进站信号机系统概述

  第一章进站信号机系统概述

  第一节课题研究背景

  目前铁路运输得到良好的发展,有关科技进步明显,自动化和相关控制逐渐使用到各行各业,在确保安全稳定的基础上,也提升了运作效率。
  自动控制技术普遍使用在工业、军事、科学分析、经济、金融等各个行业。机器设施可根据生产标准与目标,开展高效率生产,人充当操作员,明确控制标准与环节,不需要直接参加具体生产过程。使用自动化控制不只能将职员从沉重的体力劳动、繁琐的脑力劳动和恶劣、高危险工作条件中解脱出来,此外还能在一定程度上提升生产效率,进一步提高我们了解外界与改造生活的水平。所以,自动化控制是工业、农业、国防与科技持续发展的关键要素与明显标志。
  单片机技术的研发对社会稳定发展有积极的深远影响。单片机具备体积小、损耗少、控制功能强大、延伸效率高、微型化与应用便利等优势,被普遍使用在设备仪器中,根据多种类型的设备,我们可以测试比如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量。使用单片机控制促使设备仪表数字化、智能化、微型化,此外功能更加齐全,效果比使用电子或数字电路更好。现在,使用单片机来完成自动控制,是各个行业普遍使用的方式,我国部分地区逐渐形成无法阻挡的单片机使用潮流,不同类型的产品和使用其完成的技术改善项目,不断出现,类型众多。各国和世界单片机学术组织随之出现,单片机应用技术沟通活动开始举办,不同类型的电子期刊杂志上与其相关的内容数不胜数,都表现出繁荣发展景象。即便我国和西方国家景象比较,还存在明显的差距,然而我国近期单片机使用发展成果突出,在一定程度上促进国内社会经济的发展,我们也需要对此格外关注。比如,苏州电子设施厂使用单片机顺利设计出银行计息器,质量高、价格较低、速度与精准度较高,得到银行领域的认可。现在被大规模制造和生产,年产量超过万台。其次,上海农科院设计且顺利应用单片机制造水稻育秧棚,可以对温度、光照强度、湿度等实施相应的采样控制,促使育秧成苗率提高到百分之九十左右,费用减少到百分之七十。此外,重庆通信学院工厂顺利设计出应用单片机的LDJ—3型顶板警报处理系统,对煤矿稳定运作产生积极影响,利用部级鉴定之后顺利开始规模化制造。另外值得关注的是,成都电子科技大学和624所共同设计的智能数据采集和处理系统,成都纺专研制的煮茧机温控仪等多种相关设施,都是比较重要的单片机应用案例。通过上述实例具有的经济与科技效果我们就能知道,单片机对加快国内生产力进步有积极影响。因此,其是满足工业自动化需求的最佳机种,宣传单片机应用对促进国内各产业生产技术持续发展具有关键的战略价值,也是目前领先科技促进生产力持续发展的重要现实表现。
  目前铁路变成大众出行不可缺少的交通工具,确保行车安全的方式开始从管理发展成技术,一直转变成现在的自动控制系统。使用单片机来管控信号机有利于列车日常管理。

  第二节国内外信号机发展现状

  信号机是铁路信号显示的关键设施。其在确保行车安全,提升运作效率与降低行车人员任务量部分具有不容忽视的关键作用。传统铁路信号机主要使用直丝灯光源。伴随铁路运作速度与效率的稳定提升,灯丝信号机由于使用时间短暂、后续维护复杂,隐藏明显的安全问题,目前无法满足铁路信号显示需求。美国、英国、德国等国家铁路信号器材企业开始专注于研发设计LED铁路信号机。此类信号机和之前的灯丝信号机相比具备使用时间长、可视性最佳、不需要滤光透镜、不存在“假显示”、不需要维护、节约资源等众多优势。以上优点让此类信号机在美国、英国、德国等国家铁路被普遍应用。
  因为铁路信号机的优势,我国也陆续设计LED铁路信号机。现在我国有众多公司设计与研发此类信号机,也有很多产品进入到市场中,逐渐在铁路线上应用。秦沈客运专线、北京局、青藏线等铁路也采用此类信号机,得到较好的成效。国内铁路有大概二十万台高柱或矮型色灯信号机,上述信号机主要将双灯丝白炽灯泡当做光源,灯泡使用时间大概是1000小时。因为LED具备损耗的电量少、使用时间长、稳定安全等优势,很多公司98年就逐渐采用上述全新光源在铁路信号行业进行测试与设计,得到良好的结果。
  综合局势是发展效果突出,三年前发光强度大概是几百ed,两年之前红、绿颜色可以超过ZO00ed,黄色、月白色的光强度和颜色目前无法达到铁标标准,目前发光强度显著提高,红光、绿光目前超过5000ed,甚至超过西方国家西门子产品的光强度,不同颜色在改善之后就可以达到目前铁道领域要求的颜色水平。现在最少有八家生产或设计LED色灯信号组织,有众多公司开展产品测试很多通过铁道部技术审核。大概超过一千台此类信号机在秦沈客运专线、北京局、青藏线等现场正式应用,得到普通受众的认可。
  铁道部科技司在2003年组织相关组织修订《LED铁路信号机构技术条件(暂行)》,制定相同的技术标准,为后续宣传奠定良好的基础。在进行产品质量监督检验的时候通信信号检验站承担众多测试任务和活动。不只地面信号机,此外手信号灯、客车床头阅读灯等众多类型的铁路信号和照明产品上也逐渐采用LED,LED手信号灯在铁路领域内普遍使用,提升产品性能水平。

  第三节选题意义

  伴随科技的持续进步,智能化逐渐变成当代社会发展的重要方向,成为大众日常出行的重要方式,铁路发展不容忽视。为了大众出行的安全、舒适、便利、高效,铁路信号机控制系统也要持续改善和升级,这就是本文研究的主要目标。其他国家铁路相关设施与举措不符合国内现实情况,本次分析目标就是站在国内铁路现实发展的角度上,设计出适合我国交通需求的进站信号机自动控制系统,避免交通问题的出现。所设计的系统可以提升信号机控制系统的稳定性与精准性,减少误报、错报问题的出现,在一定程度上减少交通问题的出现。
  当前交通运输一般包含铁路、水路、公路、航空与管道等部分。和其余运输模式进行对比,铁路运输具备运输水平高、不受时间限制、综合费用低等优势;公路运输突出优点是自主性强、综合效率高、可完成“门到门”的运送,此外创建时间短暂、投资不高。国内人口资源充足,现在公路网逐渐超过180万公里,高速公路将近2万公里,铁路营业里程为7万公里,因此开始产生以铁路为框架、公路为主体的完整网络。
  伴随铁路行车速度、密度持续提升与公路车辆迅猛增加,只依靠司机判断力进行操作,容易出现交通问题,使用单片机来研发自动化控制技术,寻找除具备较高稳定性的LED铁路信号机设施,依照站内状况自主呈现对应的灯光,进而提升列车运作的稳定性,保证列车顺利行驶,避免交通问题的出现,成为目前研究的重点。

  第二章进站信号机系统方案设计

  第二节8051单片机

  本文主要设计研发单片机控制进站信号机,大致规划是依照单片机与开放信号的联锁要素来控制LED信号机的开关。本次主要使用8051单片机,锁存器等相关零件。
  一、AT89C51内部结构
  AT89C51内部结构框图参考图2.2内容,主要涵盖CPU、存储器(ROM、RAM)、I/O接口、定时/计数器等。上述众多部件主要汇聚在相同芯片上,片内不同功能部件利用内部总线彼此联系。
  单片机在存储构造上,直接把程序存储器(ROM)与数据存储器(RAM)在空间领域分割开来,且采用多种寻址形势与地址指针。ROM主要储存完成调试的程序指令、常数与信息表格,RAM主要储存少部分随机信息。使用上述内部结构需要一定的程序空间与比较少的随机数存放空间。
  T0 T1
  XTAL1 XTAL2 ALE P0 P1 P2 P3 RXD TXP
  二、8051单片机主要功能部件
  ①8位CPU。
  ②片内振荡器:振荡频率0~24MHz。
  ③4KB片内FLASHROM,具体寻址范畴64KB。
  ④128B片内RAM,具体寻址范围64KB。
  ⑤21个专用存储器。
  ⑥四个8位并行I/O接口:P0、P1、P2、P3。
  ⑦一个全双工串行接口。
  ⑧两国16位定时/计数器。
  ⑨五分中断源,可编成两个优先级。
  ⑩111条指令,包含乘、除法两个类型。
  ⑪单总线结构。
  ⑫一个+5V电源。
  三、引脚及功能
  AT89C51单片机包含四十个引脚,参考图2.5内容。依照功能差异,所有引脚可以被划分成四部分。
  详细情况参考图2.3内容。
  (一)电源引脚
  ①VCC(40):接+5V电源。
  ②GND(20):接地。
  (二)外接晶振引脚
  ①XTAL1(19):片内反相放大器输入端。
  ②XTAL2(18):输出端。
  利用上述外接晶振之后,就可以组成自激振荡器,驱动内部时钟发生器向主机传送时钟内容。
  (三)输入/输出引脚
  ①P0.0~P0.7(39~32):P0口是8为双向I/O口。在访问外部存储器或开展I/O扩展时,主要被划分成低8位地址中线与双向数据总线。
  ②P1.0~P1.7(1~8):P1口是8位准双向I/O口。
  ③P2.0~P2.7(21~28):在进入外部存储器时,其成为高8位地址总线。
  ④P3.0~P3.7(10~17):P3口不仅是一般8位准双向I/O口外,此外也具备其他强大的作用。
  (四)控制引脚
  ①AEL/(30):地址锁存控制信号。
  ②(29):外部程序存储器选通信号。也是外界ROM的读选通信号,低电日常有效。
  ③/Vpp(31):进入存储器控制信号。在=0时,单片机只可以进入片外程序存储器;在=1时,在访问内部与片外两类程序存储器。
  ④RST(9):复位信号输入端。高电平时完成复位,促使单片机复原到最初状态。
  AT89C51单片机具备下述主要作用:4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,单个5向量两级中断结构,单个全双工串行通信口,片内振荡器和时钟电路。此外,AT89C51还能降低到0Hz的静态逻辑操作,还可以连接不同软件,选择节电运作方式。空闲模式暂停CPU运作,然而支持RAM,定时/计数器,串行通信口等系统稳定运作。掉电形式储存RAM内的信息,然而振荡器暂停运作且严禁其他全部部件运作,一直到硬件复位结束。
  第三节LED显示器
  数码管在单片机使用系统内一般功能是呈现具体输出信息与内容等。LED显示器是发光二极管组成的相关显示器件。
  LED是目前我们普遍使用的器件,其可以把电能变成可见光,属于固态形式的重要器件。LED显示器主要包含八个发光二极管,因此也被叫做8段LED显示器。具体结构主要是下面两类方式:首先是8个发光二极管的阳极全部联系起来,也就是共阳极LED显示器;其次是阴极全部联系起来,上述两种形式在现实中都有使用,缺一不可。
  第四节键盘输入模块
  键盘是众多按键的汇总,其也是我们日常生活中普遍使用的重要输入设施。工作人员可利用键盘填写信息或指令,完成比较基础的人机交流。
  键盘主要被划分成编码与非编码两个类型。键盘上闭合键的辨别由单独的硬件译码器负责,此外形成编号或键值的就是前者;只依赖软件辨别的就是后者,在现实中,两类都被普遍使用。在单片机构成的测控系统和技术化仪器内大部分使用后者。因此本次重点分析3*3矩阵键盘的理论、设计情况。
  3*3矩阵键盘根据名字可知就是把九个按键排列成三行三列,首行把所有按键的一段联系起来,组成行线,首列将所有按键的另一端全部联系起来组成列线,如此就可以得到全部行和列,总共六根线,此时把上述六根线联系到单片机所有I/O口中,利用程序扫描键盘就能得到所有键。

  第三章硬件系统设计

  一、电源电路

  所有电子设施都要求平稳的直流电源供电,直流稳压电源主要把交流电压变成平稳直流电压的设施。上述电源一般包含电源变压器、整流、滤波与稳压电路等部分。详细构成图形参考图3.1内容。
  图3.1直流稳压电源组成方框图
  电源变压器主要功能是:修改电网交流电压高低,对不同规格的市电实施降压,促使变压器的副边输出的交流电压达到设计标准。之后借助二极管具备的单项导通性特点,把交流电压变成单方向脉冲直流电压,也就是把整流电路输出的脉动直流电压内的交流成分删除掉,剩余相对平缓的直流电压,最终使用集成稳压器W7805,促使输出电压维持在5V左右,进而将其当做系统各个电路使用的电源。
  下述是本次使用的电源电路图3.2。

  二、复位电路

  系统在上电时,内部所有程序还并未正式实施和运作,因此要暂停特定时期进行筹备,就是复位时间。相对平稳的单片机系统需要确定清晰的复位电路。在程序存在死机问题的时候,此时需要开展系统复位。复位电路类型众多,不同类型也都存在一定的优势和不足。
  本次主要使用上电/按键手动复位形式,具体情况可参考图3.3内容。
  图3.3复位电路图

  三、晶振电路图

  晶振是简略称呼,在电气上其效果类似于电容与电阻并联之后串联电容的二端网络。电工学领域内此网络主要包含两个谐振点,根据频率情况划分,较低频率属于串联谐振,较高则是并联谐振。因为晶体原本存在的特点造成上述频率的距离非常短,在上述较窄的具体范围内,晶振就类似于电感。因此只需要晶振两边并联上正常的电容就能创建并联谐振电路,上述电路连接到负反馈电路就可以顺利组成正弦波振荡电路。因为晶振等效成电感的频率范围较窄,因此即便其余元件参数变动明显,上述振荡器频率基本上出现较大的改变。
  本次主要使用的定时元件主要由石英晶体与电容所构成。晶振频率数值是12MHz,C1、C2电容值是30pF,电容也具备一定的频率微调功能。
  晶振电路参考图3.4可知。

  第四章软件系统设计及调试

  第一节设计总目标

  硬件电路在上述研究之后可以被清楚明确下来,此后需要促使硬件系统完成预期目标,此时需要依靠软件系统设计来完成。系统能不能顺利运作,不只要确保科学的硬件设计,此外也需要充分关注软件的现实作用。关注问题研究,确定所需要处理的现实问题。参考现实需求与指令系统的特征,谨慎决定所需要使用的方式,其是开展程序设计的重要步骤,确定所编撰程序的科学性与未来整体运作的稳定性。制作程序框图且进行加工,得出具体的流程图。根据之前明确的格式,划分工作单元,之后把程序框图扩展成更为具体的流程图。编纂语言程序。参考之前确定的流程图与指令系统编撰得出语言程序。开展相应测试。
  编译程序是开展仿真不容忽视的关键步骤,c语言程序是此领域研发、使用的关键趋势。现在,支持硬断点的仿真器可以顺利开展c语言程序调试,在一定程度上促进了c语言的普及和发展。
  普通单片机缺少研发与设计作用,需要借助仿真器的功能,进而通过单步、断点、连续形式尝试操作程序,开展测试活动,寻找其中存在的问题,达到预期目标。确保程序的科学性,进一步改善程序主要包含简化程序环节,提升综合运算效率与节约内部存储单元。需要在程序设计内采用循环程序与子程序的方式来进行简化,利用改善程序与科学采用指令来节约内部单元与缩减实际操作时间。

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