基于光电开关的铁路道口检测系统设计与实现

孔繁军

（辽宁省交通高等专科学校 轨道交通工程系，辽宁 沈阳 110122）

0 引言

平交道口是铁路和公路的平面交叉[1]，伴随着我国铁路高质量和跨越式发展，铁路行车速度和里程数也相应的不断提高，但在钢铁和矿场等地还是存在很多无人值守的平交道口[2]。为了改善铁路平交道口尤其是厂矿和偏远地区无人值守道口的安全状况，设计和开发一种新型实用的铁路道口检测系统是十分有必要的，该系统可以在列车接近道口前发车声音和灯光告警，提示过往的行人、车辆注意安全，并将道口的栏木放下以阻止公路上的行人与车辆通过，这对减少人民群众生命财产损失、提高铁路运输效率具有一定的现实意义[3]。

1 无人道口检测系统组成

无人道口检测系统的硬件结构中，中央处理器为STC89C52，外围电路主要由红外对射模块、CAN总线模块、语音播报模块、声光报警电路、栏木驱动电路以及GPRS模块组成，如图1所示。

图1 无人道口报警系统的硬件结构

系统采用红外对射传感器来检测火车是否接近，将该传感器安装在无人道口的两侧。当火车经过红外对射传感器处，传感器就会产生高电平，该电平经过单片机处理后送至CAN总线接口。CAN总线电路主要由CAN控制器SJA1000、总线驱动器82C250、光耦6N137组成。SJA1000作为CAN总线控制器通过对片内寄存器的读写操作，实现数据的发送与接收。通过82C250实现与物理线路的连接，增强CAN总线的差动发送和接受驱动能力。光耦6N137的作用是增强CAN总线节点的抗干扰能力防止线路间干扰。单片机收到列车即将到来的信息后，使道口栏木落下。与此同时，进行语音和闪光报警以提醒行人、车辆注意安全。语音播报采用的是集成ISD4004模块，可以录制和播放两分钟的播报内容，性价比较高，也非常实用。闪光报警采用红色闪光灯。GPRS将道口信息传到监控中心，由监控中心提醒列车。列车全部通过道口后，设置在道口另一侧的红外传感器将列车离去的信息，通过相同的方式传给道口的单片机，单片机通过一系列的控制动作和程序解除报警打开栏木、停止语音播报并将道口灯变为绿色。

2 系统主要功能和模块设计

2.1 立体式红外对射检测功能

红外检测点采用立体式检测方式，当检测到火车车轮信息时，红外对射传感器检测点产生一个信号，通过信号线传输到单片机。

2.1.1 传感器的数量

如果系统采用单个传感器进行检测工作，当传感器损坏时会使检测系统无法正常工作，导致系统故障、无人道口关闭，影响监控系统的正常运行；更严重的是，当列车驶向无人道口而传感器故障未能检测到该信息时，公路上的行人和车辆没有收到无人道口的提示或警告信息而正常通过道口，将有可能导致交通事故，带来经济损失和人员伤亡，这也不符合铁路信号系统的“故障-安全”原则；另外当人、牲畜等遮挡住单个红外对射传感器时，道口控制台接收到该错误信息，从而错误的关闭无人道口，这会降低行人和车辆通过无人道口的效率，也不符合系统的稳定性和可靠性性能需求。在同一检测点，放置多个传感器是解决这一问题的较好方法，但过多的传感器必然会带来较高的经济成本。综上所述，系统采用4个红外对射传感器来检测列车的接近和离去信息。

2.1.2 传感器的安装距离

按照铁路相关规定，列车在通过道口的时候要减速行驶，一般通过无人道口的运行速度不会超过60 km/h，当传感器检测到列车接近时，要给道口设备预留出1 min左右的动作时间，主要是将道口栏木放下和进行声光报警、语音提示灯，综上，可以将传感器安装在距离无人道口两侧1 km左右的钢轨两侧。

2.1.3 传感器的布点方式

铁路上运行的列车种类较多，其中用于运载坦克、汽车等大型车辆的列车是没有车厢的，针对这种特殊情况，为了能够检测到全部种类列车的接近信息，系统是以列车车厢底部是否遮挡住红外对射传感器来判断是否有列车接近的，因此红外对射传感器的发射端和接收端一高一低的放置，这样可使传感器的光线会穿过列车的车厢底部。每对红外对射传感器由一个发射端和一个接收端组成。4个红外对射传感器的发射端在钢轨的同一侧，而4个红外对射传感器的接收端在钢轨的另一侧，每对红外对射传感器采用一高一低的安装方式，较低的红外传感器高出钢轨面20～25 cm，较高的红外对射传感器高出铁轨面2～2.5 m，这种布置可以满足铁路限界要求，又能确保经过的列车车厢底部能够遮挡住发射端发出的红外线。

2.2 语音报警功能

当任一方向的列车接近道口时，检测到的信号通过CAN总线传输到单片机进行处理，单片机控制LED指示灯闪烁并使语音播报系统进行播报，向过往车辆行人发出列车将至的警报，提醒行人和车辆注意安全。语音播报电路由ISD1420语音芯片、一个麦克、一个喇叭、几个阻容元件、两个开关和电源灯外围电路等组成。该语音播报电路将ISD1420芯片的A6，A7引脚接5V电源VCC；A0，A1，A2，A3，A5引脚接低电平；单片机的P1.0引脚和P1.1引脚分别连接接到ISD1420的PLAYE引和A4引脚；ISD1420的录音控制引脚REC一端接电阻然后接5V电源VCC、另一端连接到按钮S2然后接地。录音时，单片机的P1.1引脚控制A4引脚为高电平，按下按钮S2使REC引脚始终保持为低电平，松开按钮S2或者录音时间超过20 s后录音过程结束，录下的声音通过话筒输入并保存在语音芯片中；播放时，单片机的P1.1引脚控制A4引脚为高电平，P1.0引脚给PLAYE引脚一个边沿触发信号开始进行播放。由于录音引脚REC的优先级高于PLAYL和PLAYE，如果在播放期间遇REC为低电平将导致播放结束而进入录音状态，所以在播放期间要保持REC引脚始终为高电平。

2.3 栏木驱动功能

本系统设计的栏木类似于现在汽车进入停车场或者小区的栏杆。在检测到火车来临信息时，声光报警系统与栏木驱动系统同时工作，保证过往行人以及车辆的安全。本系统道口栏木驱动选用了L298N芯片驱动芯片来驱动直流电机，实现道口栏木的控制。当火车来临或者离开的信号经过单片机处理之后，单片机通过使能端ENA与INT1，INT2，可以实现直流电机的正反转，电机带动栏木实现栏木的开和关。

2.4 GPRS接口

GPRS接口的设计，可以实现与上位机的连接，将该无人道口的数据传送到控制中心，同时一个上位机控制几个甚至几十个道口的通行状况，这样可以实现一个工作点管理检测多个无人道口的目的。

2.5 CAN总线接口电路设计

为了实现CAN通信，系统的硬件电路中采用的SJA1000芯片，它的主要作用是实现上位机与单片机之间的数据通信。具体功能实现方式是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态后，然后再传给下位机的控制电路实现进而实现控制功能；而当CAN总线接收到来自单片机上传来的数据后，SJA1000芯片就会相应的产生一个中断，触发单片机产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并上传给上位机进行数据分析。STC89C52单片机是CAN总线接口电路的核心，主要功能是实现CAN总线控制器的初始化、CAN数据的收发语句控制等任务。

系统采用82C250芯片作为CAN控制器SJA1000与物理总线间的接口，由于铁路周围环境较为荒凉，风沙和高频磁场的存在会对系统的数据传输产生一定的干扰，为此，在CAN控制器和CAN收发器之间采用光耦6N137进行光电隔离，以提高系统数据传输的可靠性。

CAN总线可以实现远距离数据传输，将红外对射传感器检测到的信号传输到单片机，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，传输速率高，同时抗干扰能力强的特点，也是本系统的难点之一。

2.6 道口信号机设计

道口信号机俗称红绿灯，和公路路口的红黄绿信号灯功能类似，是每个铁路道口必须装备的基本防护设备。本设计采用一个红色和一个绿色的LED发光二极管来模拟无人道口的信号机[4]。

系统的电路板设计中，两个LED发光二极管的负极通过一个1 K电阻接至单片机的IO口，正极直接连接到5 V电源VCC上。若想让LED灯点亮，只需给该LED灯的负极所接的IO口一个低电平即可；同理，若想让LED灭，则给对应的IO口一个高电平即可。这样就可以模拟火车离去时绿灯亮红灯灭的情景。为了实现故障-安全原则，当系统故障时，红色灯光也变为灭灯状态。

本系统的最终框架结构如图2所示。

图2 系统结构框架

3 结语

本系统的实现可以提高铁路无人道口的行车效率，与将平交道口改为立体式的方式相比，可以减少建设成本。系统能够准确及时地预警，能够有效避免因道口员或机车乘务员执行标准化作业有偏差而导致道口事故。同时能大大节省人力成本，减少铁路的运营成本，提高铁路的市场竞争力。