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1、 TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE rail transportation industry is developing rapidly, with increasing demand for train speed. In the case of train running in high speed, railway level crossings become key points and difficulties on the safety transportation issues of railway in China. These crossings b
2、ring peoples life a lot of inconvenience, even sometimes with dangerous accidents. The topic for the current situation of our country railway level crossing develops a level crossing to vehicle automatic alarm system by single-chip microcomputer technology, adopted high reliability 89C51 as a contro
3、l chip, using and processing information of wheels collected back by track sensor to notify crossing officers on duty and passers-by of the future vehicle information accurately, to provide reliable protection for the safety of high-speed operation of the train, with traffic lamp warning and bar woo
4、den partition ,to greatly reduce the accident hidden danger. In the light of the systems working environment and particularities of the working, during the hardware designing process, highlights the systems reliability and the robustness of the devices, on the development of the software has also ta
5、ken strong anti-jamming measures. The design and research of this system can provide information about the coming vehicle timely and accurate for crossing officers on duty, even in adverse weather conditions there will not be much affected. Therefore, this system is of great social significance and
6、promotional value. Key words：Transportation Safety, Rail-way Level Crossing, Single-chip 太原科技大学毕业论文（设计） - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 问题的提出 铁路是我们国家很重要的基础交通设施、国民经济的基础、交通运输体系的重要组成 部分，对于国家社会经济的正常运行具有很重要的作用。铁路运输具有运输能力较大、 能够承担大量客货运送的任务、速度较快、受气候条件的限制相对较小、并可全天候运 营、且运输成本低等优点。因此，我国一直在大力发展铁路行业的建设。 火车平交道口是铁路和公路的平面交叉点，随着铁
7、路行车速度、密度的不断提增和 公路车辆的急速扩增，平交道口的安全问题，变的相当突出。在我国有很多的铁路无人 看守道口存在，使得道口安全问题总是存在于人们的视野中。就在我的学校附近就有一 个火车道口，对我们的出行很不方便。 为了改善铁路平交道口尤其是站内道口的安全情况，很有必要设计一种具有高可靠 性能的道口报警设备，在列车接近道口前告警。 本课题就是针对我国铁路平交道口的现 状，利用单片机技术开发平交道口来车自动报警系统。采用智能报警系统具有报警准确， 性能价格比高，全天侯，不怕环境恶劣，安装方便等特点，能极大减少该类道口交通事 故。利用轨道传感器采集回来的车轮信息，准确地将来车信息通知道口值守
8、人员及过往 行人，大大减少事故发生，为列车的安全高速运行提供可靠的保障。 1.2 国内外研究现状 现在我国站内道口来车管理大多还是处于靠电话通知和道口工眺望的状态，遇到天 气状况不好，或是电话线路不畅的时候，就存在了事故的隐患。铁道部对此尚无在全国 推广的定型产品，均为各铁路局自己开发的设备，而且利用率也不是太高。因此，增强 铁路道口防护系统功能是十分必要的。 而在欧洲，铁路网发达，道口密度大，事故风险也高。英国的安全工作做的比较好， 近年来其道口事故发生率和每个道口平均死亡人数均比其他国家低。其原因不仅是政府 强行控制道口违章行为和加强平交道口安全教育，更主要是研制出一种新型的平交道口 预测
9、器。在两边轨道的端点处各装了一个无源转辙器，当列车经过时，轨道电路的阻抗 太原科技大学毕业论文（设计） - 2 - 和电压会线性改变，回馈列车接近道口的位置并计算列车的速度，确定列车经过道口的 时间，从而报警。因为道口多需值班人员操纵，人员运营费用很大，正在提议把道口信 号设备与电子联锁设备实现一体化。以上介绍的铁路轨道电路等，在欧洲与中国的现实 看有许多不同的地方，且价格十分昂贵，所以，不能直接将其移用至我国。在我国铁路 整体提速的情况下，为了防止悲剧的发生，我国正在努力提高道口设备科技含量及监控 信息化水平，保障道口行车安全。所以，开发实用的站内道口自动报警设备是铁道部当 务之急。 1.3
10、 研究的目的和意义 铁路道口安全工作的好坏，直接关系到人民生命财产的安全，并是推动和促进铁路跨 越式发展目标能否顺利实现的一个重要方面。道口自动报警系统提高了道口来车报警的 可靠性和准确性，可以有效的降低误报、错报事件的出现几率，从而有效的避免道口交 通事故的发生。而且国外的产品也不适用于我国的铁路状况。所以，立足我国铁路现状， 开发实用的站内道口自动报警设备仍是当务之急。 1.4 设计任务和要求 系统总体采用 AT89C51 单片机为平交道口自动报警系统的核心，用安装在钢轨内侧 的车轮传感器组成检测点，感应到的车轮信息通过标准信号电缆传送到道口房的主机内， 根据多项数据得出列车是否通过道口。
11、由单片机控制道口交通灯的转换和语音报警功能 的开关，并控制道口栏木升降从而达到自动检测、报警通知和提升道口整体安全状况的 目的。 本系统列车接近报警系统的主要功能： （1）自检功能：开机后进入自检，对各项设备（传感器、显示器等）进行检测，看其是 否正常工作。自检的关键部位是传感器，因为最易发生的故障是传感器的损坏、断线和 丢失。 （2）列车接近道口语音报警功能：当列车接近道口时，道口房内有蜂鸣器报警，以提示 道口工注意;室外语音喇叭也用语音信号提示行人注意，不要在此时穿越道口。 （3）交通灯切换功能：当列车接近道口，传感器采集到列车接近信息，系统立即控制交 通灯的红色信号灯亮，绿色信号暗，以提
12、示行人、车辆禁止通过。 太原科技大学毕业论文（设计） - 3 - （4）道口栏木升降功能：当列车将要通过时，栏木放下，防止行人及车辆通过。列车通 过后，栏木升起。 （5）系统复原功能：当列车通过道口后，设备复原，声光报警停止，显示器恢复显示时 间。设计时，要保证设备在无列车接近时处于待机状态，列车接近则自动唤醒，最大限 度地提高电源效率。 （6）数字钟功能系统：自检结束后立即自动进入工作状态，此时时钟要显示或输入准确 的时间，因为列车接近道口、通过道口和道口工确认时间均以此时钟为准。 （7）人机对话和双向通信功能：通过键盘命令可实现人机对话，单键操作简单易学、操 作灵活、可靠性高，利用 PC
13、键盘接口实现与外设的双向通信，尽可能少占用主机硬件资 源。 太原科技大学毕业论文（设计） - 4 - 第 2 章 微机自动报警系统概述 2.1 系统组成部分及工作原理 火车在进行时，凸出极磁电轨道传感器将车轮切割磁感线输出的脉冲信号，通过信 号处理电路，将整齐的脉冲信号转换为火车与道口的距离，将该距离可以进行实时显示。 当无火车接近时，显示正常通过，一旦传感器检测到有火车到来时单片机电路就会发出 声、光报警，警示即将通过道口的车辆以及人员。确保通过人员的安全，并减少由此带 来的巨大的财产损失。 整个系统的原理图如图 2.1 所示。 微机自动报警系统的指标如下： 用声、光警示即将通过道口的车辆以
14、及人员； 具有较好的电磁兼容性； 适应各种天气； 适于电气以及非电气化的各道口（备蓄电瓶，自动充电） ； 安装，维护方便，成本低。 传感器 信号处理电路 单片机电路 显示器 键盘 输出接口与功能扩展 列车接近方向显示 室 内 语 音 报 警 室 外 语 音 报 警 栏 木 升 降 交通灯转换 图 2.1 系统组成框图 太原科技大学毕业论文（设计） - 5 - 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
15、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
16、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
17、，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 MLY9200 为主要组成的单片机系统。 太原科技大学毕业论文（设计） - 6 - 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。 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
18、，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
19、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.MLY9200 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
20、器/计数器功能。S51 则可以说是 C51 的升级版在写入 太原科技大学毕业论文（设计） - 7 - 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。 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
21、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，
22、即：干扰源、耦合通道、对于干扰敏感的接受电 路，如下图所示： 太原科技大学毕业论文（设计） - 8 - 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
23、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
24、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。 太原科技大学毕业论文（设计） - 9 - 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
25、能隔离 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。 太原科技大学毕业论文（设计） - 10
26、- 第 3 章 系统硬件设计 3.1 传感器的选用 3.1.1 传感器的选择 本系统选择凸出极磁电式轨道传感器。 因为本系统对传感器的要求十分苛刻，由于工作位置靠近站台和道路，夏天有雨水 浸泡，冬天遭冰雪覆盖，还有沙土垃圾掩埋，人为破坏等原因，站内道口传感器的工作 条件比区间道口恶劣的多。所以对传感器有测试范围宽并尽可能无源；坚固耐用无维修 或极少维修；较高的灵敏度和输出范围等要求。 经过综合比较，本课题最终决定选择凸出极磁电式轨道传感器。该类传感器为永磁 体材料，磁极为凸出极结构，中央设凸出极铁芯，引出端子为密封结构装置，外壳为优 质铸钢制造，无源，其磁心的磁能积足够大，火车车轮通过时切割磁
27、力线可以产生足够 高的脉冲信号。其效果是公里小时低速或“蛇形运动”时不丢轴，防雷性能好，灵敏度 高，雨雪天能可靠输出信号，可以满足标准工作间隙的调整要求，能适用于各种不同的 钢轨类型，较理想地适应铁路信号自动控制装置的配套需要。可以长期稳定的工作，而 且除了定期清扫铁屑外，无需维修，能够适应现场恶劣的工作环境。 其工作原理为： 根据法拉第电磁感应定律： dt d NE 将感生出电信号，且磁通变化率决定感应电信号的幅值。 1.相关技术特性： 感生信号电压(E)与工作间隙 H 呈指数变化关系。即工作间隙 H 减小，感应信号 电压(E)呈指数上升；工作间隙 H 增大，感应信号电压(E)呈指数下降。
28、工作间隙(钢轨顶部平面与传感器工作面间的垂直距离)一定的条件下，感应信号 电压(E)与车轮通过传感器的速度(V)呈线性关系。 传感器信号敏感度测试： 太原科技大学毕业论文（设计） - 11 - 对传感器进行模拟车轮实验，研究其脉冲强度与车轮运动速度的关系，可以证明 该型传感器能产生足够的脉冲信号发回主机。 3.1.2 传感器的安装及使用 传感器的安装要考虑以下因素： 机车轮沿高度为 28 毫米，车辆轮沿高度为 25 毫米； 车辆踏面最大允许限度为 9 毫米，到此限的车轮踏面不允许继续使用。所以为了 确保传感器安装不侵入限界，即保证安全使用又使传感器的信息源尽可能地提高其效能， 系统设计时确定传
29、感器面到铁轨面的高度为 37 毫米，在无机车行走的线路，只溜放车辆 的条件下，此高度可以调整到 34 毫米。 为了能用单片机系统计算出火车的速度，在触发端设计两只传感器并排连接，两只 传感器的距离固定(本系统设两只传感器之间的距离为 S)，这样可以依据脉冲发生间隔时 间通过单片机系统编制的软件算出火车的行驶速度。其测速原理如图 3.2 所示。 为使测算的速度准确，本系统设检测车轮通过两个传感器所用的时间为 T，火车 飞轮 V S 钢轨 道口 HH 计数器0T 传 感 器 传 感 器 停止计数 开始计数 图 3.2 测速原理 的行驶速度为 V，则 V=ST。定时常数 K=100s 时，利用传感器
30、 I 的信号启动 89C51 的计 数器 T0，同时利用传感器 II 的信号关闭计数器 T0 记数，当计数值为 x 时，则对应的时 间 T 为： 。KxT 太原科技大学毕业论文（设计） - 12 - 当火车到达道口后系统不再需要继续发出预警信号，为此，设置复原端传感器，只 需给系统一个脉冲信号告知，火车已经到达道口，马上停止告警。所以，复原端传感器 采用一只磁电式传感器就可以达到设计要求。 3.2 信号处理电路的设计 信号处理电路的设计原则为：传感器输出的信号是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必要的处理，将不同的有用信息转换为标准的开关量， 才能供数字式控制系统使用。
31、根据传感器信号和控制系统的需要，本系统的信号处理电 路必须要完成下列功能： 1.将复合信号中车轮信号分离并整形为脉冲信号 2.分离出复合信号中包含的故障信息 3.对车轮信号中的颤动信号进行滤波 4.对传感器及线路传输的干扰信号进行处理 5.为设备维护方便，设置处理电路自检装置以及信号显示电路； 隔离内、外地系统信号处理电路包括 4 个相互独立的纵向通道，每个通道处理 8 路 传感器的信号，共可处理 32 路信号传感器信号，前两个通道的 16 路传感器的信号构成 int0 中断，后两个通道的 16 路传感器的信号构成 int1 中断。每个信号通道由信号输入级、 整形级、光电隔离级、锁存选通级和中
32、断控制逻辑形成电路组成。图 3.3 是其中一路传感 器输出信号处理电路设计图： 图 3.3 信号处理电路 太原科技大学毕业论文（设计） - 13 - 如图 3.3，传感器 CG1 采集列车通过信号，输出脉冲信号，YM1 是压敏电阻，其电 阻值随着电压的改变而改变，是为了保护传感器受到过电压的损伤。R1 是限流电阻， Rp1 是分压电阻，C1 是滤波电容，两个二极管也是为了防止过电压，这些都是为了保护 电路及元件的。脉冲信号通过 74HC245 后放大信号功率。TLP521-4 是光电耦合器，是为 了减少电压干扰，脉冲信号通过光电耦合器后分成两路，一路输入与非门 74HC30，四片 74HC30
33、 输出的信号再输入或非门 74HC02，一路输入数据锁存器 74HC373，而后他们输 出的两路信号再进入 74HC123，最后输出完整的脉冲信号。 3.2.1 器件简介 TLP521-4 是可控制的光耦合器件，电路之间的信号输出，使之前端与负载完全隔离， 目的在于安全性，减小电压的干扰，减化电路的设计。 74HC245 总线收发器，典型的 CMOS 型三态缓冲门电路。用于信号功率放大。 74HC373D 是 8 位的高速数据锁存器，COMS 材料的，常用作单片机 ISP 下载器数据 数据锁存缓冲。工作电压在 4.5V 到 5V 之间。 74HC30 是 8 输入单与非门。 74HC02 是二
34、输入四或非门 74HC123 是双路可再触发单稳多谐振荡器，可通过多达 3 种方式实现输出脉宽控制。 74HC123 的 nA 和 nB 输入带施密特触发功能，使得电路对缓慢的输入上升和下降具 备更高的容差性。 3.2.2 信号输入 对信号输入级的要求，一是检测信号的瞬时变化，二是连续检测信号电平的变化， 所以采用图 3.3 示电路。其中 C1 为滤波电容，YM1 为压敏元件，可以防止雷电以及车电 高电压窜入。R1 为限流电阻，D1、D2 为单向整流限幅二极管，防止输入过压，且完成 传感器输入信号的尖脉冲波形到方波脉冲的转换。RP1 为 22k 分压电阻。A 点电压即静 态输入电压 VI 为：
35、 VV RRR RR V CGIPI CGI I 287 . 0 5 83 . 0 51 . 0 22 83 . 0 51 . 0 当传感器 CG 断线时，VI 变为 V+为 5V，从而为断线检测打下硬件基础。在系统工 作时，不断检测所有 4 块 373 的输入端，若连续检得 10 秒钟低电平，即为断线。 太原科技大学毕业论文（设计） - 14 - 3.2.3 信号整形 信号整形级选用得是 74HC245 芯片 1 脚 M(DIR)，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出， DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。 29 脚“A”信号输入输出端
36、，A1=B1 至 A8=B8，A1 与 B1 是一组，如果 DIR=“1” OE=“0”则 A1 输入 B1 输出，其它类同。如果 DIR=“0”OE=“0”则 B1 输入 A1 输出， 其它类同。 1118 脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。 19 脚 OE()，使能端，若该脚为“1”A/B 端的信号将不导通，只有为“0”时 A/B 端才 被启用，该脚也就是起到开关的作用。 10 脚 GND，电源地。 20 脚 VCC，电源正极。 图 3.4 74HC245 引脚图 表 3.1 真值表 74HC245 的 DIR 端接电源后，使方向为 A 到 B，第 19 管脚接地，使其
37、始终选通。 控制输入 DIR 运行 L L B 数据到 A 总线 L H A 数据到 B 总线 H X 隔开 太原科技大学毕业论文（设计） - 15 - 3.2.4 光电隔离 在实际信号处理电路当中，存在各种的干扰信号是不可避免的，为保证信号传输的 准确性，必须在信号处理电路中增加光电隔离级，即采用隔离技术来增强抗干扰能力。 在硬件上常用光电耦合器来实现电光电的隔离，这样就可以有效的阻止干扰信号的 传递。 本系统采用的是光电耦合器是 TLP521-4，这是一种完全对称特性的光电模拟信号隔 离器。该光电隔离器的特点是：它的内部结构有 4 个光电耦合器，它们的物理特性完全 一直、重复性很好、并且
38、4 个光电耦合器的 4 个电源实现了完全隔离，它们有良好的线 形度，可将地面的干扰基本完全消除。这样该光电耦合器在电路中就将选中的模拟信号 的输入级、输出级完全隔离开来，阻止了相互之间的电联系，消除输入级、输出级之间 的干扰。 3.2.5 锁存选通级设计 由于传感器的信号宽度为几毫秒至一百多毫秒，向 CPU 申请中断的可能是 32 路传感 器中的任何一个或是其中几个，因此，CPU 接到中断申请后应该确定究竟是谁先发出的 中断申请。 本系统采用 74HC373（八路数据锁存器） 、74HC30（八输入与非门） 、74HC02（二输 入四或非门）组成了锁存电路，并且进而通过 74HC123（双可再
39、触发的单稳多谐振荡器） 变成宽度为 T 的中断信号。由图 3.3 可见，在产生 int0 中断信号的同时，经过两级门电路 的传输时间延迟后，也使 373 锁存器锁存。锁存器的输出接入数据总线，CPU 通过 138 译码依次选通各锁存器，从 P 0 口读入数据进行查询，此数据就表明了各传感器的状态。 中断信号太宽不行，太窄有可能来不及响应。宽度选取如下： spfRCT56470012 3.3 系统主电路的设计 设计原则首先是可靠，其次是简单，具有可以满足系统工作需要的计算速度，而且 要考虑系统的综合经济成本。因此，我们选用技术成熟而且可以稳定工作的 89C51 作为 系统主电路的核心。 太原科技
40、大学毕业论文（设计） - 16 - 3.3.1 AT89C51 性能简介 AT89C51 是一种低功耗、高性能的 8 位单片机，片内带有一个 4K 字节的 Flash 可编 程可擦除只读存储器(PEROM)，它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的高密度非易失性 存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容。片内的 Flash 存 储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此 AT89C51 是 一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。 AT89C51 的主要性能有： 与 MCS-51 微控制器产品兼容；
41、4KB 可改编程序 Flash 存储器(可经受 1000 次的写入/擦除周期)； 全静态工作:OHZ-24MHZ； 三级存储器保密； 1288 字节内部 RAM； 32 条可编程 I/0 线； 2 个 16 位定时器/计数器； 6 个中断源； 可编程串行通道； 片内时钟振荡器； 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存片内 RAM 中的内容。 太原科技大学毕业论文（设计） - 17 - 3.3.2 系统主电路 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 1
42、1 U2 74HC373 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 TXD 11 RXD 10 U1 89C51 A0 2 A1 3 A2 4 A3
43、5 A4 6 A5 7 A6 8 A7 9 B0 18 B1 17 B2 16 B3 15 B4 14 B5 13 B6 12 B7 11 E 19 DIR 1 U7 Comment: 74HC245 A 1 B 2 C 3 E1 4 E2 5 E3 6 Y0 15 Y1 14 Y2 13 Y3 12 Y4 11 Y5 10 Y6 9 Y7 7 U4 74HC138 +C1 10uF C3 30pF C4 30pF Y1 12Mhz R1 10k VCC VCC 8051RXD 8051TXD A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 D0 11 D12
44、 17 D2 13 D3 15 D4 16 D5 17 D6 18 D7 19 CE 22 WE 27 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2 CR 28 U5 6264 VCC LED传传传传 传传传传传传 传传传传传传传 传传传传传传传传传 传传传传传传 1 2 3 J8 传传传传传 VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 J9 CON10 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 图 3.5 单片机电路 脉冲信号从信号处理电路输入单片机的 T1 和 T0 口，单片机开始工作，74HC138 是 信号选通，选通地址。6264 是外扩数据存储器，存储数
45、据进入 74HC373 锁存器，也有数 据输入数码管显示。74HC245 的功能是功率放大，做驱动用，它输出的信号可激活语音 及状态指示。 本系统道口交通灯只有红绿两个信号。模拟交通灯使用发光二极管，可直接连接单 片机引脚,其中红灯接 P1.0 和 P1.1；绿灯接 P1.2 和 P1.3,再用软件来进行控制红绿灯的切 换。利用 74HC373 锁存器软件控制红绿灯。 信号输入包括所有的传感器状态、键盘输入信号等，都通过 P0 口，功能输出通过 P1，而显示的输出数据仍然通过 P0 口，P3 用作控制线。P0 口共驱动 9 个芯片，除 6264 外其余均为 HC 电路，所以驱动能力可以保证。用
46、 74HC138 对 P2.5P2.7 进行全译码， 选通不同的芯片，简化结构，选通地址表如表 3.2 所示。 表 3.2 74HC138 选通地址表 太原科技大学毕业论文（设计） - 18 - 图 3.6 Intel 6264 引脚图 Intel 6264 的容量为 8KB，是 28 引脚双列直插式芯片，采用 CMOS 工艺制造 A12A0（address inputs）：地址线，可寻址 8KB 的存储空间。 D7D0（data bus）：数据线，双向，三态。 OE（output enable）：读出允许信号，输入，低电平有效。 74HC138 输出选通地址 00Y 626401FFFH:
47、10Y 827920003FFFH: 20Y 空闲 30Y 信号 373-1 60007FFFH: 40Y 信号 373-2 80009FFFH: 50Y 信号 373-3 A000BFFH: 60Y 信号 373-4 C000DFFH: 70Y 看门狗电路 D000FFFH: 太原科技大学毕业论文（设计） - 19 - WE（write enable）：写允许信号，输入，低电平有效。 CE1（chip enable）：片选信号 1，输入，在读/写方式时为低电平。 CE2（chip enable）：片选信号 2，输入，在读/写方式时为高电平。 VCC：+5V 工作电压。 GND：信号地。 操作
48、方式： Intel 6264 的操作方式由 OE,WE, CE1 , CE2 的共同作用决定 写入：当 WE 和 CE1 为低电平，且 OE 和 CE2 为高电平时，数据输入缓冲器打开， 数据由数据线 D7D0 写入被选中的存储单元。 读出：当 OE 和 CE1 为低电平，且 WE 和 CE2 为高电平时，数据输出缓冲器选通， 被选中单元的数据送到数据线 D7D0 上。 保持：当 CE1 为高电平，CE2 为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈 现高阻状态。 3.4 语音报警功能的设计 语音报警功能是本系统的第二个主要功能。 语音电路是针对室外语音广播而设计的。其核心为 microch
49、ip 公司生产的 PIC16C71 单片机，语音芯片为 ISD（Information Storage Device）公司生产的 ISD1420 芯片。 3.4.1 ISD1420 芯片介绍 ISD1420 为美国 ISD 公司出品的优质单片语音录放电路，由振荡器、语音存储单元、 前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系 统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。录音内容存 入永久存储单元，提供零功率信息存储，这个独一无二的方法是借助于美国 ISD 公司的 专利-直接模拟存储技术(DAST TM)实现的。利用它，语音和音频信号被直接存储，以其 原本的模拟形式进入 EEPROM 存储器。直接模拟存储允许使用一种单片固体电路方法完 成其原本语音的再现，仅语音质量优胜,而且断电语音保护。 特点：SD1420 芯片采用直接