列车中控微机保护系统学士学位论文 精品.docx

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1绪论

1.1选题依据

随着科学技术地发展，人们物质文化水平不断提高，交通运输业得到飞速发展。

在众多交通工具当中，列车的作用尤其突出，使用也最为广泛及频繁。

列车在交通运输当中一直起着至关重要的作用。

因此，对列车的控制及其行驶安全尤为重要。

由早期的蒸汽发动人力驾驶发展到现在的电力驱动及一整套自动化控制系统，列车的发展正顺应着时代的变化。

自动化控制无人驾驶正是未来发展的重要趋势。

本次设计是基于单片机的列车中控微机保护系统。

硬件部分主要由单片机最小系统模块、电动机驱动模块、报警模块、显示模块、温度采集模块、车速采集模块等部分组成，使列车彰显人性化和安全。

1.2国内外研究概况及发展趋势

自19世纪铁路诞生以来，如何控制铁路运输的安全就一直是世界各国铁路运输业面临的主要课题，而列车运行安全是列车运行控制的核心。

早期蒸汽机车采用机械式控制，对机车驾驶员要求很高。

20世纪后，特别是电子行业的崛起，列车也已进入了电气自动化时代。

列车信息控制系统是保证列车控制有效性、安全性及旅客舒适性所必需的,国外已开行的高速列车,如德国的ICE、法国的TGV、日本的新干线等高速列车都装有完整的信息控制系统。

控制网络技术作为现代列车的关键技术,在世界范围内得到了越来越广泛的应用。

目前,世界上主要列车电气部件供应商都推出了基于网络的控制系统,比如:

Siemens的SIBAS32R铁路自动化系统、ADtranz公司（现已被Bombardier公司收购）的MITRACR列车通信和控制系统、Alstom公司的A-GATER控制系统以及日本三菱、东芝公司的TCMS列车控制监视系统等。

近年来,随着我国交流传动高速列车、电动车组、城市轨道交通车辆研究工作的开展,列车网络控制技术已成为高速列车、动车组的必备技术之一。

为了保证列车运行安全,列车的安全相关技术越来越受到重视。

2相关理论分析

2.1测速相关理论分析

要测速，首先要解决是采样的问题。

在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。

使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。

只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。

在这里选用霍尔测速传感器可以解决问题。

在电机转轴上固定一圆盘，在圆盘上固定一到多个小磁钢。

再用霍尔传感器靠近电机的磁钢，距离不超过5mm，这样电机转动，小磁钢每靠近一次霍尔传感器，传感器便会产生一个低电平。

电机每转动一圈，传感器便会将一组有规律的脉冲信号传送至单片机，单片机通过测得电机每转一圈的脉冲个数，便能计算出直流电机的速度。

2.2测温相关理论分析

温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。

超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。

DS18B20的优势是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。

了解其工作原理和应用可以拓宽对单片机开发的思路。

DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。

其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。

在使用前先了解18B20的内部存储器资源。

DS18B20共有三种形态的存储器资源。

ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。

数据在出产时设置不由用户更改。

DS18B20共64位ROM。

RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。

第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。

在上电复位时其值将被刷新。

第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。

第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。

第9个字节为前8个字节的CRC码。

EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。

3系统设计

3.1总体设计要求

3.1.1设计要求

该系统以单片机为核心，实现对列车温度速度采集的自动控制。

该控制系统包括：

①列车温度、速度采集模块；②单片机最小系统模块，涉及用E2PROM存储设置信息；③显示模块，用于实时显示当前的温度和速度；④报警模块，实时监控异常状态等

根据设计要求，设计框图如图3—1所示：

STC89C52

LED显示电路

温度传感器

7279键盘输入

速度传感器

报警电路

E2PROM存储电路

图3-1原理框图

3.1.2设计思想

首先通过温度传感器与速度传感器采集温度与速度数据,把采集到的数据转化为计算机可以接受的数字信号。

在接受到采集数据后,单片机开始对数据进行处理并显示。

如果有异常（温度值超出要求范围）,触发报警电路,提醒有异常状况发生。

数据处理后,应外接一个E2PROM存储器用于存储温度及速度报警值，起到断电信息不丢失的作用。

该存储器也用于存储设置的温度报警值，而报警值可通过按键设置。

整个过程需要用单片机算法去控制与显示设定的温度与速度，从而与实时采样值去比较，大于设定值报警。

3.2系统功能模块

该系统设计要求主要包括温度采集模块，速度采集模块，报警模块，LED显示模块，掉电保护模块和参数设定模块。

系统功能模块框图如图3-2所示：

功能模块

掉电保护模块

报警模块

参数设置模块

LED显示模块

速度采集模块

温度采集模块

图3-2系统功能模块图

模块说明：

1、温度采集模块，通过温度传感器对温度的实时采集，并将采集到的数据送到单片机内。

2、速度采集模块，通过速度传感器对速度的实时采集，并将采集到的数据送到单片机内。

3、LED显示模块，用于实时显示采集到的温度值与速度值。

4、参数设置模块，通过键盘实现对报警温度和速度上限值的设置。

5、报警模块，实时监测异常状况，如果当监测到温度或速度超过报警值，则触发报警电路。

6、掉电保护模块，通过外接E2PROM来实现对温度和速度报警值的存储，保证断电后信息不会丢失。

4硬件设计

该控制系统的设计过程中包括以下几大硬件电路，即温度信息采集电路、速度信息采集电路、键盘输入和显示电路、系统掉电保护电路、超温报警电路等。

在综合考虑了本设计的基本要求及系统各项功能实现的情况下，分析和了解项目的总体要求，辅助外设（如传感器）的种类及要求，使用的环境及工作的电源要求，产品的成本，可靠性要求和可维护性及经济效益等因素，制定出可行的性能指标。

在该系统中主要指标如下：

测温范围0℃-100℃，测量精度±1℃；测速范围0～50m/s,允许误差±0.1m/s。

。

所以在一些具体模块中提出了对比参考方案进行讨论，以实现设计的合理化、最小成本化和实用化，这样才能算是真正把该次设计做成功了。

4.1单片机的选择

目前市场上的单片机数量、品种繁多，各种专用功能的单片机基本上都有，这给用户带来了很多方便，至少可以节约很多外接扩展器件。

单片机的选型很重要，选择时需考虑其能否全部满足规定的要求，例如控制速度、精度、控制端口的数量、驱动外设的能力、存储器的大小、单片机的功能与内部资源、开发工具和技术的支持程度、性能价格、资源等等。

考虑到以上几点要求，故在这次设计中选择了常见，成本低的STC89C52单片机。

其具有8位的CPU，片内含8kBytesFLASHROM，兼容80C52，256*8位的内部RAM，32位I/O数，3个定时/计数器，8个中断源，一个串行口。

其单片机引脚图见图4—1所示：

图4-1STC89C52单片机引脚图

4.2单片机最小系统电路

4.2.1时钟电路

时钟电路是为系统产生所需要的时钟信号，是计算机的心脏，控制着计算机的工作节奏。

其电路图如下图4-2所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行，片内振荡器的震荡频率f0非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～12MHz之间选取，这次毕设用的时钟频率是12MHz。

MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别是反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。

图4-2中C1、C2是反馈电容，其值在5pF～30pF之间选择，典型值是30Pf。

作用有两个：

其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调（C1、C2大，f变小）。

图4-2时钟电路

4.2.2复位电路

系统在启动运行时都要复位，使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这状态开始工作。

采用上电复位方式，在RST复位端接一个电阻R1至Vcc和一个电容C3至Vss（地）,就能实现上电自动复位。

在上电的瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要保持RST引脚为高电平时间足够长，就可使CPU复位。

所需高电平时间的长短与Vcc上升时间和振荡器起振时间有关。

10MHz时，约1ms，1MHz时，约10ms。

若Vcc上升时间小于20ms，那么从上电时间算起，只要保持RST引脚在高电平停留时间不小于20ms即可。

图4-3中R1=51KΩ，C3=22µF，若频率为12MHz，可以保证可靠的上电复位。

如果频率降低，可以适当加大电容C3。

图4-3复位电路

4.3温度信号采集电路设计

4.3.1方案介绍

本次设计采用数字温度传感器DS18b20芯片实现温度采样及A/D转化。

随着现代化信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能独立工作的温度检测系统已经广泛应用于各种不同领域。

传统的温度检测系统大多数采用热敏电阻作为传感器。

而这种方法必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理，存在可靠性差、成本高和精度低等诸多缺点。

本次设计使用的DS18b20数字温度传感器是Dallas公司生产的1-Wire，即单总线器件，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。

它具有3引脚TO-92小体积封装形式，其管脚图如图4-4：

图4-4DS18B20的管脚图

其引脚功能如表4-1：

表4-1DS18B20引脚功能

序号

名称

功能

1

GND

地信号

2

DQ

数据输入/输出引脚，开漏单总线接口引脚

3

VDD

可选择的VDD引脚

基于DS18B20高精度数字温度传感器可以完成如下的功能：

采用STC89S52单片机和DS18B20温度传感器通信，控制温度的采集过程和进行数据通信；提供DS18B20的使用外围电路、温度显示LED电路以及DS18B20和单片机的通信接口电路；利用发光二极管指示系统的工作状态，DS18B20温度传感器内置温度上下限；编写C51程序，完成单片机对温度数据的采集过程以及与DS18B20数据传输过程的控制。

其电路连接线路如图4-5：

图4-5DS18b20温度采集电路

4.3.2模块功能说明

一、DS18b20性能介绍

a）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

b）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯

c）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

d）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

e）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

f）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温

g）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快

h）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

i）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作

二、DS18b20内部结构介绍

DS18B20主要包括温度传感器、64位激光ROM单线单口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等。

　光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20的存储器包括高速暂存器RAM和可电擦除RAM，可电擦除RAM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。

存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数字。

当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除RAM中。

当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数字的完整性。

高速暂存器RAM是由8个字节的存储器组成；第一和第二个字节是温度的显示位。

第三和第四个字节是复制TH和TL，同时第三和第四个字节的数字可以更新；第五个字节是复制配置寄存器，同时第五个字节的数字可以更新；六、七、八三个字节是计算机自身使用。

用读寄存器的命令能读出第九个字节，这个字节是对前面的八个字节进行校验。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

三、DS18b20工作原理

DS18b20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18b20测温原理如图4-6所示。

LSB

置位/清除

图4-6DS18B20内部结构图

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

4.4速度信号采集电路设计

4.4.1方案介绍

本次设计采用霍尔测速传感器进行对速度信息的采集

霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有UGN3020、UGN3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。

如图4-7所示是UGN3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc、地、输出。

图4-7UGN3020的外形图

霍尔传感器的机械结构较为简单，只要在电动机转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有脉冲信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。

在粘磁钢时要注意极性，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。

这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。

霍尔传感器测速部分可以完成如下的功能：

采用STC89S52单片机和霍尔传感器通信，控制速度的采集过程和进行数据通信；提供霍尔传感器的使用外围电路、温度显示LED电路以及霍尔传感器和单片机的通信接口电路；利用发光二极管指示系统的工作状态；编写C51程序，完成单片机对速度数据的采集过程以及与霍尔传感器数据传输过程的控制。

其电路如图4-8：

图4-8霍尔传感器速度采集电路

4.4.2模块功能说明

当电机启动时，附着在圆盘上的小磁钢每转一周，与霍尔传感器接触一次，产生低电平。

因此，电机每转一周，霍尔传感器会送给单片机一个脉冲波。

再通过单片机定时1s内所计算出的霍尔传感器的脉冲个数N，有测量得出的圆盘周长l，即可算出电机1s内经过的路程S=l*N，即速度v=S=l*N（单位：

m/s）。

4.5报警模块电路设计

报警部分由NPN三极管接发光二极管组成，每采集到的温度与报警值进行比较，若等于或高于报警值则送P1.4口高电平，报警灯亮。

其电路如图4-9所示：

图4-9报警电路

4.6显示模块电路设计

HD7279是一片具有串行接口的，可同时驱动并连接64键的键盘矩阵的智能显示驱动芯片。

HD7279内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有两种译码方式。

HD7279A内部含有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式。

此外，HD7279A还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等，并且具有片选信号，可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。

图4-10为HD7279的芯片引脚图。

图4-10HD7279的芯片引脚图

HD7279A只需要4根线（CS、CLK、DATA、KEY）与AT89C51相连，仅仅使用单片机的P1.0-P1.3口，大大节省了CPU的端口资源，即可实现键盘接口功能。

由于HD7279A内部含有去抖动电路，软件编程时不需要键盘的消抖动程序，而且HD7279A的控制指令也使得软件编程更简单。

其连线图如图4-11：

图4-117279显示电路

4.7断电存储模块电路设计

4.7.1方案介绍

本次设计采用AT24C02来实现对设置信息的存储及断电保护功能。

AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，AT24C02有一个16字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

其管脚图如图4-12：

图4-12AT24C02引脚图

引脚说明如表4-2：

表4-2AT24C02引脚说明

管脚名称

功能

A0、A1、A2

器件地址选择

SDA

串行数据/地址

SCL

串行时钟

WP

写保护

VCC

+1.8V～6.0V工作电压

VSS

地

AT24C02与单片机进行串行数据传送，用于存储不常改动的数据，如：

温度报警值等；在系统断电情况下，保证存储器内数据不丢失。

其电路连接线路如图4-13：

图4-13AT24C02断电存储电路

4.7.2模块功能说明

一、AT24C02的特性

7、与400KHzI2C总线兼容

8、1.8到6.0伏工作电压范围

9、低功耗CMOS技术

10、写保护功能：

当WP为高电平时进入写保护状态

11、页写缓冲器

12、自定时擦写周期

13、1,000,000编程/擦除周期

14、可保存数据100年

15、8脚DIPSOIC或TSSOP封装

二、AT24C02的功能描述

AT24C02支持I2C总线数据传送协议，I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。

任何从总线接收数据的器件为接收器。

数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。

主器件和从器件都可以作为发送器或接收器，但由主器件控制传送数据（发送或接收）的模式，通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个24C02器件连接到总线上。

其内部框图如图4-14所示：

图4-14AT24C02内部框图

5软件设计

5.1软件程序设计要求

本软件设计包括三个子系统设计分别是：

单片机测温程序及报警，单片机测速程序，显示程序，存储程序等。

测温程序主要实现通过DS18b20对温度进行实时地采集，精度在小数点后一位。

测速陈旭主要实现对直流电机的测速功能，精度在小数点后一位。

显示程序则是实现对温度报警值的显示以及对温度和速度的实时显示。

报警程序用来实现对超温现象的报警。

存储程序主要控制AT24C02对报警数据的存储功能。

5.2资源分配

90H-97H

数码管地址

36H-38H

存储采样温度值

47H-49H

存储采样速度值

45H

存储脉冲计数值

41H-43H

存储温度报警值

P1.0-----CS

P1.1-----CLK

P1.2-----DATA

P1.3-----KEY

P1.4-----报警灯

P1.5-----SCL

P1.6-----SDA

P1.7-----DQ

P3.5-----霍尔传感器

5.3各功能模块介绍

5.3.1主程序模块

主程序主要是完成对各个状态寄存器的初始化，通过对各个子程序（温度采样，报警，温度转换，显示处理等）的调用实现对温度的采样和电动机速度的采样和控制，其流程图如图5—1：

调用显示及报警子程序

图5-1主程序流程图

5.3.2中断模块

该模块主要用于计算霍尔传感器所测到的脉冲个数，以此来计算直流电机的速度。

中断开始要保护现场和换区，要完成定时器重赋值中断，主要是完成单片机对电动机转速的计数，其流程图如图5-2：

25H值等于20否？

N

Y

图5-2中断程序流程图

通过给定时器T0设置一个1s的定时中断，在1s内由计数器T1进行对霍尔传感器的脉冲计数，并将所计脉冲数存入45H单元。

5.3.3存储模块

存储模块主要完成对数据的存入与读出的功能，首先是将数据写入AT24C02。

需要注意的是AT24C02为I2C二线制传输，所以也是串行通信，编程时将数据存储单元内的数据左移一位，以此存入AT24C02存储器当中，连续执行8次即可完成数据的写入功能。

流程图如图5-3所示：

开始

初始化

写入一字节数据

返回

图5-3AT24C02写子程序

读24C02子程序如图5-4所示：

返回

读出一字节数据

初始化

开始

图5-4AT24C02读子程序

5.3.4显示模块

HD7279是一片具串行接口的,可同时驱动8位共阴式数码管的智能驱动芯片该芯片，同时还可以连接多达64键的键盘矩阵。

通过单片机控制可完成LED显示，键盘接口的全部功能。

因此接受和发送都应该满足串行通信的要求，将数据一位一位移进存储单元，并且要满足时序。

通过显示程序的编写，最终在八位数码管的前三位显示温度采样值，在五到七位显示速度采样值。

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