太原科技大学毕业论文（设计）
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力线可以产生足够高的脉冲信号。其效果是５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：
d? dt将感生出电信号，且磁通变化率决定感应电信号的幅值。
E??N1. 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。
? 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：
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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：
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
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：
T?Kx。
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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。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
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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22kΩ分压电阻。A点电压即静态输入电压VI为：
VI?RI?RCG0.51?0.83?V??5?0.287V RPI?RI?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。
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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。
? 2~9脚“A”信号输入输出端，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。 ? 11~18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
控制输入
DIR
L L B数据到A总线 L H A数据到B总线 H X 隔开
运行
74HC245的DIR端接电源后，使方向为A到B，第19管脚接地，使其始终选通。
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