基于单片机的铁路道口报警系统的设计

目 录

1绪论 ............................................................................................................................................... 1 1.1问题的提出 ............................................................................................................................ 1 1.2国内外研究现状 .................................................................................................................... 1 1.3研究的目的和意义................................................................................................................. 2 1.4设计任务和要求 .................................................................................................................... 2 2系统硬件设计 ............................................................................................................................... 3 2.1传感器的选择 ........................................................................................................................ 3 2.2传感器的安装及使用............................................................................................................. 4 2.3信号处理电路的设计............................................................................................................. 5 2.3.1信号输入级设计 .............................................................................................................. 6 2.3.2光电隔离技术的应用 ...................................................................................................... 7 2.3.3锁存选通级设计 .............................................................................................................. 7 2.4系统主电路的设计................................................................................................................. 7 2.4.1AT89C51单片机简介 ...................................................................................................... 7 2.4.2信号输入输出单片机方式 .............................................................................................. 8 2.5键盘输入电路的设计............................................................................................................. 9 2.6数码显示电路的设计........................................................................................................... 10 2.7语音报警电路的设计........................................................................................................... 11 2.7.1 IsD142O芯片功能简介 ................................................................................................ 11 2.7.2语音电路设计................................................................................................................ 13 2.8打印接口电路的设计........................................................................................................... 14 2.9系统整体电源电路的设计 ................................................................................................... 16 3系统软件设计 ............................................................................................................................. 16 3.1 系统软件设计方案............................................................................................................ 17 3.2 系统设备断线检测模块设计 ............................................................................................ 17 3.3 列车接近检测模块设计 .................................................................................................... 18 3.4 打印机接口程序设计 ........................................................................................................ 20 3.5 语音广播系统软件设计 .................................................................................................... 23 4 系统抗干扰及可靠性设计......................................................................................................... 23 4.1 系统抗干扰性及可靠性设计原则 .................................................................................... 23 4.2 系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施 ............................................................................ 25 4.3 软件抗干扰措施................................................................................................................ 27 4.4 系统可靠性设计................................................................................................................ 29 5 结束语 ........................................................................................................................................ 31 参考文献 ........................................................................................................................................ 31 致 谢 ............................................................................................................................................ 32

基于单片机的铁路道口报警系统的设计

1 绪论

1.1 问题的提出

由于大量的铁路无人看守道口的存在，使道口交通事故和路外伤亡居高不下。因当地的条件限制，又必须设立铁路平交道口，而铁路部门由于人力和物力的限制以及道口的车流、人流不大，使无人看守道口客观存在。受道口自然条件(了望、弯道、坡道等因素)的影响，车辆、行人的违章和大意，加之机车乘务员的疏忽和判断失误等因素，使铁路平交无人看守道口交通事故屡屡发生，特别是机动车辆发生交通事故，严重影响铁路交通安全，而且常常造成多人路外伤亡事故，损失巨大。

通过在无人看守道口设置一个当列车接近时的自动预警装置，提醒道口的行人和车辆，将大大减少道口交通事故的发生(本装置可扩展道口防护功能，现因考虑其可靠性而又无人看管，发生故障不能及时处理，反而影响道口的畅通)。因此，道口安装来车报警装置势在必行。

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[1,2]。因此，增强铁路道口防护系统功能是十分必要的。

在欧洲，铁路网发达，道口密度大，事故风险也相对比较高。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。究其原因，不仅政府强行控制道口违章行为和加强平交道口安全教育，更主要的是研制出一种新型的平交道口预测器(英文名称缩写LCP)。两边轨道的端点处各装一个无源转辙器，当列车经过时，轨道电路的阻抗和电压会线性改变，反映列车接近道口的位置

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并计算列车的速度，确定列车经过道口的时间，从而产生报警。因为道口多需由当地值班人员操纵，人员运营费用很大，正在提出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诸多不同之处，并且它价格十分昂贵，所以，不可能直接将其移用至中国。我国各铁路局函需道口报警装置的研究成果，把先进科技应用到道口设施改造中来。特别是在我国铁路整体提速的情况下，为了防止车毁人亡悲剧的发生，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。毋庸置疑，开发实用的站内道口自动报警设备是当务之急。

1.3研究的目的和意义

铁路道口是铁路和公路，也是铁路和社会的一个交合处，涉及社会的方方面面，道口安全工作的好坏，直接关系到人民生命财产的安全，关系到和谐社会的构建，关系到铁路在社会中的形象的确立，它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[3,4]。而且，道口安全问题说到底还是人的问题，只要及时准确的将来车情况通知道口工和行人，并且道口工采取放杆禁止通行、立岗接车，行人自动停止等待列车通过，这样就可以避免事故的发生，而且由于我国铁路的实际条件和经济状况考虑，国外铁路的一些设备和措施在我国也不是效果很好，所以立足我国铁路实际情况，开发适合的道口报警设备具有重大意义。

1.4设计任务和要求

系统总体采用AT89C51单片机为道口自动报警系统的核心，用安装在钢轨内侧的成对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，根据单片机计算出的速度、检测点与道口的距离，以及道口附近铁路线的分布情况，对列车是否通过道口做出智能判断。如果列车将要通过道口，则要提前40---90秒给出声光报警信号，以通知道口工。如果列车从车站的另一咽喉进站正在减速准备停车时，则不予报警，继续进行监视。当列车通过道口时，由道口另一侧单个的传感器接受到列车通过的信息，并将信号传回到主机，主机将结束报警状态，此时道口将重新开放。以达到自动检测、报警通知和提升道口整体安全状况的目的。

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系统将达到的主要功能如下：

1)自检功能：开机后系统进入自检，对所有传感器的状态(是否断线)、显示器、打印机、各表示灯及音响等测试检查。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)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。

3)自动声光报警功能：这是主要功能。当任一方向的列车接近道口时，十六位数码显示管的上八位显示时钟，下八位显示包括列车接近股道、接近速度和到达道口所需要的时间等列车接近信息。当任两方向列车同时或先后接近道口时，上下八位显示器各显示一个方向的列车信息。当同时或先后有三个以上列车接近道口时，上下八位显示器均可采用轮流显示列车接近的信息。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。同时，整个设备一旦开机以后，也可以全自动的工作方式将列车即将经过道口的信息通过声光报警的方式通知过往行人和车辆，保证行人的生命财产安全。

4)低功耗复原功能：当列车通过道口时，设备自动复原，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。

5)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。

6)在线编程：自带信息源的道口预警系统采用可在线编程的单片机，并留有编程口，不必拆卸设备即可实现软件升级，方便维护。

7)绿色环保能源：采用太阳能电池板供电的方式，将太阳光转换为电能对蓄电池进行充电，再由蓄电池对自带信息源道口设备进行供电。

2 系统硬件设计

2.1 传感器的选择

本系统对传感器的要求很苛刻，站内道口传感器的工作条件比区间道口恶劣的多。其工作位置靠近站台和道路，夏天雨水浸泡，冬天冰雪覆盖，沙土垃圾掩埋，人

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为破坏等。所以对传感器提出了要有较高的灵敏度和输出范围；坚固耐用无维修或极少维修；测试范围宽并尽可能无源等要求。

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，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力线可以产生足够高的脉冲信号[5]。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：

1)根据法拉第电磁感应定律:E = -N*de/di将感生出电信号，且磁通变化率决定感生电信号的幅值。

2)相关技术特性：

①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，感生信号电压(E)与车轮通过传感器的速度(V)呈线性关系。

②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，感生信号电压(E)呈指数上升；工作间隙H增大，感生信号电压(E)呈指数下降。

③传感器信号敏感度测试：

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。

2.2传感器的安装及使用

传感器的安装要考虑以下因素：

①机车轮沿高度为28毫米，车辆轮沿高度为25毫米；

②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2-1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

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V 飞轮 S 钢轨 道口 H H 传感器Ⅰ 传感器Ⅱ 停止计数 计数器T0 开始计数 图2-1 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I的信号启动89C51的计数器TO，同时利用传感器n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：T=KX。

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。

2.3 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。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；

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⑥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、锁存选通级和中断控制逻辑形成电路组成。其中一路传感器输出信号处理电路设计如图2-2所示，下面分别予以说明。

图2-2 信号处理电路

2.3.1信号输入级设计

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2-2所示电路。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22kΩ分压电阻。图中A点电压即静态输入电压VI为：

v1=R1RCG0.510.83V50.287V

RP1R1RCG220.510.83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。

信号整形级选用得是74HC245芯片，74HC245的DIR端接电源后，使方向为AB，第19管脚接地，使其始终选通。

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2.3.2光电隔离技术的应用

各种干扰信号的存在是信号处理电路在实际中不可回避的问题，为确保信号传输的准确性，不发生任何偏差，在实际信号处理过程中，电路必须设置光电隔离级，即采用隔离技术来增强抗干扰能力[6,7]。在硬件上经常采用光电耦合器来完成电一一光一一电的隔离，这样就可以有效的阻止干扰信号的传递。本系统采用的光电耦合器是TLP521一4型，这是一种完全对称特性的光电模拟信号隔离器。此光电隔离器有如下特点:其内部结构为4个光电耦合器，它们的物理特性完全一致、重复性好、并且4个光电祸合器的4个电源实现了完全隔离，有良好的线性度，地面的干扰可基本全部消除。这样，此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，从而消除了输入级、输出级之间的干扰。

2.3.3锁存选通级设计

由于传感器的信号宽度为几毫秒～一百多毫秒，向CPU申请中断的可能是32路传感器中的任一个或是几个，因此，CPU接到中断申请后应该查询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（双可再触发的单稳多谐振荡器）变成宽度为T的中断信号。由上图可见，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。其宽度选取如下：T=RC=12kΩ×4700pf=56μs。

2.4系统主电路的设计

2.4.1 AT89C51单片机简介

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[8,9]。

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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;

·4KB可改编程序Flash存储器;(可经受1,000次的写入/擦除周期)； ·全静态工作:OHZ-24MHZ; ·三级存储器保密; ·128X8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的内容单片机电路设计如图2-3所示：

图2-3 单片机电路

2.4.2信号输入输出单片机方式

信号输入包括所有的传感器状态、键盘输入和打印机应答信号等，都通过P0口，功能输出通过P1，而打印、显示的输出数据仍然通过P0口，P3用作控制线。P0口共

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驱动9个芯片，除8279和6264外其余均为HC电路，所以驱动能力可以保证。用74HC138对P2.5～P2.7进行全译码，选通不同的芯片，简化结构，选通地址表如表2-1所示。

表2-1 74HC138选通地址表

74HC138输出 选通 6264 8279 空闲 信号373-1 信号373-2 信号373-3 信号373-4 看门狗电路

60008000A000C000D0007FFFH 9FFFH BFFH DFFH FFFH 02000地址 1FFFH 3FFFH Y00 Y10 Y20 Y30 Y40 Y50 Y60 Y70 传感器信号的输入采用CPU外中断0和外中断1的方式，CPU接到中断申请后依次从4片373锁存器中读入数据，以此来判断是哪个传感器发出的信号。键盘输入采用查询8279的方式，而显示的数据由CPU一次送给8279。打印的数据采用握手送出方式，若用UP—40则快的多。

2.5键盘输入电路的设计

在单片机应用系统中，通常需要人机对话功能，随时发出各种控制命令，报告应用系统的运行状态与运行结果。键盘就是实现人向机器输入数据和对系统进行干预的基本设备，它实质上是一组按键开关的集合。键盘可分为两个基本类型:一种是用硬件电路来识别，称为编码键盘;另一种是用软件方法来识别，称为非编码键盘[10]。由于非编码键盘所需硬件少、价格便宜，所以本系统选用了非编码键盘。并且选用8279

通用编程键盘，它具有16x8位的随机存取存储器RAM和8X8位先进先出寄存器(FIFO)。

利用8279可实现键盘和显示器的自动扫描，给出适当的逐行扫描频率，便识别

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键盘上闭合键的键码，能提供键盘消抖和串键保护功能。不仅可以大大节省CPU对键盘和显示器的操作时间，从而减轻CPU负担，而且显示稳定，程序简单，不会出现误操作。

8279的/CS为片选信号输入端，低电平有效，是启动8279工作的地址选择线，它接到AT89C51系统的译码器74璐138的IY引脚上。8279有8条双向数据输入瑜出线DB7一DBO，用来传送数据和控制命令，与AT89C51系统的PO口相连。AO为控制命令状态与数据选择信号，用来标志输入/输出的信息是控制命令还是数据。当AO=1(高电平)时，输入/输出的信息为控制/命令状态;当Ao二0(低电平)时，输入/输出的信息为数据。8279的AO脚与AT89C51地址总线的AO相连。瓜D为读有效输入信号，低电平有效，读有效时，将缓冲器数据读出，送外部数据总线。阴R为写有效输入信号，低电平有效，写有效时，缓冲器接收外部数据总线上的数据。SU一SLO为扫描线，用来扫描按键开关和显示器的各位数字。当选择编码扫描方式时，此方式可从外部对扫描计数器产生的二进制计数值进行译码，以提供键盘或显示器扫描信号，扫描线输出，高电平有效。SU一SLo呈分频式波形输出，当外接4一16译码器时，可扫描显示16位显示器;当选择译码扫描方式时，扫描线输出低电平有效，SU一SLO每一时刻只能有1位为低电平输出。此时，827只能外接4位显示器和4X8键盘。根据本系统人机界面的要求，故将8279外部扫描线连接为编码扫描方式，外接8x3键和16位数码显示器。RL7一RLO为回送线，通过按键与扫描连接。其内部回送缓冲器具有锁存功能，用来对8条回送线上的信息进行缓冲和锁存。在键盘工作方式下，对回送线逐条进行扫描，以确定该行哪一个键闭合。之后，该闭合键在阵列中的地址以及SHIFr和CNTL的状态一起形成键盘数据送入先进先出寄存器。

2.6数码显示电路的设计

数码管由8个发光二极管构成，可用来显示0～9,A,B,C,D,E,F,P及小数点“.”等字符。若把各二极管的阴极连接在一起，则称为共阴极数码管。在本系统的数码显示电路中采用的是共阴极数码管。当某个二极管通导时，相应的字段发光。这样，若进行适当的控制，使某些二极管通导，这些通导二极管发光后就可构成一个显示字符。在共阴极数码管中，这若干个导通二极管用“1”表示，其余二极管用“0”表示。8279的引脚OUTA3～AO、B3～B0为A组显示信号输出端，对应显示每个数码管段选码;SL3～SL0为B组显示信号输出端，对应显示数码管的片选。根据8279的输出端与数码管各

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段的对应关系可以推出各种显示状态的段选码。由于数码管中每段发光二极管的负载电流需l0mA左右，因此，8279的引脚OUTA3～A0,OUTB3～BO输出的八路显示信号由MC1413来实现对数码管每路段选的驱动放大作用。该系统电路如图2-4所示。

图2-4 数码显示电路

实验中发现，8279的A3～AO、B3～B0输出口数据更换与SL3～SL0输出并不完全同步，所以造成显示码不应亮的段也微微发光，并且显示的字符段只是较其他段亮度强一些。所以在编码扫描方式下，应该用BD信号控制译码器的工作，使显示器在更换数据时消隐，上述问题即可得到解决。

2.7语音报警电路的设计

2.7.1 1SD1420芯片功能简介

ISD1400系列语音芯片是ISD（Information Storage Device）公司生产的。它包括钟振荡器、128K可编程电擦除只读存储器（EEPROM）、低噪前置放大器、自动益控制电路、抗干扰滤波器、差分功率放大器等电路。ISD1400系列语音芯片采用接存

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储模拟信号，自动待机省电，可编程电擦除只读存储和总线技术，高保真、录数据永久保存、省电、适用于同单片机接口[11]。ISD1420是ISD1400系列中语音时长20S的语音芯片。ISD1400系列语音芯片具有下列特点：

（1）采用直接模拟量存储技术（DAST），重显优质原音。

（2）零功率信息存储，无需备用电池，存储的信息可保留10年以上。 （3）易于使用，无需编程，可随意改变录音内容，录放次数达10万次以上。 （4）具有自动省电功能，录音和回放后即刻进入等待模式，仅需0.5μA维持电流。

（5）可分段存储多段信息。 （6）自带时钟源。 （7）高抗干扰性能。 （8）单+5V标准电源供电。

（9）可直接驱动8～16Ω喇叭工作，输出不失真功率大于50 Mw也可作激励信号单端输出，外接功率放大器，输出功率为额定输出功率的1/4，约为12mW左右。 （10）采用总线技术，适于同单片机接口。

ISD1420录音时间为20S，它最多可录音160个语音段，语音段最短时间可达到0.125S。其管脚排列如图2-5所示。 主要管脚介绍如下：

A0～A7——地址或操作模式控制端，当A6和A7不全为高电平时，A0～A7为分段录音信息地址线，不同的地址对应不同的录音片段，A6和A7全为高电平时，A0～A5用于选择操作模式。

MIC——话筒输入端，话筒输入信号通过电容交流耦合至此引脚并传给片上预放大器，片上自动增益控制（AGC）电路控制预放大器的增益在15～24dB之间。耦合电容值和该端内阻（10kΩ）决定语音信号通频带下限频率。

ANA IN——模拟信号输入端，对于话筒输入，ANA IN引脚应通过外部电容与ANA OUT引脚连接，若为外部输入信号，则要直接通过电容耦合到此端。耦合电容决定片上控制预放大器通频带的下限频率。

SP+、SP－——喇叭输出端，该端可直接驱动16Ω喇叭。可采用双端输出驱动喇叭，也可采用单端输出驱动喇叭，不过双端输出信号的功率是单端的四倍，单端输出需要该脚与喇叭之间串接100μF的交流耦合电容，录音期间该输出端保持高阻状态。

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A0 A1 A2 A3

A4 A5 NC NC A6 A7 NC VSSD VSSA SP

ISD 1402 1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 22 8 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15 STATUE

REC RCLE RECLED PLAYE PLAYL NC

ANA OUT ANA IN ACC MIC REF MIC VCCA

SP_

图2-5 ISD1420管脚图

RECLED——工作状态指示端，在录音或放音时该端输出低电平，可驱动一个LED来指示状态。

PLAYL——电平触发放音控制端，该端电平变为低电平并保持，芯片进入放音状态。

REC——录音触发端，REC一旦变为低电平，芯片就进入录音状态。

2.7.2 语音电路设计

该部分电路设计中，包含了为语音系统供电的电源电路设计。电源部分采用二极管整流电路，接在电源变压器的次级输出端，用四个二极管组成桥式整流电路。它们的后级为滤波电容，交流电整流后，要求将交流成分滤的越干净越好，所以滤波电容选用大容量的电解电容。

该电路设有两种语音工作模式:自动和人工两种播报方式。在通常情况下，语音处于自动播报状态，只要来车，系统自动产生语音通知道口值守人员和来往行人；遇有特殊情况，值守人员可以自行开启人工播报方式，用与语音板相连接的麦克风对外发布通知。所设计的语音电路如图2-6所示。

2.8打印接口电路的设计

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本系统的打印输出采用AT89C51单片机为核心，采用电平转换器MAX232实现的串口输出控制微行打印机的简单应用方法。

图2-6 语音电路

电平转换器MAX232为RS232收发器，单+5V电源供电，仅需外接几个电容即可完成从TTL电平到EIA电平的转换[12]。即相当于EIA口，电位5V转换为－8～－15V，电位0V转换为＋8～＋15V，转换后信号由TXD输出，而打印机内部的MAX232芯片RXD引脚就接受该正负电位信号。MAX232引脚功能如图2-7所示。

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MAX232

C1 V C1 C2 VCC GND T1OUT R1IN R1OUT T1IN T2IN R2OUT

C2 V T2OUT R2IN

图2-7 MAX232管脚图

打印部分电路连接如图2-8所示：

图2-8 打印部分电路

TU-UP系列打印机提供串行接口和并行接口供用户使用。用户可通过改变控制板上的串并口控制块来选择通信方式。本系统选用串口方式。TU-UP系列打印机的串行接口与RS232标准兼容，其接口插座为DIC10线插座。

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2.9系统整体电源电路的设计

一个系统要想正常稳定的工作，必须要有一套稳定可靠的电源系统做保障。因此，系统电源电路设计理念应当为:正常情况下，系统电源板直接引入220V交流电源，经过电源板处理后分别为主机、打印机、传感器等供电。电源电路设计如图2-9所示。

图2-9 电源电路

非正常情况下上图后部分电路采用蓄电池电路，如停电，则用蓄电池为主机供电，当电池电压低于一定值后，自动断电。

3系统软件设计

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3.1系统软件设计方案

硬件电路通过以上章节确定下来以后，要实现硬件系统所要达到的要求，就必须依赖于软件系统的设计加以保障。系统能否正常运行，除了硬件的合理设计外，功能完善的软件设计是必不可少的。本系统的软件方面采用汇编语言进行程序设计，用汇编语言编程的过程大致可以通过下面几个步骤来实现:

l)注意问题分析，明晰所要解决的问题。

2)审慎选择算法。根据问题的要求和指令系统的特点，慎重决定所应采用的计算公式和方法，这就是常规所讲的算法。算法尤为重要，它是进行程序设计的根本，决定所编写程序的正确性和将来系统运行的可靠性。

3)绘制程序框图。依据所选择的算法，确定出运算的步骤和顺序，把运算过程绘制成程序的流程框图。

4)加工出操作流程图。依据确定的数据格式，分配工作单元，进而将程序框图画成更详细的操作流程图。

5)编写汇编语言程序。依据程序的操作流程图和指令系统编写出汇编语言程序。 6)进行程序测试。相对于单片机来说，没有自开发的功能，要使用仿真器，在仿真器上以单步、断点、连续方式试运行程序，来完成对程序的测试，排除程序中的错误，达到程序要求。

7)合理优化程序。合理优化程序就是精练程序的长度，加快程序的运算速度和节省数据存储单元。可以在程序设计中使用循环程序和子程序的形式来缩短程序，通过改进算法和正确使用指令来达到节省工作单元和减少程序执行的时间。

系统软件总体上分三大部分：初始化及设备自检和断线检测、键盘管理、列车接近检测报警等。采用模块化结构，前两部分的程序各道口通用，第三部分程序量比较大，而且由于各道口的现场线路不尽相同，检测点的数量和检测点的位置也不同，所以该部分程序不能通用，需要根据实际情况做个别调整。系统总体程序框图如图3-1所示。

3.2系统设备断线检测模块设计

自检的重要作用之一是对所有传感器的状态进行检测。在本系统初始化后就进入

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系统初始化 系统自检 断线自检模块 是否有键按下？ Y N 时间显示处理 确认 时间 查询 打印 删除 数字 时钟处理模块 中断0处理模块 中断1处理模块 列车接近显示及语音报警模块 图3-1 软件总体框图

自检，而且在系统工作后，也更需要不断地检测传感器的状态，用以确保传感器在火车通过时正常工作，所以在程序设计时应将开机自检和开机后巡检工作合并。在初始化后进入自检，开机对4个373口自检，连续检测Z000H次，如连续读回100OH次非FFH电平，即认为断线。而开机后巡检是每执行一次主程序循环，则对各373口检测一次，出现了非 FFH电平就记录下来。每个373口用一个16位计数器记录，当连续记录到1000H次(主程序此时也执行1000H次，约需时10秒)，则断线报警。报警后显示断线的传感器编号，且断线报警状态将一直保持到恢复时结束，即断线后继续监测传感器的状态。断线检测模块框图如图3-2所示。

3.3列车接近检测模块设计

根据铁路站内道口技术条件规定，站内道口列车接近报警时间应为40～90秒，

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规定非FFH电平次数计数器 规定初检次数计数器 指向第一片373 读入数据 N 是否为FFH Y 清本373非FFH电平次数计数器 指向下片非FFH电平次数计数器 内容暂存本 373非FFH电平计N 四片373是否检完 Y 清故障标，故障灯，语音 计数是否达到1000H次 N Y Y 根据272口计数器和数据值确定传感器 是否初检 N N 初检次数+1是否 等于2000H 去主程序键扫 断线声光报警信息送显示缓冲区信息时间同时显示 Y 清有关计数器 去打印机自图3-2 断线检测流程图

不能晚报、早报，误报、更不能漏报，晚报、早报、误报会使设备的置信度下降，同样也可能引起事故。因此，一方面需要良好的硬件设计，另一方面对列车接近检测提

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出很高的要求。

由于存在多方向同时或先后有车接近道口的可能性，所以软件应能对多达5个方向（接车、发车、调车1、调车2、专用线）同时进行检测报警，各种数据、标志全部分方向设置和存放。列车接近检测分5个方向，程序较长，另into、int1、clock三个中断处理模块及其他几个程序模块配合它，这里仅介绍接车检测处理的原理和主要过程，其他几个方向类似。符合下列三个条件才可认为是列车接近：a.传感器1和传感器2先后出现有效信号，注意必须是先有1后有2，才能代表是接近道口的方向；b.两信号出现的时间差对应的速度是1～160KM/H，在此范围内才算是合理的速度；c.符合a和b两次，即有两轴以上通过传感器。这样可有效的防止各种干扰信号引起的误报。一旦确认列车确实接近道口时，系统应立即在道口房内产生声光报警，显示出接近方向、接近速度和到达道口的时间来通知道口工作人员，在室外通过喇叭发出语音广播，来提示行人，火车马上就要开过来，现在禁止通行。此后，系统不再继续计算下一轴的速度等数据，主要因为单片机对多方向的列车速度、时间等参数同时做连续跟踪计算处理的能力有限，并且在火车接近道口的1～2公里内，其速度一般不会发生突变，所以当前的道口现场对此一般不做要求。接车检测处理程序流程如图3-3所示。

3.4打印机接口程序设计

89C51串口可以设置4种工作模式，本系统选用的是操作模式2，即帧11位的异步通信格式：1位起始位（0），8位数据位（低位在先），1位可编程位（第九数据位）和1位停止位（1）[13]。

发送过程是以执行任何一条以SBUF作为目的的寄存器的指令而启动的。写SBUF信号，把8位数据装入SUBF，同时还把TB8装到发送移位寄存器的第9位位置上，并通知发送控制器：要求一次发送。

TP-UP系列打印机的串行接口与RS232标准兼容，其接口插座为DIC 10线插座。串行方式下的波特率可在1200bps,2400bps,4800bps,9600bps中选择，由控制面板上的DIP开关设定。本系统选用的是4800 bps。

串行数据传输采用异步通讯格式，通过控制板上的DIP开关可选择7/8位奇、偶、无校验位等方式，如图3-4所示。

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是否是接车检测点 Y 是否有计算速度标 N 取T0计数器值，计算V N 去发车检测 Y 1＜V（160Km/h）＞ Y 是否初次计算V N 与初次计算V是否相近 Y 置计算V标志、接近时间、接近速度，送显示缓冲区 取该点的距离S，计算接近时间T N Y N 存V 返回键扫 T≥90S？ N T送显示缓冲区 检测点换算股道数 列车接近声光报警 按方向及方向数将信息送显示Y T－90S结果送延时单元置该方向延时标志 报警方向数+1 清有关标志、计数器 返回键扫

图3-3 列车接近检测流程图

在DIP开关上还须选择打印机通讯的握手方式，有标志控制方式和XON/XOFF方

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起始位 1位 数据位 7/8位 奇偶校验位 1位 停止位 1位 图3-4通信格式

式。两种方式的说明见表3-5。本系统选择了标志控制方式。

表3-5 握手方式说明

握手方式 标志控制 数据方向 数据可以进入 数据不可进入 XON/XOFF 数据可以进入 数据不可进入 RS-232接口信号 信号线4（RTS）为“SPACE”状态 信号线4（RTS）为“MARK”状态 信号线5（TXD）上发XOD码11H 信号线5（TXD）上发XOFF码13H 串行打印程序主要有波特率和串行口UART的初始化，发送、接收模块的设计。 在标志控制方式下，当打印机可以接收数据时，信号线DTR为准备状态，即SPACE状态；当打印机处理接收数据时，DTR为忙状态，即MARK状态，单片机根据DTR为准备状态还是忙状态向打印发送或停止发送数据；当DTR为SPACE时，发送数据；当DTR为MARK状态时，停止发送，等待下一状态SPACE。其时序如图3-6所示。

Mark

Space

Mark

Space

Mark

DATA DATA

图3-6 打印机时序图

系统打印流程如图3-7所示。 相关程序如下： 初始化程序：

PRINT：MOV DPTR，#PDATA；指定打印命令入口地址 MOV TMOD，#00100000B；T1工作在MODE2 ORL PCON，#10000000B；波特率为4800

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MOV TH1，#0F3H；定时器T1初始值设定 SETB TR1；启动T1发送程序：

SEND：MOV SCON，#11000000B；UART工作方式 …………..

MOV SBUF，A；向串行口输出打印指令 JBC T1，﹩；判断前一个数据是否发送完毕 …………

CJNE A，#OFFH，SEND；判断是否全部数据都已发送完毕 RET

接收指令与发送指令类似（略） 打印控制命令：

PDATA：DB 1CH，26H，……，OFFFH；打印汉字编码 END

AT89C51通过数据采集并处理后将有效数据通过串口控制微型打印机打印输出。实际应用效果良好，打印通信稳定可靠。具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、通信可靠性高的特点。

3.5 语音广播系统软件流程

语音广播部分软件系统，采用针对单片机的汇编语言编写，在本系统中由于单片机是讲“司机、行人请注意，火车就要开过来了，请不要抢行和翻越栏杆”或“火车就要开过来了，现在禁止通行”这两句话，所以软件流程比较简单。如图3-8所示。

4 系统抗干扰及可靠性设计

4.1系统抗干扰性及可靠性设计原则

对系统进行可靠性分析，既要考虑到各零部件的寿命情况，也要注重可靠性数据的收集与分析，不可修复系统的可靠性，网络连接系统的可靠性，可修复系统的可靠性以及系统可靠性设计优化等等方面。不仅要有分析系统可靠性的基本理论和方法，

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开始 89C51串口初始化 打印缓冲区首址 N DTR为SPACE？ Y 发送数据 Y 发送下一位数据？ N 结束 图3-7打印流程图

初始化 N 检测是否有列车通过报警信息 Y 连续8次播放报警语句1 N 检测是否有反向列车通过报警信息 Y 连续8次播放报警语句2 结束 图3-8 广播流程图

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还要从影响监控系统可靠性和安全运行的主要因素入手，分析是来自系统内部或外部的各种电气的干扰，以及系统结构设计、元器件选择、安装制造工艺和外部环境条件等因素。如果导致系统不能稳定运行，首先应从系统本身考虑，分析故障是否由构成系统的硬件或软件所产生。要考虑到元器件本身的性能结构设计的合理性、检查安装是否有问题等等入手。然后再从系统所处工作环境、外部设备或空间条件等角度考虑，更应该关注更广的范围，如电源电压的稳定性、强电场和磁场的影响;是否发生振动或冲击等外部现象;温度、湿度、空气清洁度方面、是否有雷电等恶劣自然现象发生等等;最后，还要考虑到人为因素，即微机应用系统是由人来设计而后供人来使用的

[14]

。

以上这些不利因素对单片机系统造成的干扰后果，主要表现在以下几点: l)大量数据采集使误差概率增大； 2)程序运行、控制状态失灵； 3)数据受干扰后发生一定变化； 4.4系统抗干扰性可靠性设计原则。

系统设计时应遵循抗干扰性设计原则:元器件的选择是根本，合理的安装调试是

基础，完善的系统设计是手段，安全的外部环境是保证。在系统设计时要采取避开干扰源的措施，然而完全没有干扰的环境是不可能的，只能尽量减少干扰源的干扰。对干扰的来源进行周密的分析后，进而制定对策，对祸合通道采取必要的措施，提高接受电路的抗干扰能力，用软件做出相应的抗干扰设计。

4.2系统干扰源分析以及硬件抗干扰措施

本系统针对供电条件、干扰源类型、祸合通道等原因，分别从硬件和软件上采取抗干扰措施和实现电磁兼容性，提高系统的抗干扰能力。硬件方面主要采取以下措施:

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450V压敏电阻，可有效抑制较高幅度的振荡电压和尖峰脉冲。

3)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、去祸、滤波和隔离。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

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功耗小，且选用比较低的时钟频率，所以本单片机优先选用CMOS芯片，系统时钟频率选用6MHZ。对输入的开关量要进行限幅、RC滤波、整形。

4)去祸措施。是对共模祸合采取分开回路的设计，对互阻祸合，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。

5)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。

6)隔离措施。是用光电祸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开。

7)本系统中，由于铁轨上的传感器到道口房内的主机往往距离1一2公里，这样，信号不可避免的要进行长距离的传输，信号在传输的过程中很容易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真;因此为了确保长线传输的可靠性，采用了TLp521一4四路光电祸合器将电路的电气连接断开，切断可能形成的环路，使它们相互独立，提高系统的抗干扰性能。

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。

① 电源变压器的初次级屏蔽。

② 利用初级平衡式绕制法绕制电源变压器。 ③ 采用防雷电变压器。 ④ 减少电源变压器的泄漏磁通。 ⑤ 采用噪声隔离变压器。 ⑥ 采用电源滤波器。 ⑦采用性能好的稳压电源。

为防止感应雷的侵害，本系统从电源进线以及信号输入输出端，装设了各种保护设备和器件。在雷雨天，运行在铁路线上的列车极易遭受雷击，从而将雷电引到线路和其他的铁路设备上。本系统可能遭受雷击的途径主要有两条:一是安装在铁轨上的传感器;二是安装在道口房内的单片机系统设备。本系统中由于选用的是凸出极磁电式轨道传感器，其内核为永磁体，外壳为钢制，并且其安装方式为直接镶嵌在铁轨的轨腰上，同铁轨连为一体。因此，当铁轨遭受雷击的时候，雷电所产生的高电压、

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大电流必然要通过系统的传感设备沿信号电缆进入系统，从而对系统的正常工作造成干扰。

本系统在防雷设计中除了在单片机电路设计时设计了光电耦合隔离部分以外，在传感器信号引出端采用了氧化锌压敏电阻来防雷。氧化锌压敏电阻是一种过电压保护用的半导体器件，又称非线性电阻。它是由微小氧化锌晶粒为主体，搀杂了少量更为微小的氧化秘、氧化锌、氧化钻、氧化锰等多种金属氧化物粉末在高温下烧结而成。氧化锌是N型半导体，电阻率较低，约为1~10Q·cIn，氧化锌晶粒周围是由氧化链等组成的晶界层，是P型半导体，其电阻率可高达1013/cm。氧化锌压敏电阻在正常的工作电压下，其晶界层呈高电阻状态，只能有微安数量级的很小泄露电流。

若出现浪涌过电压时，其晶界层立即转变为低电阻状态，通过压敏电阻的电流急剧增大，将浪涌过电压的能量转化为电阻体的热能。也就是说，浪涌过电压以放电电流的形式被压敏电阻所吸收，浪涌过电压受到抑制，从而对电路中的设备或器件起到过电压保护的作用。当浪涌过电压通过后，电路电压恢复正常，压敏电阻很快又恢复为高电阻状态，线路正常运行。

选用氧化锌压敏电阻，亦是考虑其具有非线性系数大，常态泄露电流小，功耗低，时间响应快，伏安特性对称，残压低，放电后无续流，体积小，可靠性高，价格经济，更换安装比较方便等特点[15]。本系统针对传感器引出线部分防雷设计如图4-1所示。

另外，本系统对道口房内的微机设备的防雷亦综合运用了分流(泄流)、均压、屏蔽、接地等各项技术，构成了一个比较完整的防护体系。具体的来讲:分流(泄流)指的是对于可能的直击雷，用接闪器经引下线和接地装置，将雷电流散流入地，从而使其不经过被保护的设备和部件;同时要保证雷电经过的部分电阻要足够的低，散流要好，以降低电位，避免引起对被保护物的反击。均压是指同一部位的不同的电缆外皮、设备外壳、金属架构(构件)等进行电气搭接，以均衡电位。屏蔽则是采用屏蔽电缆和人工的屏蔽箱盒来阻挡和衰减施加在单片机系统上的电磁干扰和过电压能量。接地是指将所有金属架构(构件)、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起，与接地设备就近接地。

4.3软件抗干扰措施

本单片机系统不仅在硬件抗干扰方面采取了很多措施，而且在软件编制上也尽可能采取强有力的抗干扰措施。

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图4-1 防雷设计

l)延时重复读取，即数字滤波除了硬件抗干扰电路外，软件采样时，让脉冲信号延时读取，可去掉传感器脉冲信号传入时叠加的干扰脉冲，且规定只有重复读取8次相同值时，才认为信号读入值有效。该程序设计的流程如图4-2所示。

2)软件陷阱

为保证数据的准确，系统工作绝对可靠，程序运行正确，从现场实际需要出发，程序恢复运行后，不做是否需要初始化的判断，而是统统引导到重新初始化，从而提高系统的安全可靠性。这是由所谓的“软件陷阱”完成的。即在MCS一51系列单片机程序的功能模块中及模块间的合适地方，EPROM或ROM中未安装程序的区域，全都填满指令 UMP0202H(机器码为02H，OZH，02H)，其下一句指令为 LIMPSTART。这样，万一程序走飞，程序指针PC失控时，很快就会落入“软件陷阱”，16位地址0202H被放进PC，该长跳转指令就会引导程序重新初始化。

3)自动复位电路，也称看门狗

基于以上措施，考虑到强干扰的特殊情况下，程序也可能走飞后，在进入陷阱之前就进入死循环状态，造成系统瘫痪。解决办法是设计出自动复位电路，处理这一特殊问题。电路选用14级二进制计数器4060芯片，接成RC振荡器，振荡频率f计算

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计数清零 前次值寄存器置初值 读入本次值 与前次值相同吗？ Y N 计数器加1等于8吗？ Y 读入数有效 N

图4-2 软件抗干扰流程

如下:f二1瓜C。经14级分频后输出信号，当CPU程序在每个工作循环中不能定时清掉计数器的计数，则4060芯片输出的计数器计满溢出信号将使CPU复位。其电路图如图4-3所示。

4)指令冗余技术

基于干扰有可能引起程序计数器PC的改变，可通过在重要指令(比如:RET、RETI、ACALL、LCALL、UMp、JZ、JNZ、JC、JNC等等)和某些对系统工作状态有重要作用的指令(比如:SETB、EA等)的后面，重复写这些指令，以确保这些指令的正确执行。同时可在双字节和3字节指令之后插入两个单字节NOP指令，可保证其后的指令不被拆散。另外对重要的指令之前插入两个单字节NOP指令，可保证乱飞的程序迅速纳入轨道，确保这些指令正确执行。

4.4系统可靠性设计

事实上，系统的可靠性设计，贯穿于从总体方案到具体电路设计的每一个环节，也体现在从硬件到软件设计的每一方面。负责任的设计者，在大到方案思路，小到每

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图4-3 复位电路

一细节的整个设计工作中，每时每刻都会想到怎样才能保证和提高系统的可靠性。各种抗干扰措施以及前文所列的许多设计思想其实也与提高系统可靠性密不可分。所以可靠性设计思想无处不在，此处仅将部分体会较深的设计原则和思路归纳如下：

1、尽量减少元器件的数量：由可靠性理论可知，系统总失效率等于所有构成系统的元器件失效率之和。所以减少元器件就是提高了系统的可靠性。

2、合理选用失效率低的元器件：例如阻容元件失效率远小于晶体管，所以尽量优先选用阻容元件。

3、适当降额使用元器件：当降额使用元器件时，其失效率减小，故可靠性提高。 4、使用正常寿命区的元器件：通过老化和筛选，使元器件处于正常寿命区，尽量做到优中选优。

5、部件和系统试运行：投入正式使用前，部件和系统进行必要的考机，使之处于“正常寿命区”。

6、严格电子线路板布板设计工艺，力求元器件布局走线合理，集成度高。 总之,系统在采取了以上措施后,经过实际的试验和应用,取得了较好的效果，达到了设计要求。

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5 结束语

本课题对铁路站内道口自动报警系统进行了研究与设计，针对目前道口报警主要靠电话通知和人工瞭望的状态，设计了可以实时采集来车信息并通知道口值守人员及过往行人的报警系统，并最终达到了预期的设计目标，主要工作有：

1、选取了凸出极磁电式传感器，并在该传感器的基础上设计出了来车信息采集及测速的方法，为系统功能的准确性、实时性打下了基础。

2、设计了单片机系统，使系统可以准确处理传感器采集的信息并产生声光、语音报警信息，达成了最终的报警功能。

此外，在这里提出对该系统改进的一些观点：

1、将该系统与道口电动拦木相联接，使来车报警与道口封闭相统一。 2、将系统与道口视频监控相联接，使视频监控有的放矢，及时将道口过车情景存储下来，为日后调查研究提供可靠资料。

参考文献

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致谢

本论文是在导师张晓朋讲师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢周丰群院长、李阔湖老师、卞和营老师、卫亚博老师的指导和帮助，没有他们的帮助和支持是没有办法完成我的论文的。

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