基于单片机的铁路道口报警系统的研究与设计毕业设计.doc

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中文摘要 1
英文摘要. 2
1 绪论 3
1.1 问题的提出 3
1.2 国内外研究现状 3
1.3 研究目的与意义 4
1.4 设计任务与要求 4
2系统总体方案设计 6
2.1 系统的整体平面示意图 6
2.2 系统的主要技术指标 6
2.3 系统工作的整体框图 7
3系统硬件设计 8
3.1 传感器 8
3.2 信号处理模块 10
3.3 中央处理模块 12
3.4 语音报警模块 15
3.5 栏木机驱动模块 18
3.6 键盘输入与数码管显示模块 20
3.7 电源模块 23
4系统软件设计 25
4.1 软件设计的主要步骤 25
4.2 系统软件的总体设计 25
4.3 列车断线检测模块 26
4.4 列车接近与到达检测处理 28
4.5 语音广播系统软件流程 30
4.6 栏木机控制模块流程 30
5系统抗干扰设计 32
5.1 系统抗干扰性设计原则 32
5.2 系统干扰源分析及硬件抗干扰措施 32
5.3 系统软件抗干扰措施 35
6总结与展望 38
致谢 39
参考文献 40
附录：系统硬件图 42

基于单片机的铁路道口报警系统的研究与设计
摘要: 在我国经济持续发展的今天，随着机动车辆的增加以及列车密度和运行速度的提高，使得道口安全问题日趋重要。如果铁路平交道口缺少严格的安全管理，恶性道口事故将会很容易发生，这会对铁路安全造成极大威胁，所以铁路道口的安全问题既是重点又是薄弱点，因此设计出一种铁路道口报警系统来提高安全性是非常必要的。
论文首先分析了课题确立的意义，并且针对于国内外的研究现状，给出了系统总体框图，平面示意图以及相关的技术指标。本课题的硬件部分选取了具有广泛群众基础，价格便宜的AT89C51单片机作为主控制芯片，选用磁电式传感器对列车的车轮信息进行采集，使用ISD4002语音芯片和LED显示模块将来车信息及时地通知过往车辆及行人，而且为了提高系统的总体安全性能特别增加了电动栏木机。本课题的软件部分首先给出了系统的整体框图，然后依次介绍了系统断线检测、列车接近与到达检测、语音广播部分和电动栏木机部分的软件流程图。特别的，考虑到系统恶劣的室外工作环境,系统从硬件和软件两个方面阐述了所采取的一些有效的抗干扰措施。总的来说，本课题的研究与设计将会降低安全隐患，为列车安全运行提供了有效保障。
关键词：道口安全，AT89C51单片机，报警系统

The Design based on the Microcomputer for the Railway Crossing Warning System
Abstract: In the modern sustainable development of China's economy, with the increase of motor vehicles, the density and the increase of the running speed of the train, the railway crossing safety problem is becoming more and more important. If the railway crossing lacks strict security management, then malignant traffic accidents will happen easily, and this will pose a great threat to the safety of railway transportation. The railway crossing safety problems are both important and weak point, therefore devise a railway crossing alarm system to improve the security is very necessary.
The paper first analyzes the significance of the subject, gives the block diagram of the whole system, schematic plan and related technical indicators based on the home and abroad research status. The hardware part of this topic selects AT89C51 MCU as the main control chip which has good universality and ideal price, then choose magnetic sensors on the wheels to get the vehicles message, use ISD4002 voice chip and LED display module to prompt notice the messages to the passing vehicles and pedestrians, especially, in order to improve the overall system security I increase the electric barrier machine. The software part of this topic firstly gives the overall block diagram of the system , and then followed by the introduction of the system break detection, train approaching and arrival detection, voice broadcast part and an electric barrier machine part of the software flow chart. In particular, taking into account the harshly outdoor environment, some effective anti-disturb measures adopted in the system are explained from hardware and software. In general, the design of this subject will decrease the risk and provide effective guarantee for the safe operation of trains.
Keywords: crossing safety, AT89C51 MCU, warning system
1 　绪论
1.1 问题的提出
目前，铁路营业里程达73002公里，公路网营业里程已经突破180万公里，高速公路近20000公里。与此同时，民航和水运也取得了充分的发展，中国形成初具规模的运输网络，这极大地改善了我国的交通运输现状，并显著促进了我国经济的高速健康发展。尤其是作为运输骨架及运输主体的铁路和公路更是在中国经济高速发展进程中发挥着极其重要的作用，但是在各项事业繁荣昌盛的同时也出现了一些我们没有预料到的问题。
铁道部门的统计资料显示，最近几年，随着我国铁路提速、机动车保有量的迅速增长，加之国民安全意识较差，铁路设备的更新换代没有跟上经济发展的步伐等一系列的原因，导致我国铁路平交道口交通事故一直保持在较高的水平。如2002 年发生道口交通事故728 件，已经是近20 年来的最低水平。每年仅道口交通事故就造成2000 万的直接经济损失。由于受客观条件的限制，还没有能力从高安全性的先进科技设备应用、科学管理的角度，彻底解决铁路平交道口的交通事故问题。因此，为了改善我国铁路道口的安全问题，设计出一种精确及时的铁路报警系统是非常有必要的。
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。
在铁路网比较发达的欧洲，道口密度大，事故风险也相对比较高。其中，英国的安全工作做的比较好，这主要得益于英国政府增加警力，强行控制道口违章行为。同时，英国西屋铁路系统公司在别国成功技术的基础上，研制了一种新型的平交道口预测器。该设备符合道口报警设备的一般设计原理，但是其价格昂贵，同时英国铁路轨道电路与我国轨道电路有诸多不同之处，所以无法将其移用至我国铁路道口中。
铁路道口安全工作的好坏，直接关系到人民生命财产的安全，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[[] 李玲桂.国外平交道口的安全措施[J].北京：铁道知识，2005、2，22-23
]。
因此，立足于我国的基本国情开发出一套铁路道口报警系统是非常迫切的。
1.3 研究目的与意义
铁路事业发展与经济发展是相互促进的，没有经济的发展做铺垫，铁路事业发展将会失去基础，然而铁路交通也会反作用于经济的发展。体现为铁路交通的快速发展为经济健康增长提供了保障，而铁路交通的萎缩将会成为经济发展的瓶颈，从而限制住经济的发展。因此，保证铁路交通的安全与通畅对于国家和地区经济持续、健康增发展是非常重要的。
其实铁路安全问题是完全可以克服的，只要系统能及时精确地把来车信息通知给来往车辆及过往行人，并且工作人员及时地操作电动栏木来阻止车辆行人的通行，那么交通事故是可以避免的。因此，铁路报警系统的设计与研发将会为我国经济发展做出重大贡献。
1.4 设计任务与要求
报警系统的设计思路如下：本系统采用AT89C51单片机为核心，按照预先计算好的数据在指定位置安装磁电式传感器，当列车即将经过铁路道口时，传感器检测到车轮信号，并由单片机计算出相关的来车速度和距离，语音系统将提前进行报警，同时显示屏显示出来车信息，电动栏木机落下禁止车辆与行人通行。当列车已经通过道口后，传感器检测到车轮离开的信号，并将其传达给单片机，系统将解除一切报警，铁路道口将重新开放。
系统的设计要求为：
1、系统自检功能
传感器是系统最为关键的部分，也是最易断线损坏的部分，因此工作过程中，需要对传感器进行实时检测，如果发生故障时应及时发出室内报警，并显示出故障发生的具体位置，一遍工作人员进行及时修理。
2、数字钟功能
在系统自检结束后将会进入工作状态，此时显示屏既需要显示出正确的时间，也要随时能够通过键盘来输入正确的时间，而且列车接近道口以及通过道口的时间同样要以此时间为基准，因此保证时钟精确度非常重要。
3、列车接近时的报警功能
当有列车接近道口时，16位的LED数码管的上八位显示当前的时间，下八位显示此时列车速度以及离道口距离等来车信息。并且此时语音芯片自动播报录音：“列车就要开过来了，请不要抢行及翻越栏杆”来提醒过往行人车辆注意安全。并且栏木机落下防止行人与车辆抢行。
4、复原功能
当传感器检测到列车已经通过道口时，此时数码管恢复显示时间，语音报警停止，栏木机复位。但当检测到列车接近道口，但因种种原因并未通过道口时，报警系统将延时5分钟自动复原[[]王梦琛.站内道口微机自动通知系统的研究与实现[J].北京：铁道运输与经济1997、3，30-32
]。

2 　系统总体方案设计
2.1 系统的整体平面示意图
在整个系统设计中首先考虑的是传感器部分，因此需要设立几个专门采集列车运行信息的定点，将传感器安装到指定位置的铁轨上，并将采集到的信息通过电缆传送给单片机，由单片机做出处理并发出报警信号，同时把来车信息及时通知给过往车辆及行人。平面示意图如下2.1所示:

图2.1　平面示意图

2.2 系统的主要技术指标
本单片机系统的基本技术指标如下：
速度的检测范围 0-120Km/h
测速精度 低于2%
测时精度 低于2%
检测点容量 32路传感器信号
传感器寿命 ≥5年
传感器工作温度 -40℃- +70℃
2.3 系统工作的整体框图
总体来说系统由传感器、信号处理、中央处理模块、语音报警、栏木机驱动、键盘输入与信号显示、电源模块构成，系统总体框图如下图2.2所示:

图2.2　系统整体框图
１、传感器：数据采集元件选择的是磁电式轨道传感器，由传感器将采集到的来车信息送到信号处理电路。
2、信号处理：信号处理电路将传感器输出的模拟量转换为开关量，并分离出信号中的故障信号，是系统的重要组成部分。
3、中央处理模块：单片机系统是整个系统的中央处理系统，他通过硬件与软件的结合来控制各个部分的工作，实现系统的各项功能。
4、语音报警：语音报警是提醒行人和车辆注意交通安全的必要设施，通过语音芯片ISD4002自动播报录音：“列车即将接近，请不要抢行或者翻越栏杆”
5、栏木机驱动：通过直流电机来控制道口栏木的升降，可以有效防止过往车辆与行人抢行。
6、键盘输入与数码管显示：键盘实质上是一组按键开关的集合，可以随时通过键盘向系统输入正确的时间。当有列车接近道口时，16位的LED数码管的上八位显示当前的时间，下八位显示此时列车速度以及离道口距离等来车信息。
7、电源模块：系统的电源板引入220V交流电源，在经过一系列的处理后分别为主机、显示器、传感器等进行供电。
3 　系统硬件设计
如第二章所述，系统总体由传感器、信号处理、中央处理模块、语音报警、栏木机驱动、键盘输入与信号显示、电源模块构成，本章将从硬件电路设计的角度依次介绍各个模块。
3.1 传感器
一、传感器的选择
一些常用的检测方式的优点以及缺点的对比如下表3.1所示：
表3.1　常用检测方式的优缺点比较
检测方式
优点
缺点

光纤传感器
对电、磁及其它辐射的抗干扰性好; 细、轻, 能量损失少, 因此在较恶劣的环境下也可正常工作
安装位置一般位于作业区外适当的距离, 因此较不便于管理及维修; 若采用有线传输采集信号, 可靠性不高, 易被破坏

磁电式传感器
价位合理，测试范围宽，灵敏度较高，适用于动态测量，有较大的输出功率，配用电路较为简单，性能稳定。
由于安装位置位于轮轨之下, 机车高速多次作用于传感器, 可能导致失灵, 因此需要定期进行检查

声波传感器
灵敏度高、探测距离远, 因此
可安装于道口附近, 便于维修管理。
需用专用的适合铁轨振动频率的固体传声器, 其对传感器精度, 抗震器要求较高

无线电技术
发射器及接收器体积可实现
小型化, 便于工作人员随身携带, 有利于维修与管理; 同时采用无线电传输方式
应避免周围环境对信号传输的干扰, 以免造成不必要的误报警与错报警

视屏监控技术
采用先进的图像处理和模式识别技术，稳定性能高 ，处理速度快，画质好，控制操作简便，可支持Ethernet,CDMA等多种传输方式
目前尚处于研究阶段，可靠性无法100%实现，不适用于偏僻的铁路道口，否则会造成财力物力浪费
考虑到恶劣的铁路道口环境，需要传感器具有测试范围宽，灵敏度较高，坚固耐用，性能稳定，易于维护等特点。因此最终选用了磁电式传感器用来检测来车信号。
磁电感应式传感器有两个基本元件组成:一个是产生恒定直流磁场的磁路系统，一般采用永久磁铁;另一个是线圈，由它与磁场中的磁通交链产生感应电动势。根据电磁感应定律,当w匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为Φ, 则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系: E=-w(dΦ/dt)，我们可以得出1、在工作气隙一定条件下，感应电动势E和磁通变化率dΦ/dt或者线圈与磁场相对运动速度成正比如下图3.1所示2、感应电动势E与工作气隙H呈指数变化的关系如下图3.2所示：

图　3.1感生电压与车速的关系

图　3.2感生电压与工作间隙的关系
二、传感器的安装与使用方法
为了确保整个系统能够有效运行，对于传感器的安装也会有很严格的要求，需要考虑以下因素：首先车轮沿高度为28毫米，车辆轮沿高度为25毫米；其次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[[] TB10007-99，铁路信号设计规范[s].
]。
系统测速原理如下图3.3所示：

图3.3　测速原理
该系统的传感器分为接近传感器和到达传感器, 由于单片机系统需要由接近传感器的信号计算出火车速度，所以需要在列车接近处并排放置两个接近传感器，其距离尺寸固定，这样便能够根据脉冲发生间隔时间计算出列车的接近速度。为了测速，首先要检测出车轮通过两个传感器所用的时间t，已知s两传感器的距离s，那么列车的速度为v=s/t。利用传感器1的信号启动单片机的计数器T0，再用传感器2的信号停止记数，则记数值x与时间t相互对应。t=K*x，其中式子中的定时常数K=100μs。
3.2 信号处理模块
由于传感器输出信号并不是标准的开关量而是包括干扰信息及车轮信息的复合模拟信号。所以传感器的采集信号需要通过一系列处理把其中有用的来车信息转换成为标准的开关量供给系统后面的各部分使用。依照控制系统和传感器信号的实际要求，信号处理电路需要实现以下的各项功能：
１．将复合信号中车轮信号分离并整形为脉冲信号
２. 对车轮信号中的颤动信号进行滤波
３. 对传感器及线路传输的干扰信号进行处理
４. 为设备维护方便，设置处理电路自检装置
５.隔离内外地
该信号处理电路包含了4个相互独立的纵向通道，其中使得每个通道可以处理8路传感器信号，那么系统一共可以处理32路传感器信号，将前两个通道的16路传感器信号构成int0中断，后两个通道的 16 路传感器的信号构成int1中断。 其中每个信号通道都是由信号输入级、整形级、光电隔离级、锁存选通级和中断控制逻辑形成电路构成[[]张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术[M] .北京：国防工业出版社，1993，221-230
]。其中一路的信号处理电路如图3.4所示：

图3.4　信号处理电路
1.信号输入级
其作用是为了检测信号的瞬时变化，以及连续检测信号电平的变化，其中 YM1为压敏元件，可以防止雷电以及高电压窜入，C1为滤波电容，R1为限流电阻，D1、D2为单向整流限幅二极管，防止输入过压。RP1 为 20kΩ的分压电阻。图中A点电压即输入电压VI为：

当传感器CG断线时，VI就会变为V为5V，从而为断线检测打下硬件基础。在工作时，系统不断地检测所有74LS373的输入端，若检测结果为低电平，即判断为断线。
2. 信号整形级
74LS245芯片是双向总线收发器，74LS245第19管脚G接地，使其始终选通，DIR端接电源后，使其方向为A到B。
3.光电隔离级
由于在实际信号处理中不可避免会有一些干扰信号，为了确保信号传输的精确性，可以使用光电耦合器来实现电—光—电的隔离，这样便能够有效地阻止干扰信号的传递。
本系统采用的光电耦合器是TLP521-4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,它们的物理性完全一致、重复性好、并且4个光电耦合器的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[[] 谢子青.光电隔离抗干扰技术及应用[J].西安：现代电子技术2003、13，33-34
，[] 徐晖，关辉.一种模拟量光电隔离的实现[J] .黑龙江：黑龙江大学自然科学学报1999、9，92-94
]。
4. 锁存选通级
系统选取 74LS373（八路数据锁存器）、74LS02（或非门）、74LS30（八输入与非门）构成锁存电路，并通过 74LS123（双可再触发的单稳多谐振荡器）变成为宽度是T的中断信号。锁存器的输出直接接入数据总线，CPU通过 74LS138 译码依次选通各锁存器，通过P0口读入数据并查询。
3.3 中央处理模块
设计原则首先是可靠，其次是简单，具有可以满足系统工作需要的计算速度，而且要考虑系统的综合经济成本。因此，我们选用技术成熟而且可以稳定工作的AT89C51作为系统的核心［[] 徐仁贵，廖哲智.单片微型计算机应用技术[M] .北京：机械工业出版社，2001
］。这是由于该芯片普及率高上手快，使用单位的工作人员经过短期培训后可以很快掌握该系统硬件电路图的工作原理，而且电路上的元件普遍采用拔插式，使工作人员可以自行处理一些小故障并且在相关设计人员的远程指导下换芯片，确保了系统故障的及时解决。
一、AT89C51性能介绍
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
主要特性
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路[[] 陈章龙.实用单片机大全[M] .黑龙江技术出版社，1989，277-311
]
单片机电路设计如图3.5所示:

图3.5　中央处理模块电路图
二、信号输入与输出
信号输入包括所有的传感器状态、键盘输入信号等，都通过P0口，功能输出通过P1，而显示的输出数据仍然通过P0口，P3用作控制线。
用74LS138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3.2所示：
表3.2　74LS138选通地址表
74LS138输出
选通
地址

6264
0-1FFFH

8279
2000-3FFFH

空闲

信号373-1
6000-7FFFH

信号373-2
8000-9FFFH

信号373-3
A000-BFFFH

信号373-4
C000-DFFFH

看门狗电路
D000-FFFFH
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。
3.4 语音报警模块
语音电路是为了室外的语音广播而设计的。语音芯片为 ISD（Information Storage Device）公司生产的 ISD4002芯片。
一、ISD4002芯片介绍
美国ISD公司4002/4003系列，2.7V~3.3V单电源语音录放电路，同时提供相应的28引线DIP/SOIC、TSOP硬封。ISD4002/4003系列仍采用直接模拟量存储技术，音质好，信息存放在芯片内部的FLASHRAM中，抗断电，无需专用语音开发工具，能随意更改内容和耗电省等优点。该系列最大的优点是采用了2.7~3.3V电影，录放时间长，并设计成和微处理器配合使用实现寻址和控制，使本器件引出端子数减小到最少，而使用更加灵活。芯片的管脚分布如图3.6所示，管脚功能如表3.3所示：

图3.6　ISD4002管脚图
表3.3　ISD4002管脚功能
引线端
符号
功能说明
1

器件选择，当该端为低电平时，本器件被选中
2
MOSI
ISD串行输入端，主机应在时钟上升沿之前半个周期将数据放到本线上
3
MOSO
ISD的串行输出端，本器件未被选中时，呈高阻抗
4,11,12,23
VSSD,VSSA
数字、模拟信号地线
5~10,15,19~22
NC
空脚
13
AUDOUT
音频信号输出，能驱动5kΩ负载
14
AMCAP
自动静噪端，大信号下不衰减，静音时衰减6dB
16
17
ANAIN+
ANAIN-
录音信号差动输入端IN+输入阻抗3kΩ，IN-输入阻抗56kΩ。两输入端耦合电容须相同，电容值决定低端截止频率，典型值1μF，单端输入最大信号幅度Vpp为32mV,差分输入时为16mV,单端输入时IN-端的耦合电容接VSSA
18,27
VCCD,VCCA
模拟、数字信号电源正端
24
RAC
行地址时钟输出（漏极开路输出）。内部存储器共分为800行，当操作到达行末时，本端输出低电平脉冲
25

中断输出（漏极开路输出）。当存储器溢出（OVF）或放音结束标志（EOM）出现时，该端为低电平并保持
26
XCLK
外部时钟输入，不用时必须接地
28
SCLK
串行时钟。由主机产生，用于同步MOSI和MISO的数据传输，数据在SCLK上升沿锁存到ISD，在下降沿移出ISD
二、语音芯片的电路设计
ISD4002不能独立进行录放工作，需采用SPI总线方式与单片机连接，应用电路如图3.7所示：

图3.7　ISD4002的应用电路图
ISD4002的声音输出采用音频功率放大器调节声音。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，可调节范围是20~200V。
ISD4002的通过数据端MOSI、MISO、时钟端SCLK、片选端SS,中断端INT与单片机相连，录放音系统主电路如图3.8所示：

图3.8　录放音系统主电路
在单片机的外围电路中设置了几个功能按键，包括录音/放音拨盘P/R,运行RUN开关，停止STOP键，另有录放音指示灯DSI。这样通过软件控制即可实现一个2min的语音录放系统[[] 郑锋，王巧芝等.51单片机应用系统典型模块开发大全第三版[M].北京：中国铁道出版社，2013，397-402
]。
3.5 栏木机驱动模块
一、栏木机的选择
当道口有列车行驶时, 可以通过放下栏木的方式,用以阻止道口过往的行人或车辆抢行。一般来说木机分为以下几类：
１．手拉杆: 利用力矩平衡的原理, 通过道口人员手操作栏杆, 使栏杆升起或落下。
２．液压栏木道口:液压栏木道口是受电气控制，以液压油为工作介质，通过电能、机械能、压力能之间相互转化来传递动力的。
３．电动栏木: 电动栏木道口取消了液压栏木道口的液压传动系统装置和集成时间继电器、操纵继电器两部分电气线路。改用直流电动机启动，用减速机减速，利用连杆传动代替液压传动。
它们的优点与缺点的对比如下表3.4所示：
表3.4　不同栏木机的优缺点对比

优点
缺点
手拉杆
成本低，结构简单，操作方便
自动化程度低，效率低
液压栏木
同等输出功率下，液压传动装置体积小，质量轻，动态性能好；可实现无间隙传动，运动平稳；采用油作为介质，有自我润滑作用可以延长寿命。
电气线路复杂，电缆线太多，维修困难；存在机械摩擦、液体的可压缩性和可能泄漏等问题；对油温和负载的变化敏感，不宜在高低温条件下使用。
电动栏木
解决了部分备品备件的来源，又降低了成本费用；而且减低了维护人员的维修困难。
直流电动机的功率较小，启动电流较大，栏栅配重较大，直流电动机满负荷运转，也加速了减速机的磨损。
通过对上述几种设计方案优缺点的比较，我认为由于液压传动栏木关键时刻有可能由于控制失灵而造成事故，因此在北方较寒冷地区不太适用。由于直流电动机驱动的栏木机使用可靠性高、结构简单、成本低，可以铁路道口安全装置频繁起动的要求[[] 王晓淑，袁晓东等.钢铁厂厂区铁路道口设计方案的选择[J].河北：河北冶金2003，50-52
]。
二、栏木机驱动电路设计
AT89C51单片机实现直流电机简易驱动的电路原理图如下图3.9所示:

图3.9　51单片机驱动直流电机原理图
由于单片机输出电压最高为5V，难以直接驱动直流电压，所以需要使用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298来驱动电机，L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5~7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2.5~46V，输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。L298N可以接两台电机，这里在OUT1与OUT2之间驱动一台电机，L298N与单片机之间用光电耦合器进行光电隔离，L298N的5脚与7脚通过单片机PI.0，PI.1的输入改变芯片控制端的电平，即可对电机进行正反转，停止的操作，ENA为使能端接高电平。当直流电机正转时，控制栏木机前伸，当直流电机反转时，控制栏木机后退。当直流电机停止时，栏木机也跟着停止。输入引脚与输出引脚的逻辑关系如下表3.4所示：
表3.4　L298N逻辑关系表
ENA
IN1
IN2
电机运转状态
栏木机状态
1
1
0
正转
前伸
1
0
1
反转
后退
1
1
1
刹停
刹停
1
0
0
停止
停止

3.6 键盘输入与数码管显示模块
一. 键盘输入电路
键盘实际是一系列按键开关的集合，平时按键开关处于断开状态，当按键按下后开关闭合，它是人向机器输入数据的基本设备。
键盘一般分成两个基本类型:一种为编码键盘，它是用硬件电路来进行识别;另一种是非编码键盘，它用软件方法来进行识别。编码键盘与非编码键盘的主要区别是：编码键盘本身带有实现接口主要功能所需的硬件电路，不仅能自动栓测被按下的键并完成去抖动防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的键码（如ASCⅡ码）送往CPU，而非编码键盘只简单的提供按键开关的行列矩阵，有关键的识别，键码的输入与确定，以及去抖动等功能场由软件完成。但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。
键盘输入电路选择8279作为参数显示和信息设置的核心，8279是一种通用可编程键盘/LED芯片可以同时进行键盘扫描和文字，它具有8乘8位FIFO（先进先出寄存器）和 16乘8位的RAM（随机存取存储器）。利用8279可以自动扫描键盘和显示器以及对键盘上闭合键的键码进行识别，同时还具有串键保护和键盘消抖的功能。8279芯片不仅程序简单不会出现误操作，而且显示性能非常稳定，它的引脚如下图3.10所示：

图3.10　8279引脚图
8279的引脚功能介绍如下所示：
DB0～DB7:双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。
CLK:时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。
RESET:复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。
CS:片选输入线，低电平有效，单片机在CS端为低时可以对8279读/写操作。
A0:缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态， 当为低电平时，表示数据总线上为数据。
RD:读信号输入线。 WR:写信号输入线。
IRQ:中断请求输出线。
SL0～SL3:扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字，这些可被编程或被译码。
RL0～RL7:回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接，这些回送线内部设置有上拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。
SHIFT:换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT开关时，SHIFT输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮起来。
CNTL/STB:当CNTL/STB开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平， 对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，
在选通输入方式中，作选通用，把数据存入FIFO RAM中。
OUTA3～OUTA0及OUTB3～OUTB0:显示输出A口及B口，这两个口是16×4切换的数字显示。这两个端口可被独立控制，也可看成一个8位端口。
BD:空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。
VCC:+5V电源输入线。VSS:地线输入线。
系统将8279的片选输入线CS和译码器74LS138的Y1相连接，用来启动8279工作和寻址。把双向地址总线DB0～DB7和单片机的P0口相连进行数据和控制命令的传送。8279的A0同单片机的A0相连，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。SL0～SL3为扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字，把8279的扫描线接成编码扫描方式，与8乘3键盘和16位LED显示器进行外接。RL0～RL7是回送线，经过按键与扫描线连接。在键盘工作方式下，对回送线逐条扫描，用来确定是哪个键闭合。该闭合键在阵列中的地址以及SHIFT和CNTL的状态一起形成键盘数据送入先进先出寄存器[[] 何立民.MCS-51单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社,1989，24-133
,[] 李广军，王厚军.实用接口技术[M].四川：电子科技大学出版社，1998.67-79
]。
二.数码管显示电路
LED是发光二极管的缩写。LED显示器是由发光二极管按照一定结构组合起来的显示字段的显示器件，也称为数码管。数码管由8个发光二极管构成，其中的7段发光二极管构成7笔画的“8”字型，一段构成小数点。通过发光二极管的不同发光组合可显示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[[]王浩全，李晋华等.单片机原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2013.174-176
]。
8279的OUTA0～A3、OUTB0～OUTB3管脚依次对应显示了每个