泄漏磁通。 ? 采用噪声隔离变压器。 ? 采用电源滤波器。 ? 采用性能好的稳压电源。

通过以上抗干扰措施从而减小外部环境对系统的干扰，提高系统的抗干扰性能。 这章主要是介绍系统整体的设计，以下是对每部分的详细介绍。

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