摘 要: 基于MCS-51單片機的一種列車測速與報警系統,對其功能、硬件結構、列車測速電路及系統軟件等進行了詳細討論。
關鍵詞: 列車測速 報警系統 語音發送 單片機
隨著鐵路路況的改善以及列車性能的提高,近年來列車已經大幅度提速。列車提速后帶來的經濟效益和社會效益十分顯著。但高速行駛的列車卻給鐵路維護帶來不便,在施工路段因列車減速不夠或沒有減速而造成路面損壞、人身事故時有發生。因此,有必要研制一種列車測速與報警系統,在離施工現場一定距離處,安裝兩套這樣的裝置。當列車經過測速傳感器時,系統測得列車通過的時速,通過無線發射臺,將列車的時速傳送給列車司機以及施工現場的工人,司機收到語音提示后開始減速,以安全通過施工現場,避免事故的發生。
1 系統功能
(1)列車經過傳感器時,系統測速并把測速結果通過無線語音發射臺發送給列車司機和路段施工人員,提醒司機減速至規定時速,并提示路段施工人員注意安全,提示信號直至列車安全通過時才撤消。(2)記錄和顯示列車通過的時間、上行/下行指示、通過時的速度。(3)保存24小時內所有通過列車的有關信息。(4)具有查詢和選擇打印的功能。(5)通過RS232C接口,可以將系統所記錄的信息讀入個人計算機進行處理。(6)監測電源電壓,低壓報警。
2 系統的硬件結構
本系統的CPU采用MCS-51系列的GMS97L52單片機。該CPU為低電壓、低功耗型,適合系統用干電池或蓄電池供電的場合,內置8KB ROM,屬OTP型芯片。開發期間用AT89C52代替,便于重復擦寫。產品定型后,再換用97L52芯片,加密寫入后,無法解密,可防軟件被盜版。系統的硬件結構框圖如圖1所示。
由于該測速系統為便攜式,野外工作時,采用蓄電池作為電源,因此,有必要設置一套可靠的復位電路、看門狗電路以及低壓檢測電路。系統采用MAXIM公司的MAX708作為CPU的監控器,以保證系統可靠地工作。
顯示界面采用128×64點陣的LCD。矩陣鍵盤和信息的打印輸出由并行接口8255A管理。
列車通過時,系統調用實時時鐘,記錄列車通過的時間(年、月、日、時、分、秒等信息)。實時時鐘電路采用DALLAS公司生產的專用時鐘芯片DS1302,它與CPU連接只需三根線。
列車通過時的有關信息存儲在32KB數據存儲器62256中。設置掉電保護電路,保證斷電時數據不丟失。
系統采用ISD1420語音芯片錄放語音信息,時間最長20秒。事先將需要的語音錄入指定的段,使用時調用不同的段地址進行組合,即可實現語音的合成。ISD1420芯片由并行接口8255A控制,它輸出的語音信號經小型發射臺發射出去,由列車上和施工段相應的無線接收裝置進行接收。
個人計算機通過MAX232串行接口從系統中讀取信息進行處理。
3 列車測速電路
3.1 測速傳感器的工作原理
測速傳感器采用高頻反射式渦流傳感器,工作原理如圖2所示。傳感器的線圈L和電容C組成并聯諧振回路,其諧振頻率
。
電路中由振蕩器提供穩定的高頻信號電源。當車輪未接近渦流傳感器時,δ=∞,在電路中選擇適當的電容C,可使諧振頻率f與振蕩器頻率相同,此時產生諧振,輸出電壓u最大;當車輪接近渦流傳感器時,傳感器線圈的阻抗隨δ而改變,導致LC回路失諧,輸出信號u(t)頻率雖然仍為振蕩器的工作頻率,但幅值隨δ而變化。δ相當于一個調幅波,此調幅波經放大、檢波、濾波后即可以得到氣隙δ的動態變化信息,即當δ=∞(車輪未接近)時,u(t)=umax;當δ=δ0(車輪靠近)時,u(t)=u0。經過濾波整形后,將車輪未靠近時的輸出umax轉換為+5V信號,而將車輪靠近傳感器時的u0轉換為0V信號。這樣,只要檢測輸出的TTL信號的低或高,就可以確定車輪有沒有接近傳感器。
3.2 測速的方法
只用一只渦流傳感器無法測得列車行駛的速度。本系統采用二只傳感器,其布置如圖3所示。二只傳感器的編號為1#、2#,沿著鐵軌的長度方向隔開27cm安裝。列車上行時,車頭的前輪先靠近1#測頭,電路發出一個負脈沖信號(該負脈沖信號一直等到列車完全通過時才結束),經過時間Δt1后,前輪靠近2#測頭,電路又發出1個負脈沖。CPU檢測二個負脈沖之間的時間間隔Δt1(μs),即可算出時速V=(27×10-2×10-3)/(Δt×10-6/3600)(千米/小時)。待CPU檢測第一個負脈沖低電平維持的時間Δt2,即可算出列車通過時所占的時間。
當列車下行時,車頭前輪先靠近2#測頭,后靠近1#測頭,測速方法同列車上行時。
4 系統軟件
4.1 系統監控軟件
本系統有五種工作狀態,用戶可以通過操作面板的按鍵進行切換。五種工作狀態分別為測速發射、參數設置、資料查詢、打印輸出和通信。系統的監控軟件流程如圖4所示。
4.2 系統測速軟件
設1#測頭拾取的信號送到97L52 CPU的P1.0引腳,2#測頭拾取的信號送到P1.1引腳,則系統的測速軟件流程如圖5所示。
5 結束語
本文介紹的列車測速報警系統已經在鐵路施工現場投入使用。試用結果表明,該系統測速誤差在2%之內,工作穩定可靠,抗干擾能力強。使用該系統后,列車司機可以及時減速,保護了施工路面,保證了工人的人身及列車本身的安全。因此,該系統在鐵路部門具有一定的推廣使用價值。
參考文獻
1 黃長藝,嚴普強.機械工程測試技術基礎.北京:機械工業出版社,2001
2 常健生.檢測與轉換技術.北京:機械工業出版社,1982
3 李華.MCS-51系列單片機應用接口技術.北京:北京航空航天大學出版社,1993