Разработка автоматической системы управления железнодорожным переездом

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Разработка автоматической системы управления железнодорожным переездом

Реферат

МИКРОПРОЦЕССОР ДАТЧИКИ ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ

Перед нами стоит задача разработки устройства-системы автоматического управления, которая отвечает за безопасность движения транспорта через железнодорожный переезд.

Устройство будет работать на микроконтроллере PIC16F84A, в связи с наличием системы виртуального проектирования PROTEUS, существует возможность демонстрации рабочей схемы проекта.

Содержание

Введение

1. Анализ систем управления железнодорожным переездом

1.1 Обзор переездных систем

1.2 Устройство и основные элементы

1.3 Виды переездов и их техническое оснащение

2. Разработка автоматической системы управления

2.1 Разработка функциональной схемы автоматической системы управления

2.2 Компоненты автоматической системы управления

3. Разработка программного кода системы управления

3.1 Разработка схемы системы управления

3.2 Разработка программного кода для PIC 16F84A

3.3 Описание программного кода для PIC 16F84A

Заключение

Литература

Введение

автоматическое управление микроконтроллер железнодорожный

Перед нами стоит задача разработки автоматизированной системы управления шлагбаумом на ж/д переезде, которая отвечает за безопасное передвижение автомобильного транспорта через железнодорожный переезд.

Есть целый класс устройств, которые могут работать без непосредственного участия человека, к ним относятся:

· Устройства, работающие по установленному ранее временному алгоритму

· Устройства, работающие под управление процессора (микроконтроллера)

Устройства, которые работают по заданному временному алгоритму, называются программируемыми таймерами. В них прописывается нужное время включения светофора (симафора) и время открытия и закрытия шлагбаумов перекрывающих, или открывающих ж/д переезд.

Системы, работающие под управлением процессора (микроконтроллера), образно можно назвать интеллектуальными системами управления. Такие системы управляют движением в зависимости от конкретно сложившейся ситуации на вверенном под управление данной системы отрезке железнодорожного пути.

Ж/д переезды, на которых наблюдается интенсивное движение автотранспорта оснащаются именно такими системами управления. Они имеют ряд существенных преимуществ перед другими системами, основными из которых можно выделить:

· Надежность

· Дешевизна в обслуживании

· Отсутствие человеческого фактора

В данной курсовой работе для построения автоматизированной системы управления использовались: Микроконтроллер PIC 16F84A, устройство световой сигнализации, контактные датчики, оптрон. Устройство будет работать на микроконтроллере PIC16F84А, в системе виртуального моделирования Proteus и как следствие возможностью действия в реальном времени, без использования физических аппаратных частей системы управления.

1. Анализ систем управления железнодорожным переездом

Пересечения автомобильных дорог с железнодорожными путями в одном уровне являются наиболее сложными и опасными элементами дорожной сети, оказывающими существенное влияние на эффективность эксплуатации автомобильного и железнодорожного транспорта в целом.

Проблема железнодорожных переездов является очень важной еще и потому, что более половины от общего числа переездов составляют регулируемые переезды, расположенные на маршрутах основных пассажирских перевозок. ДТП на этих переездах сопровождаются, как правило, большим количеством пострадавших.

Железнодорожные переезды, как объекты повышенной опасности, на которых железнодорожный транспорт имеет преимущество в движении перед всеми остальными видами транспорта, согласно требованиям нормативных актов железнодорожного транспорта (Инструкция по эксплуатации железнодорожных переездов МПС России) должны быть оборудованы необходимыми устройствами, обеспечивающими безопасность движения, улучшающими условия пропуска поездов и транспортных средств.

Одной из первоочередных задач в решении проблемы снижения риска возникновения ДТП на железнодорожных переездах является совершенствование технической оснащенности участков автомобильных дорог в границах переездов и на подходах к ним.

1.1 Обзор переездных систем

Железнодорожные переезды относятся к местам с наибольшей опасностью для движения обоих видов транспорта и поэтому требуют специального ограждения. Учитывая большую инерционность железнодорожных подвижных единиц, преимущественное право движения на переездах предоставляется железнодорожному транспорту. Беспрепятственное его движение по переезду исключается лишь в случае возникновения аварийной ситуации. На этот случай предусматривается специальная заградительная сигнализация автоматического или неавтоматического действия. В направлении движения автотранспорта переезды оборудуют постоянно действующими средствами ограждения.

Для этой цели применяются следующие устройства: автоматическая переездная светофорная сигнализация с автоматическими шлагбаумами (АПШ);

· автоматическая переездная светофорная сигнализация без автошлагбаумов (АПС);

· оповестительная переездная сигнализация (ОПС), дающая лишь извещение на переезд о приближении поезда;

· механизированные и электроприводные шлагбаумы не автоматического действия.

· Автоматическая переездная сигнализация с автошлагбаумом и световой сигнализацией.

1.2 Устройство и основные элементы

Переезды, как правило, устраиваются на прямых участках железных и автомобильных дорог, пересекающихся под прямым углом. По существующей международной классификации на железнодорожных переездах как объектах наибольшей опасности для передачи команды о запрещении движения автотранспорта принят особый сигнал -- два поочередно включающихся красных огня. На железных дорогах России для этой цели используются переездные светофоры специальной конструкции. При отсутствии поезда на участках приближения к переезду включен зеленый свет светофора, либо лампы в светофорных головках погашены, что даёт право автотранспорту двигаться через переезд с соблюдением мер предосторожности, предусмотренных правилами движения. Переездные светофоры устанавливаются с правой стороны дороги на расстоянии не менее 6 м от головки крайнего рельса. При этом должна обеспечиваться хорошая видимость его автотранспорту, чтобы автопоезд, движущийся с максимальной скоростью, мог остановиться на расстоянии не менее 5 м от светофора. Автоматические шлагбаумы перекрывают проезжую часть автодороги при закрытии переезда и механически препятствуют движению автотранспорта. В настоящее время преимущественно применяются полушлагбаумы, перекрывающие от 1/2 до 2/3 проезжей части по ходу движения автотранспорта. С левой стороны дороги должна оставаться не перекрытой полоса шириной не менее 3 м. Чтобы обеспечить своевременное открытие переезда после освобождения его поездом, у переезда устанавливаются дополнительные изостыки, изолирующие включения оповестительной сигнализации на сети и ограничивающие длину РЦ участков приближения. Существующие РЦ без дополнительных изолирующих стыков могут быть использованы для выключения, если их изолирующие стыки находятся на однопутных участках на расстоянии не более 40 м от переезда; на двухпутных участках -- не более 40 м перед переездом и 150 м за переездом.

Участки приближения у переездов могут оборудоваться РЦ наложения. Разработаны и широко применяются на промышленном железнодорожном транспорте системы АПС с двусторонней постоянно действующей сигнализацией как в сторону автомобильной, так и в сторону железной дороги. Сигнализация построена по взаимоисключающему принципу: разрешающее показание на автодорожных светофорах возможно лишь при запрещающих показаниях на железнодорожных и наоборот. Это позволяет сохранить допустимый уровень отказов при использовании элементов ниже первого класса надежности. Оборудование переездов промышленного транспорта такими системами позволяет, в частности, повысить пропускную способность железнодорожных участков благодаря увеличению скорости движения поездов через переезды. На магистральном транспорте применение таких систем возможно при условии сохранения пропускной способности железнодорожных участков, на которых расположены переезды.

В действующих системах АПС способы автоматического управления ограждающими устройствами на переездах, расположенных на перегоне, зависят от их местоположения относительно входных и проходных светофоров, вида АБ и характера движения поездов (одностороннее или двухстороннее). Этим вызвано большое разнообразие существующих типов переездных установок, отличающихся главным образом схемами управления и увязки с АБ. Так, для переездов на двухпутном участке с числовой кодовой автоблокировкой разработано 10 типов схем управления переездной сигнализацией. На однопутных участках с числовой кодовой АБ число таких типов переездных установок еще более возрастает. Типы установок отличаются в основном схемами извещения, т. е. способом посылки на переезд команд о включении и выключении переездной сигнализации. Схемы непосредственного управления сигнализацией и автошлагбаумами практически остаются неизменными, что очень важно для производства строительно-монтажных работ и обслуживания. Вместе с тем схемы извещения на переезд, как и схемы управления, ограждающими устройствами, строятся с обеспечением максимально возможной универсальности, иногда путем некоторого усложнения. На переездах расположенных, на перегоне с числовой кодовой АБ для извещения используются двухпроводные линейные цепи, поскольку приемные устройства РЦ находятся на входных концах. В зависимости от расчетной длины участка приближения цепи извещения связывают переезд с одной или двумя ближайшими сигнальными установками в каждом направлении движения. При вступлении поезда на участок приближения по цепи извещения на переезд подается команда на закрытие переезда. Если фактический участок приближения больше расчетного, то исполнение команды производится с соответствующей задержкой во времени. Команда на переезд об открытии посылается после проследования поезда по РЦ. Для этого вслед движущемуся к переезду поезду поступают кодовые сигналы, которые воспринимаются на переезде после его освобождения. Ограждающие устройства приводятся в исходное состояние. Посланная ранее команда на закрытие переезда отменяется полностью лишь после полного освобождения поездом блок-участка, на котором расположен переезд.

1.3 Виды переездов и их техническое оснащение

Простейший способ обеспечения безопасности движения транспортных средств через переезд заключается в подаче дежурным по переезду ручных сигналов о приближении поезда и закрытии шлагбаума механической лебедкой. Эти действия дежурный по переезду совершает после телефонного уведомления дежурного по станции о начавшемся или предстоящем движении поезда, в связи, с чем данному способу свойственны следующие недостатки: излишние простои транспортных средств из-за преждевременного закрытия переезда; зависимость безопасности движения на переезде от согласованности, правильности и своевременности действий, дежурных по станции и переезду. Поэтому широко применяют устройства автоматического ограждения переездов, к которым относятся автоматическая переездная сигнализация с автошлагбаумами или без них и автоматическая переездная (оповестительная) сигнализация с электрошлагбаумами или механизированными шлагбаумами, управляемыми дежурным по переезду. Большое число переездов на сети железных дорог и рост объемов перевозок всеми видами транспорта обусловливают потребность в значительных средствах и времени на строительство переездной сигнализации. Поэтому приходится в зависимости от местных условий применять различные способы обеспечения безопасности движения на переездах. Переезды делятся на четыре категории и бывают регулируемыми и нерегулируемыми .

На регулируемых переездах безопасность движения обеспечивается устройствами переездной сигнализации или дежурным работником, а на нерегулируемых -- только водителями транспортных средств. Охраняемыми называют переезды, на которых имеется дежурный работник.

Переездную сигнализацию с дежурным работником используют на переездах: через которые движутся поезда со скоростью более 140 км/ч; расположенных на пересечениях главных путей с дорогами, по которым осуществляется трамвайное или троллейбусное движение; I категории; II категории, расположенных на участках с интенсивностью движения более 16 поездов/сут, не оборудованных автоматической светофорной сигнализацией зеленым или лунно-белым огнем. На переездах, не оборудованных переездной сигнализацией, движение автотранспорта регулирует дежурный работник в следующих случаях: при движении поездов со скоростью более 140 км/ч; при пересечениях трех и более главных путей; при пересечениях главными путями дорог с трамвайным и троллейбусным движением; на переездах I категории; на переездах II категории с неудовлетворительными условиями видимости, а на участках с интенсивностью движения более 16 поездов/сут независимо от условий видимости; на переездах III категории с неудовлетворительными условиями видимости, расположенных на участках с интенсивностью движения более 16 поездов/сут, а также расположенных на участках с интенсивностью движения более 200 поездов/сут независимо от условий видимости.

Охраняемые переезды на перегонах оборудуют автоматической светофорной сигнализацией с зеленым (лунно-белым) огнем или без зеленого (лунно-белого) огня с автоматическими шлагбаумами. Охраняемые переезды на станциях оборудуют оповестительной сигнализацией с зеленым (лунно-белым) огнем и полуавтоматическими электрошлагбаумами, которые закрываются автоматически, а открываются нажатием кнопки дежурным работником. В исключительных случаях допускается использование автоматической оповестительной сигнализации с электрошлагбаумами.

На охраняемых переездах устраивают заградительную сигнализацию. В качестве заградительных светофоров можно использовать станционные и перегонные светофоры, расположенные от переезда на расстоянии не более 800 м и не менее 16 м при условии видимости переезда с места их установки. Если нельзя использовать перечисленные светофоры, то устанавливают заградительные светофоры на расстоянии не менее 15 м от переезда. Заградительные светофоры устанавливают на однопутных участках с двух сторон от переезда, а на двухпутных участках по правильному пути. Заградительные светофоры устанавливают по неправильному пути в следующих случаях: на двухпутных участках, оборудованных двусторонней АБ; при регулярном движении по неправильному пути; в пригородных зонах крупных городов при движении свыше 100 пар поездов/сут. Установка заградительных светофоров для движения поездов по неправильному пути допускается с левой стороны.

Если требуемая видимость заградительного светофора не обеспечивается, то на участках, не оборудованных АБ, впереди такого светофора устанавливают предупредительный светофор, по форме одинаковый с заградительным и подающий сигнал желтым огнем при красном огне основного светофора и негорящий -- при погашенном огне основного светофора. Все охраняемые переезды, расположенные на участках с АБ, должны быть оборудованы устройствами для переключения ближайших к переездам светофоров АБ на запрещающие показания при возникновении препятствия для движения поездов.

Охраняемые переезды на подъездных и других путях, оборудуют светофорной сигнализацией с электрическими, механизированными или ручными шлагбаумами, а неохраняемые -- светофорной сигнализацией. В обоих случаях устанавливают светофоры с красным и зелеными огнями, управляемые дежурным работником, составительской (локомотивной) бригадой или автоматически при вступлении поезда на датчики.

2. Разработка автоматической системы управления.

2.1 Разработка функциональной схемы автоматической системы управления

Устройство должно будет выполнять следующие действия:

· Получать данные с контактного датчика

· Проверять данные с фотодатчика

· Включать и отключать устройства регулировки движением

Структурная блок схема АСУ представлена на рис.1.

Рис.1 Структурная блок схема устройства.

Принцип действия АСУ

Учитывая скорость передвижения современных ж/д составов, датчик D1 оповещающий систему о приближении поезда рекомендуется устанавливать на расстоянии от переезда 2-5 км, в зависимости от интенсивности транспортного движения через ж/д переезд. Соответственно в программу прошивки микроконтроллера вносят изменения в временные интервалы, которыми будет руководствоваться система автоматического управления.

При срабатывании датчика D1, сигнал о приближении поезда по проводной, или иной связи, подается в микроконтроллер. Микроконтроллер, условно говоря принимает решение о закрытие ж/д переезда для автомобильного транспорта. Команда о закрытие переезда подается на средство световой сигнализации(светофор), который начинает процедуру перехода разрешающего сигнала в запрещающий. После переключения световой сигнализации в запрещающий режим, опрашивается датчик FD, который сигнализирует систему о наличии, или отсутствии помехи (автомобиля) в районе работы шлагбаума. Если такая помеха отсутствует, то поступает сигнал на закрытие шлагбаума.

После того как последний вагон состава пересек район ж/д переезда, срабатывает датчик D2, который подает соответствующий сигнал в микроконтроллер. Микроконтроллер с учетом временных интервалов осуществляет процедуру открытия ж/д переезда для автомобильного транспорта.

Основываясь на данных с блок-схемы и алгаритма работы АСУ приступим к разработке принципиальной схемы устройства автоматического управления ж/д переездом.

2.2 Комноненты Автоматической системы управления

Контактный датчик

Контактный датчик представляет собой пару электрических контактов, замыкаемых некоторым подвижным устройством, оказывающим давление на этот датчик. Роль такого датчика чаще всего выполняет стандартный кнопка-выключатель. Для считывания информации с датчика в программном эмуляторе предусмотрена функция ввода в порт микроконтроллера.

Наиболее простыми и надежными являются контактные датчики цели реакционного типа, выполненные в виде двух изолированных контактов. Один из контактов выполнен в виде центрального электрода, жестко соединенного с несущим корпусом, а другой - в виде наружной оболочки, размещенной относительно центрального электрода с зазором. При этом наружная оболочка является чувствительным элементом датчика. При оказании давления на наружную оболочку, происходит замыкание контактов датчика рис.3.

Рис.3 Универсальный влагозащищенный контактный датчик, регулируемый по высоте, длина 63 мм.

В настоящее время контактные датчики применяются практически во всех областях техники: Машиностроение, авиация, охранные системы, автоматические электронные устройства и т. д.

Фото датчик (оптрон)

Фотодатчики состоят из источника излучения, фотоприемника, преобразователя сигнала и усилителя сигнала. Приемник анализирует поступивший световой поток, проверяет, поступил ли он от источника излучения и передает соответствующий сигнал на усилитель и далее на исполнительное устройство. По сравнению с другими типами датчиков, фотодатчики обладают рядом преимуществ. Диапазон действия фотодатчиков существенно превосходит индуктивные, емкостные и другие виды датчиков. Высокая чувствительность даже при миниатюрном исполнении и многочисленные варианты конструкций корпуса позволяют фотодатчикам решать практически любые задачи.

Фото датчики существуют трёх типов: сквозной тип, отражение от объекта и отражение световозвращателя и с применением двух датчиков, приёмника и датчика излучателя. Все типы фото датчиков широко используются в промышленном оборудовании.

Фотодатчики сквозного типа рассчитаны на большое расстояние срабатывания, так как имеют фотоприёмник. Расстояние срабатывания таких фотодатчиков, а точнее прерывания луча достигает 30 метров. Такие фототодатчики в основном устанавливаются в такие места, где нужно большое расстояние прерывания, от 30 сантиметров до десятков метров.

Фотодатчики, срабатывающие от присутствия объекта, рассчитаны на расстояние срабатывания до 30 сантиметров. Такие фотодатчики устанавливаются в автоматические линии, где отсутствует влага и пыль. Если на фотодатчик попадает влага или пыльная среда со временем создаёт помеху фотодатчику, то возможно некорректное срабатывание от этих воздействий.

Фотодатчики с отражением от световозвращателя являются бюджетной альтернативой фотодатчиков сквозного типа. У них вместо фотоприёмника стоит обычный отражатель. Конструкция имеет меньшее расстояние срабатывания и меньшую стоимость, что может хорошо сказаться на большой партии производимого оборудования. Фотодатчики с отражением от световозвращателя требуют обязательной чистоты отражателя. При запылённости отражателя возможно некорректное срабатывание фотодатчика.

В системе автоматизации ж/д переезда я предлогаю использовать датчик сквозного типа. В качестве такого датчика можно использовать фотодатчики отражательного типа с ограниченной дальностью действия серии EX и конкретно датчик EX-03N. Рис.4.



Рис. 4 датчик EX-03N

Техническая хорактеристика датчика:

Небольшие размеры и дальность действия. Защита от перегрузки и переполюсовки. Тип - отражение от объекта. Дальность действия: 25.0мм; 70.0мм. Время отклика 1 мс. Напряжение питания 10…30В постоянного тока; пульсации < 20%. Потребляемый ток 15мА. Выход NPN транзистор с открытым коллектором. Состояние выхода н.о. Макс. ток нагрузки - 150 мА макс. Падение напряжения 0.1В макс. Ток утечки 0.8 мА. Схема защиты - защита от КЗ и переполюсовки. Гистерезис - 20% от макс. дальности действия. Внешнее освещение искусственное < 20000 Лк; естественное < 5000 Лк. Прочность изоляции 1кВ (1 мин.). Подключение - кабель (3 провода х 3м). Рабочая температура от минус 20 до +80°С; 35% - 85% RH. Класс защиты IP-65.

Принципиальная схема датчика представлена на рис.5

Рис.5. Принципиальная схема датчика EX-03N

В качестве фото датчика, в системе вертуального моделирования использовался оптрон рис.6. Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник). Идея создания и применения оптронов относится к 1955 г., когда в работе Loebner E. E. "Optoelectronic devices network" была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами, что позволяло осуществлять усиление и спектральное преобразование световых сигналов, создавать приборы с двумя устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны, оптоэлектронные устройства накопления и хранения информации логические схемы, регистры сдвига. Там же был предложен и термин "оптрон", образованный как сокращение от английского "optical-electronic device".

Описанные в этой работе оптроны, отлично иллюстрируя принципы, оказались непригодными для промышленной реализации, так как основывались на несовершенной элементарной базе - неэффективных и инерционных порошковых электролюминесцентных конденсаторах (излучатель) и фоторезисторах (приемник). Несовершенны были и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов: низкотемпературная и временная стабильность параметров, недостаточная устойчивость к механическим воздействиям. Поэтому. на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением не находящим применения в технике.

Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучающих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы) начала создаваться элементарная база современной оптронной техники. К началу 70-х годов производство оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники, успешно дополняющую традиционную микроэлектронику.

В данном проекте вешеобозначеный датчик подключен к микроконтроллеру через отдельный вывод порта А.

Рис.6. Оптрон.

Микроконтроллер

Микроконтроллер PIC16F84 Pис.7, относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью. Пользователи, которые знакомы с семейством PIC16C5X могут посмотреть подробный список отличий нового от производимых ранее контроллеров. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (1 мкс при 4 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (2 мкс). PIC16F84 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. входной ток, 20 мА макс. выходной ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16F84 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором (только фирмы Microchiр) и программатором.

Серия PIC16F84 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16F84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Рис.7 Микроконтроллер PIC 16F84A

Рис.8 схема расположения ножек PIC16F84

Обозначения ножек и их функциональное назначение:

Обозначение	Нормальный режим	Режим записи EEPROM
RA0 - RA3	Двунаправленные линии ввода/вывода. Входные уровни ТТЛ
RA4/T0CKI	Вход через триггер Шмитта. Ножка порта ввода/вывода с открытым стоком или вход частоты для таймера/счетчика TMR0
RB0/INT	Двунаправленная линия порта ввода/ вывода или внешний вход прерывания Уровни ТТЛ
RB1 - RB5	Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ
RB6	Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ.	Вход тактовой частоты для EEPROM
RB7	Двунаправленные линии ввода/ вывода. Уровни ТТЛ.	Вход/выход EEPROM данных.
/Vрр	Низкий уровень на этом входе генерирует сигнал сброса для контроллера. Активный низкий.	Сброс контроллера Для режима EEPROM- подать Vрр.
OSC1/CLKIN	Для подключения кварца, RC или вход внешней тактовой частоты
OSC2/CLKOUT	Генератор, выход тактовой частоты в режиме RC генератора, в остальных случаях - для подкл.кварц
Vdd	Напряжение питания	Напряжение питания
Vss	Общий(земля)	Общий

Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) - имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14- битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16F84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Рис.9 структурная схема PIC16F84

Объект управления

Объектом управления в данном проекте являются:

· Устройство оптической сигнализации (светофор),

· Шлагбаум. В программе Proteus исполнен в виде световых индикаторов, имитирующих верхнее и нижнее положение шлагбаума.

В данном курсовом проекте, в качестве световой сигнализации использовался светофор.

Виды светофоров:

Существует несколько видов светофоров регулирующих движение и не только на дорогах. Реверсивные светофоры регулируют движения по полосам проезжей части и светофоры для маршрутных транспортных средств устанавливаются в основном в крупных городах.

Автомобильные светофоры с сигналами обычно круглыми трех цветов: красного, жёлтого и зелёного. Сигналы могут быть расположены как вертикально - при этом красный сигнал всегда располагается

сверху, а зелёный - снизу, так и горизонтально - красный сигнал всегда располагается слева, а зеленый - справа.

Автомобильный светофор. Светофоры для пешеходов регулируют их движение через пешеходный переход. Такие светофоры имеют два вида сигналов: разрешающий и запрещающий. Обычно для этой цели используют соответственно зелёный и красный свет. Сами сигналы имеют различную форму. Чаще всего используют сигналы в виде силуэта человека: красный -- стоящего, зелёный -- идущего. Светофор для велосипедов регулирует движения велосипедов. Это может быть светофор, сигналы которого выполнены в форме силуэта велосипеда, или обычный трехцветный светофор, снабженный специальной табличкой.

Трамвайный светофор предназначены для регулирования движения трамваев. Обычно устанавливаются перед участками с ограниченной видимостью, перед затяжными подъёмами, спусками, на въезде или выезде трамвайных депо. Обычно трамвайные светофоры имеют 2 сигнала: красный и зеленый. Действие трамвайных светофоров распространяется только на трамваи.

Железнодорожные светофоры предназначены для регулирования движения поездов. Также светофоры или дополнительные световые указатели могут информировать машиниста о маршруте.

Речные светофоры предназначены для регулирования движения речных судов. В основном используются для регулирования прохода судов через шлюзы. Такие светофоры имеют сигналы 2-х цветов -- красного и зелёного.

Шлагбаум:

В качестве преградительного устройства предлагаю использовать автоматический переездной шлагбаум ПАШ-1. Рис.10.

Шлагбаум устанавливается на отдельный фундамент с правой и левой стороны железнодорожного переезда и управляется в автоматическом режиме или с поста управления переездом. При установке на существующий фундамент (при замене шлагбаума на новый) необходимо использовать переходную раму.

Шлагбаум состоит из электропривода, закрепленного на бетонном фундаменте, заградительного бруса длиной 4 м, 6 м или 8 м с противовесом.

Силовой механизм представляет собой электродвигатель и двухступенчатый редуктор. Первая ступень редуктора -- червячный однозаходный самотормозящий механизм. Вторая ступень -- цилиндрическая прямозубая передача со встроенной электромагнитной муфтой в зубчатом колесе.

Электродвигатель служит для создания вращающегося момента, необходимого для изменения положения заградительного бруса.

Червячный редуктор предназначен для создания необходимой частоты вращения главного вала и запирания заградительного бруса в крайних положениях.

Корпус представляет собой сварочно-гибочную конструкцию из листового стального проката. Корпус имеет специальный вывод для кабеля управления, который разделывается на клемную колодку. Крышка открывается сверху и представляет собой сварную конструкцию.

В крышке приварена защелка для замка и закреплен уплотнитель.

Курбельный выключатель состоит из контактных ножек, которые установлены на одной оси с курбельной заслонкой и, поворачиваясь вместе с ней, разрывают электрический контакт между губками. Курбельная рукоятка вставляется в трехгранный выходной конец вала редуктора и позволяет осуществлять ручной перевод.

Заградительный брус предназначен для физического ограждения проезжей части дороги путем ее поперечного перекрытия и имеет равномерно разнесенные по длине красные световозвращатели.

Для плавного опускания заградительного бруса в конструкции шлагбаума предусмотрен гидрогаситель клапанного типа и датчики концевых положений. По конструкции шлагбаума гидрогаситель включается в работу за s 25° до окончания перевода заградительного бруса, а на подъем заградительный брус работает с пониженным сопротивлением в конце перевода (за = 15° до остановки).

Рис.10 автоматический переездной шлагбаум ПАШ-1

Шлагбаумы ПАШ1 имеют следующие технические характеристики:

угол подъема заградительного бруса (ЗБ), граду­

сов 80--90

время подъема ЗБ, не более, с 12

время опускания ЗБ, с 10+2

высота установки механизма шлагбаума по оси

вращения ЗБ над поверхностью проезжей час­

ти дороги, м 1--1,25

номинальный момент на валу ЗБ, не менее, Н * м 170

ток, потребляемый электродвигателем переменно­

го тока при напряжении на клеммах 220 В +_5*%,

не более, А 2,5

ток, потребляемый электродвигателем постоянно­

го тока при напряжении на клеммах

(24±1,2) В, не более, А 5,2

ток, потребляемый электромагнитной муфтой

при напряжении на клеммах 12 В, А 1,33+0,1

при напряжении на клеммах 24 В, А 0,65±0,1

электрическое сопротивление между заземляющим болтом и корпусом электропривода, не более, Ом 0,1

Электрическая принципиальная схема электропривода шлагбаума ПАШ1 приведена на рис. 129, где: Ml-- электродвигатель типа АИР 56В4Б43; QS1; QS2 -- колодки блок-контакта, черт.20.502.03.00; SQ1, SQ2 -- переключатели МП 110744031А; XI -- болт заземления; XS1, XS2 -- розетка двухполюсная РД1-1, га0.364.010ТУ; ХТ1 -- колодка клеммная, черт. ДШАК 301593.003; уА1 -- муфта электромагнитная, черт. ДШАК 303545.001.

Внутренний электрический монтаж выполняется проводом МГШВ 0,50.

Сопротивление изоляции между токоведущими частями шлагбаума и корпусом в нормальных климатических условиях должно быть не менее 20 МОм.

Электрическая прочность изоляции токоведущих частей шлагбаума по отношению к корпусу должна выдерживать в течение одной минуты испытательное напряжение 1500 В переменного тока частотой 50 Гц.

3. Разработка программного кода системы управления

3.1 Разработка схемы системы управления

Блок-схема автоматизированной системы управления представлена на рис. 12.

Рис. 12 Блок-схема системы управления

3.2 Разработка программного кода для PIC 16F84A

Прошивка микроконтроллера была написана в среде виртуального проектирования Proteus на языке низкого уровня Assembler.

С помощью языков низкого уровня создаются эффективные и компактные программы, поскольку разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора.

list p=16f84a

__config 03ff1h

;---------------------------------------------------------

Status equ 03h

PortA equ 05h

TrisA equ 05h

PortB equ 06h

TrisB equ 06h

Reg_1 equ 0Ch

Reg_2 equ 0Dh

Reg_3 equ 0Eh

Sch equ 0Fh

;----------------------------------------------------------------------------------

org 0

goto start

;----------------------------------------------------------------------------------

start bsf Status,5

movlw .0

movwf TrisB

bcf Status,5

movlw .7

movwf Sch

clrw

;----------------------------------------------------------------------------------

m1 bcf PortB,4

bsf PortB,3

bcf PortB,0

bcf PortB,1

bsf PortB,2

btfsc PortA,1

goto m3

goto start

;----------------------------------------------------------------------------------

m3 bcf PortB,2

movlw .179

movwf Reg_1

movlw .30

movwf Reg_2

movlw .1

movwf Reg_3

wr1 decfsz Reg_1, F

goto wr1

decfsz Reg_2, F

goto wr1

decfsz Reg_3, F

goto wr1

nop

nop

bsf PortB,2

movlw .179

movwf Reg_1

movlw .30

movwf Reg_2

movlw .1

movwf Reg_3

wr2 decfsz Reg_1, F

goto wr2

decfsz Reg_2, F

goto wr2

decfsz Reg_3, F

goto wr2

nop

nop

;----------------------------------------------------------------------------------

bcf Status,2 ;;;СЧЕТЧИК

decf Sch,F

btfsc Status,2

goto m2

goto m1

;----------------------------------------------------------------------------------

m2 bcf PortB,2

bsf PortB,1

movlw .169

movwf Reg_1

movlw .69

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr3 decfsz Reg_1, F

goto wr3

decfsz Reg_2, F

goto wr3

decfsz Reg_3, F

goto wr3

nop

nop

bcf PortB,1

bsf PortB,0

movlw .169

movwf Reg_1

movlw .69

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr4 decfsz Reg_1, F

goto wr4

decfsz Reg_2, F

goto wr4

decfsz Reg_3, F

goto wr4

nop

nop

;----------------------------------------------------------------------------------

m5 btfsc PortA,3

goto m4

goto m5

m4 bcf PortB,3

bsf PortB,4

btfsc PortA,2

goto ms

goto m4

;----------------------------------------------------------------------------------

ms clrw

clrf Sch

btfss PortA,2

goto m6

goto ms

;----------------------------------------------------------------------------------

m6 movlw .186

movwf Reg_1

movlw .4

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr5 decfsz Reg_1, F

goto wr5

decfsz Reg_2, F

goto wr5

decfsz Reg_3, F

goto wr5

nop

bcf PortB,4

bsf PortB,3

movlw .186

movwf Reg_1

movlw .4

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr6 decfsz Reg_1, F

goto wr6

decfsz Reg_2, F

goto wr6

decfsz Reg_3, F

goto wr6

nop

bsf PortB,2

goto start

;--------------------------------------------------------------------------------

end

Assembler -- язык программирования низкого уровня, представляющий собой формат записи машинных команд, удобный для восприятия человеком.

Данный тип языков получил свое название от названия транслятора (компилятора) с этих языков -- ассемблера (англ. assembler -- сборщик). Название последнего обусловлено тем, что на первых компьютерах не существовало языков более высокого уровня, и единственной альтернативой созданию программ с помощью ассемблера было программирование непосредственно в кодах.

Язык ассемблера в русском языке часто называют «ассемблером» (а что-то связанное с ним -- «ассемблерный»), что, согласно английскому переводу слова, неправильно, но вписывается в правила русского языка. Однако, сам ассемблер (программу) тоже называют просто «ассемблером», а не «компилятором языка ассемблера» и т. п.

Использование термина «язык ассемблера» также может вызвать ошибочное мнение о существовании единого языка низкого уровня, или хотя бы стандарта на такие языки. При именовании языка, на котором написана конкретная программа, желательно уточнять, для какой архитектуры она предназначена и на каком диалекте языка написана.

Команды языка ассемблера один в один соответствуют командам процессора и, фактически, представляют собой удобную символьную форму записи (мнемокод) команд и их аргументов. Также язык ассемблера обеспечивает базовые программные абстракции: связывание частей программы и данных через метки с символьными именами и директивы.

Директивы ассемблера позволяют включать в программу блоки данных (описанные явно или считанные из файла); повторить определённый фрагмент указанное число раз; компилировать фрагмент по условию; задавать адрес исполнения фрагмента, менять значения меток в процессе компиляции; использовать макроопределения с параметрами и др.

Каждая модель процессора, в принципе, имеет свой набор команд и соответствующий ему язык (или диалект) ассемблера.

Достоинства языка ассемблера:

Минимальное количество избыточного кода, то есть использование меньшего количества команд и обращений в память, позволяет увеличить скорость и уменьшить размер программы.

Обеспечение полной совместимости и максимального использования возможностей нужной платформы: использование специальных инструкций и технических особенностей данной платформы.

При программировании на ассемблере становятся доступными специальные возможности: непосредственный доступ к аппаратуре, портам ввода-вывода и особым регистрам процессора, а также возможность написания самомодифицирующегося кода (то есть метапрограммирование, причём без необходимости программного интерпретатора).

Последние технологии безопасности, внедряемые в операционные системы, не позволяют делать самомодифицирующегося кода, так как исключают одновременную возможность исполнения инструкций и запись в одном и том же участке памяти (технология W^X в BSD-системах, DEP в Windows).

Недостатки языка ассемблера:

Большие объёмы кода и большое число дополнительных мелких задач, что приводит к тому, что код становится очень сложно читать и понимать, а следовательно усложняется отладка и доработка программы, а также трудность реализации парадигм программирования и любых других соглашений. что приводит к сложности совместной разработки.

Меньшее количество доступных библиотек, их малая совместимость между собой.

Непереносимость на другие платформы (кроме двоично совместимых).

Применение:

Напрямую вытекает из достоинств и недостатков.

Поскольку большие программы на ассемблере писать крайне неудобно, их пишут на языках высокого уровня. На ассемблере же пишут небольшие фрагменты или модули, для которых критически важны:

быстродействие (драйверы);

размер кода (загрузочные сектора, программное обеспечение для микроконтроллеров и процессоров с ограниченными ресурсами, вирусы, программные защиты);

специальные возможности: работа напрямую с аппаратурой или машинным кодом, то есть загрузчики операционных систем, драйверы, вирусы, системы защиты.

Код программы для прошивки микроконтроллера PIC16F84A,написанный на языке программирования assembler, представлен на страницах…….

При включение схемы, система находится в состояние «отсутствие опасности». То есть шлагбаум поднят, на светофоре отображается разрешающий сигнал, движение автомобилей через ж/д переезд разрешен. При приближение поезда с датчика D1, расположенного на расстоянии одного километра от переезда, в микроконтроллер поступает сигнал, сигнализирующий о приближении поезда. Микроконтроллер посылает исполнительному устройству сигнал о закрытие переезда: Срабатывает световая сигнализация, с помощью фотодатчика проверяется отсутствие помехи (автомобиля) в зоне опускания шлагбаума, если помеха отсутствует, шлагбаум опускается. Переезд закрыт.

После прохода последнего вагона состава, срабатывает датчик D2 и на микроконтроллер посылается сигнал об открытие переезда.

Через заданный промежуток времени поднимается шлагбаум и загорается разрешающий сигнал светофора. Проезд открыт.

3.3 Описание программного кода для PIC 16F84A

start bsf Status,5

movlw .0

movwf TrisB

bcf Status,5

movlw .7

movwf Sch

clrw

С данного участка кода, начинается выполнение программы.

Работа порта В устанавливается на выход.

Значение переменной Sch =7

--------------------------------------------------------------------------------------------

m1 bcf PortB,4 ;

bsf PortB,3 ;вывод порта В3 уст. в 1. шлагбаум поднят

bcf PortB,0 ;Красный свет не горит

bcf PortB,1 ;Желтый свет не горит

bsf PortB,2 ;Зеленый свет горит

btfsc PortA,1 ;Проверка условия. Если на порт А0 (датчик D1) подается 1

goto m3

goto start

Состояние «Опасность отсутствует»

--------------------------------------------------------------------------------------------

m3 bcf PortB,2 ;Зеленый свет не горит

movlw .179 ;Задержка на 0.22 сек

movwf Reg_1

movlw .30

movwf Reg_2

movlw .1

movwf Reg_3

wr1 decfsz Reg_1, F

goto wr1

decfsz Reg_2, F

goto wr1

decfsz Reg_3, F

goto wr1

nop

nop

bsf PortB,2 ;Зеленый свет горит

movlw .179 ;Задержка на 0.22 сек

movwf Reg_1

movlw .30

movwf Reg_2

movlw .1

movwf Reg_3

wr2 decfsz Reg_1, F

goto wr2

decfsz Reg_2, F

goto wr2

decfsz Reg_3, F

goto wr2

nop

nop

Данный код пограммы руководит миганием зеленого огня световой сигнализации, с задержкой 0,22 сек.

--------------------------------------------------------------------------------------------

bcf Status,2 ;флаг z устанавл. в 0 ;;;СЧЕТЧИК

decf Sch,F ;декремент Sch

btfsc Status,2 ;проверка условия z не равен 0

goto m2

goto m1

Количество тактов мигания исполняется вышеобозначеным фтагментом кода, который выполняет декремент данных в переменной Sch

--------------------------------------------------------------------------------------------

m2 bcf PortB,2 ;;зеленый не горит

bsf PortB,1 ;;желтый свет горит

movlw .169 ;задержка на 0.25 сек

movwf Reg_1

movlw .69

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr3 decfsz Reg_1, F

goto wr3

decfsz Reg_2, F

goto wr3

decfsz Reg_3, F

goto wr3

nop

nop

bcf PortB,1 ;желтый не горит

bsf PortB,0 ;красный горит

movlw .169 ;задержка на 0.25 сек

movwf Reg_1

movlw .69

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr4 decfsz Reg_1, F

goto wr4

decfsz Reg_2, F

goto wr4

decfsz Reg_3, F

goto wr4

nop

nop

Далее через заданный интервал времени выполняется установленная алгоритмом работа желтого и красного света.

--------------------------------------------------------------------------------------------

m5 btfsc PortA,3 ;;;

goto m4 ;;;проверка датчик св.диод-фт.диод

goto m5 ;;;

m4 bcf PortB,3 ;шлагбаум опущен

bsf PortB,4 ;

btfsc PortA,2 ;проверка усл. если PortA,2 (датчик два) 1

goto ms

goto m4

Проверка состояния фотодатчика.

--------------------------------------------------------------------------------------------

ms clrw

clrf Sch

btfss PortA,2 ;проверка усл. PortA,2 (D2) 0

goto m6

goto ms

Проверка состояния датчика D2.

--------------------------------------------------------------------------------------------

m6 movlw .186

movwf Reg_1

movlw .4

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr5 decfsz Reg_1, F

goto wr5

decfsz Reg_2, F

goto wr5

decfsz Reg_3, F

goto wr5

nop

bcf PortB,4

bsf PortB,3 ;порт В3 уст. в 1. шлагбаум поднят

movlw .186

movwf Reg_1

movlw .4

movwf Reg_2

movlw .2

movwf Reg_3

wr6 decfsz Reg_1, F

goto wr6

decfsz Reg_2, F

goto wr6

decfsz Reg_3, F

goto wr6

nop

bsf PortB,2 ;зеленый свет горит

goto start

;--------------------------------------------------------------------------------

end

Данный фрагмент программы управляющей системы, в состояние «Опасность отсутствует», и пересылает рабочую точку программы в начало: goto start.

Устройство является полностью автоматической системой без возможности регулирования. Для работы необходимо подать питание на устройство и расположить элементы контроля учитывая технические возможности контролируемого отрезка пути и скорость передвижных составов.

Заключение

Железнодорожные переезды, являются обьектами повышенной опасности. Внедрение новых технологий автоматизации регулировки движения, позволяют не только решать задачи безопасности, но также облегчают их обслуживание и мониторинг.

Кроме того, современные системы автоматизации - это не просто дань моде, они имеют и экономические преимущества:

· в автоматическом режиме строго соблюдается безопасное состояние переезда, т.к. исключается влияние человеческого фактора;

· нет необходимости выезжать содержать штат работников для обслуживания переезда;

· система, построенная из современных компонентов, требует меньше затрат на свое обслуживание.

Разработаная система управления, подходит для обслуживания железнодорожных переездов с различной интенсивностью движения.

Литература

1. Электроника: Учебник для вузов. 5-е издание, перераб. И доп. -СПб.: Питер, 2004. -560 с.: ил.-(Серия «Учебник для вузов»). Бобровников Л.З.

2. Цифровая схемотехника: Учебник для сред.проф. Образования/Ирина Михайловна Мышляева. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 400 с. Мышляева И.М.

3. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 786 с.: ил. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И.

4. «Цифровая схемотехника», Угрюмов Е.П. , 2004.

5. Юров В.И. Assembler: Учебник для ВУЗов. СПб: Питер, 2004.

6. С.Т. Хвощ, Н.Н. Варлинский, Е.А. Попов. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления/Л., Машиностроение, 1987г. - 640 с.

7. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник/ В 2 томах. Под ред. В.А. Шахнова. - М., Радио и связь, 1988 г.

8. Р. Холланд. Микропроцессоры и операционные системы. Краткое справочное пособие. - М., Энергоатомиздат, 1991 г.

9. И.К. Каримов. «Микропроцессорные устройства систем управления».

10. фотоэлектрические системы

Размещено на Allbest.ru