（车辆工程专业论文）铁路无线报警装置的研制.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 根据统计资料，全国共有1 6 ，0 0 0 多个铁道道口，其中有人看守道口约有3 ，2 0 0 多个，无人看守道口约有1 3 ，0 0 0 多个。这些无人看守道口除了基本的标记牌外， 几乎没有任何报警装置。在这些无人看守道口上，撞车事故时有发生，造成惨重 的经济损失和恶劣的社会影响，也给社会安定带来了潜在的不稳定因素。迅速消 除无人看守道口的不安全因素已成为日益突出的问题。因此，需要找到一个解决 问题的最佳方案，实现无人看守道口列车接近的自动预报，不但能保障行人、机 动车的安全，同时也是铁路畅通安全的需要。 本文研究的铁路道口报警装置适用于无人看守道口、也适用于有人看守道 口。采用太阳能电池和2 2 0 v 交流电切换的方式供电、以铁路专用磁电传感器检 测列车接近信号，经信号发送设备编码之后由无线电数传模块向道口报警设备传 输来车信号，道口报警设备收到来车信息后即按铁路道口报警规程报警和取消报 警。该预报装置能够及时预报来车信息，并向公路显示红灯并发出告警声，大大 提高了道口的安全性，为铁路大提速和安全运输提供强有力的保障。 关键词：铁路；安全性：装置 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a c c o r d i n gt os t a t i s t i cd a t e ，t h e r ea r et ot a l l ym o r et h a n16 ，0 0 0r a i l r o a dj u n c t i o n si n t h ew h o l ec o u n t r y a m o n go f t h e m ，t h e r ea r em o r et h a n3 , 2 0 0j u n c t i o n sb e i n gg u a r d e d b ys o m e o n e ，m o r et h a n1 3 ，0 0 0j u n c t i o n sw k h o u tb e i n gw a t c h e d i na d d r i o nt ot h e b a s i cs i g n sb e s i d et h e s ej u n c t i o n sw i t h o u tb e i n gw a t c h e d ，t h e r ea r eh a r d l ya n ya l a r m d e v i c e sa n dt r a f f i ca c c i d e n t so f t e nh a p p e n s ，c a u s i n gh e a v ye c o n o m i cl o s s e sa n db a d s o c i e t ye f f e c t s ，a n da l s ob r i n g i n gp o t e n t i a la n du n s t e a d yf a c t o r st os o c i e t ys t a b i l i t y i ti s a l li n c r e a s i n g l yo u t s t a n d i n gp r o b l e mt or e m o v et h ei n s e c u r i t yf a c t o r s t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt of i n do u tab e s tp r o j e c tf o rs o l v i n gt h ep r o b l e mt ob r i n ga b o u ta u t o m a t i c f o r e c a s ti nt h ej u n c t i o n sw h e nt r a i n sa p p r o a c he a c ho t h e r t h e s ec a ne n s u r en o to n l y t h es a f e t yo fp e d e s t r i a n s m o t o rv e h i c l e s ，b u ta l s ot h es a f e t yo f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h er a i l r o a dj u n c t i o na l a r md e v i c e sd e l i b e r a t e di nt h i sa r t i c l ea r es u i t a b l ef o rb o t ho f t h et w ok i n d so f j u n c t i o n sm e n t i o n e da b o v e a d o p t i n gt h es o l a rc e l la n d2 2 0 va ct o s u p p l yt h ep o w e r ，u s i n gt h er a i l r o a da p p r o p r i a t i o nm a g n e t o e l e c t r i c i t ym a c h i n et o e x a m i n et h es i g n a lo ft r a i n s a p p r o a c h e s ，a f t e rt h es i g n a l ss e n do u te q u i p m e n tc o d e s ， r a d i on u m b e rs p r e a d i n gm o l dp i e c e st r a n s m i tt h es i g n a l st ot h ej u n c t i o na l a r md e v i c e s a f t e rr e c e i v i n gt h es i g n a l s ，t h ed e v i c e sg i v eo u ta l a r m st oc a n c e lt h ea l a r m sa c c o r d i n g t ot h ea l a r mr u l e si nt h ej u n c t i o n s t h ej u n c t i o nf o r e c a s td e v i c e sc a nf o r e c a s tt h e i n f o r m a t i o no ft r a i na r r i v a li nt i m e ，d i s p l a yr e dl i g h t st oh i g h w a y , g i v eo u tw a r n i n g s ， g r e a t l yi m p r o v et h ej u n c t i o ns e c u r i t y a n ds u p p l y v i g o r o u sg u a r a n t e e f o rt h e i m p r o v e m e n t i ns p e e da n ds a f et r a n s p o r t a t i o n k e yw o r d s ：r a i l w a y ，s e c u r i t y ，d e v i c e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1问题的提出 经济发展与交通事业发展是相辅相成的，没有经济的发展，交通事业的发展 将失去发展的基础；交通又会反过来对经济的发展产生巨大的反作用。具体体现 为：交通的快速发展将推动经济的健康增长，而交通的萎缩将成为经济发展的瓶 颈，限制经济的发展。因此，道路交通的顺畅，是国家和地区经济持续、快速增 长的非常重要的条件。铁路运输在速度、运量和时空上较其他运输方式有很大优 势，在现代化交通运输方式中起着骨干作用。铁路技术管理规程指出：“铁 路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉、交通运输体系的骨干铁路运 输具有高度集中、各工作环节紧密联系的特点。铁道部门的统计资料显示， 最近几年来，随着我国铁路的提速、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0 1 。如2 0 0 2 年发生道口交通事故 7 2 8 件，已经是近2 0 年来的最低水平。每年仅道口交通事故就造成2 0 0 0 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。 随着铁路事业的快速发展，伴随铁路的第四次提速，安全问题再一次提上日 程。根据有关资料统计，目前全国共有1 6 0 2 1 个铁路与公路交叉的道口，其中有 人看守道口约有3 2 4 8 个，无人看守道口1 2 9 5 3 个，这些无人看守道口除基本的 标志牌外，几乎无任何预报装置，当前铁路与公路的交叉路口交通日益繁忙，铁 路系统有限的人力、物力不可能做到看护每一个道口。另一方面由于天气的原因、 行人的忽视、公路上的车辆拥挤和铁路曲线弯道等缘故，每年在道口附近都发生 较大数量的伤亡事故，每天平均发生道口事故6 7 件，伤亡6 人，损坏机动车4 辆，中断铁路行车8 小时左右；有的道口事故一次就造成几十人伤亡或造成机车、 车辆严重破损，甚至造成列车颠覆，中断铁路行车少则几十分钟，多则数小时乃 至几十小时，扰乱正常的运输生产秩序，在国内外造成不良政治影响，经济损失 之大更是怵目惊心。 例如，1 9 9 4 年l o 月1 6 日6 时5 5 分，北京内燃机总厂租用的大通道式公共 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 汽车载有6 0 多名工人，在通过北京铁路局丰双线老君堂无人看守道口时，司机 臆测行车，没有停车嘹望就盲目抢过道口。此时，- - y u 重载的货物列车以6 0 千 米小时的速度驶来，当火车司机发现道口上有公共汽车，在鸣笛示警的同时采 取紧急停车措施，但列车在巨大惯性的推动下向前滑行，将公共汽车拦腰撞断。 公共汽车前部被甩出铁路路基以下，后部呈开放性损毁并侵入上行线，当场死亡 2 3 人，4 0 多人受伤，公共汽车报废，丰双线中断行车2 小时3 9 分。事故现场惨 不忍睹，损失巨大，震惊中外。 2 0 0 0 年6 月1 6 目内蒙古自治区政府主席云布龙同志乘坐的汽车在集通线3 1 4 千米8 5 3 米无人看守道口处，由于司机没有停车嘹望，盲目抢过道口与火车相撞， 云布龙同志及秘书、警卫三人因伤势过重，不幸以身殉职。 因此，为了保证国民经济大动脉的畅通和国家、人民生命财产的安全，必须 要正确认识铁路道口在运输安全中的重要作用，尽快改造、更新道口设备，加强 对现有道口的安全管理，创造条件，变平交为立交，彻底消除道口安全隐患，这 也是摆在我们面前的一项紧迫而艰巨的重要任务。找到一个解决问题的最佳方 案，实现无人看守道口列车接近的自动预报，不但能保障行人、机动车的安全， 同时也是铁路畅通安全的需要。 1 2 国内外研究现状 在我国几十年计划经济体制的影响下，我国的市场经济还受计划经济思想的 严重制约。关于道口的修建和改建，在铁路法和铁路道口管理暂行规定 里明确规定，地方政府应该与铁路部门进行协商，共同规划。但是，在实际的操 作过程中，某些地方政府无视其它部门利益，在路口改造，新建线路与铁路形成 新的交叉口时，不征得铁路部门的统一，强行施工，人为造成交通瓶颈，埋下了 巨大的交通隐患。自1 9 9 7 年全国提速以来，铁道部和各个铁路局每年投入约1 0 亿元进行平交道口的改造，但是这个资金投入是远远不够的。我国还有一万多个 路口没有改造，相对而言，改造的难度非常大，所以路口防护设施改造、道口看 守是减少铁路与地方利益冲突的重要缓冲手段。而目前道口防护的改造，主要是 增加道口信号、防护栏、警铃、派人看管等，这样会明显增加铁路运营成本、降 低铁路运输效率。因此，道口防护信息化、科技化，管理科学化就被提上议事日 程了“”。我国铁路平交道口科技化水平很低，还基本处于发达国家五、六十年 代的水平。我国平交道口绝大部分还处于无人看守状态，在有人看守的五分之一 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 道口里面，有1 0 8 处安装了“铁路道口防撞装置”，其他情况好的配备了电话、 警铃、信号机、护栏、护桩，情况差的只有两个护栏。这样分析出来，我国平交 道口问题的确令人担忧。在进入信息社会的今天，应该努力提高道口设备科技含 量，提高道口监控信息化水平，以达到减少道口交通事故，提高道口通过能力的 目的。 人口众多是我国的基本国情，人口总体素质低下又是一个突出的特点。根据 铁道部的统计，在2 0 0 2 年发生的所有道口交通事故中，有9 5 是属于路外责任。 其中有8 1 的道口交通事故是由于机动车驾驶人员不遵守中华人民过和国道路 交通管理条例第4 4 条的规定，非法抢越道口，造成重大交通事故，导致人员 伤亡和巨大的经济损失“1 。因此，提高广大国民尤其是机动车司机的自身素质和 守法意识，是一个艰巨、长期而又十分紧迫的问题。 1 3 本文研究的主要内容、目标与方法 根据科研项目合同的要求和现场调研情况，并经过多次讨论，确定无人看 守道口列车接近无线预报装置主要研制内容和功能如下： 不需人工干预的、全自动无线预报来车信息； 声、光两种报警方式； 实现无线传输、方便施工； 来车检测处与道口预报处之间的距离，按列车允许速度在5 0 6 0 s 时间内通 过的距离进行设置； 考虑天气的影响，蓄电池在停止充电后仍能持续供电7 2 h ，保证系统工作正 常； 由清洁能源太阳能供电，同时配备有2 2 0 v 交流供电接口； 适用于单线及复线双向运行线路的道口； 适用于同一道口跨越多条股道的场合； 箱体具有防水、通风性能，满足野外使用条件。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 第2 章铁路无线报警装置的设计方案 2 1 信号传输方式的确定 来车信号检测点距道口报警设备之间的距离在1 0 0 0 3 0 0 0 m 之间，检测设备 采取什么方式将来车信息传输到道口报警设备，涉及到系统的两项指标：信号传 输的可靠性和系统成本。 一般来说，信号传输方式有三种：线缆传输、利用铁道钢轨作为信息通道进 行传输和无线传输”。 选择线缆传输方式，施工工作量大，费用较高，设备需要人员看守和管理， 不适合在无人看守道1 ：3 中使用。如现有的d x 3 铁路道口报警设备就是采用这种方 式。 钢轨作为传输信息的线路看起来是一个不错的途径，但实际上存在许多问 题。f f , j 女h ：传送和接收设备在不同信号区段的适用性问题、设备本身的可靠性问 题、跨部门作业的可操作性问题、造价问题等等“1 。 相比较起来，采用无线方式传输来车信息可大大降低系统成本，但需满足以 下几点要求：设备具有良好的抗干扰性能；信号传输距离不能太远；设备 的温度工作范围必须满足一1 5 + 6 0 。 在进行大量的市场调研和性能比较之后，我们确定使用无线方式来传输来车 信息，并选用d 3 m r 、d 3 m t h 数传无线通信模块作为来车信号无线传输试验设备。 为配合无线传输来车信号的要求，课题组向铁路局无线电管理委员会申请了专用 无线频段。 选择d 3 m r 、d 3 m t h 数传无线通信模块的理由是： 其工作频率为1 5 0 4 5 0 m h z ，符合铁路无人看守道口报警专用无线频段； 全s m t 组装，工艺先进，体积较小，易于安装； 功耗为0 5 w 一5 w 之间，品种较多。有单收、单发、收发一体等各种模块， 便于系统多样性设计； 具有接收省电功能，适合电池供电： 信号抗干扰性能好，传输距离可达到3 0 0 0 m ，接收灵敏度高； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 工作温度范围是一1 5 + 6 0 ，满足现场需求： 经过对设备的各项性能指标的测试、现场抗干扰试验、可靠性试验和半年 来的设备运行情况，证明采用无线方式传输来车信息的方案是可行的。 2 2 系统供电方式的确定 系统供电方式有两种方式可供选择：2 2 0 v 交流电( 下称市电) 和太阳能电池 配台蓄电池供电。 无人看守道口般分布在边远的农村、郊外，拉接市电极其不便；即便个别 无人看守道口有条件接农用电，因其难以保证正常供电等原因而不宣采用。采用 太阳能供电虽然相对地提高了系统成本，但保证了系统的广泛适用性，配合蓄电 池，可以保证系统夜间及阴天正常使用。系统还采用市电和太阳能电池供电自动 切换的方式工作，在方便拉接市电的道口，系统可接市电；在偏僻的道口采用太 阳能电池供电。在成本和方便使用方面，兼顾现场的需要，从而提高了系统实用 性。 2 3 系统报警方式的确定 本系统可采用的报警方式有： 红灯信号、喇叭同时报警； 白天红灯信号，为了不干扰居民休息，夜间只保留红灯信号报警、去掉喇 叭报警； 当电池电压低于8 v 时，只保留红灯信号报警、去掉喇叭报警。 为了实现上述报警方式，我们在系统设计时，设计了：光控电路和电池电压 监控电路。其中，光控电路保证夜间喇叭不报警；电池电压监控电路保证电池电 压低于8 v 时喇叭不报警，两者目的都是节电。 系统报警时，报警灯的功耗为5 w ，喇叭的功耗为l o w ( 道口两边消耗的功率 是该数值的两倍) ，不容忽视的事实是：报警喇叭的加入大大地增加了系统的功 耗，这就要求太阳能电池具有较大的容量，从而大大地提高了系统的成本。 报警方式的确定考虑到如下三个方面： 晚间p n s t 报警和不报警，是在报警效果和系统工作时是否扰民两方面因素 作出取舍； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 工作温度范围是一1 5 + 6 0 。c ，满足现场需求： 经过对设备的各项性能指标的测试、现场抗于扰试验、可靠性试验和半年 来的设备运行隋况，证明采用无线方式传输来车信息的方案是可行的。 2 2 系统供电方式的确定 系统供电方式有两种方式可供选择：2 2 0 v 交流电( 下称市电) 和太阳能电池 配合蓄电池供电。 无人看守道口一般分布在边远的农村、郁外，拉接市电极其不便：即便个别 无人看守道口有条件接农用电，因其难以保证正常供电等原因而不宜采用。采用 太阳能供电虽然相对地提高了系统成本，f e 【保证了系统的广泛适用性，配合蓄电 池，可以保证系统夜间及阴天j 下常馊用。系统还采用市电和太阳能电池供电自动 切换的方式工作，在方便拉接市电的道口，系统可接市电；在偏僻的道口采用太 阳能电池供电。在成本和方便使用方面，兼顾现场的需要，从而提高了系统实用 性。 23 系统报警方式的确定 本系统可采用的报警方式有： 红灯信号、喇叭同时报警； 白天红灯信号，为了不干扰居民休息，夜间只保留红灯信号报警、去掉喇 叭报警； 当电池电压低于8 v 时，只保留红灯信号报警、去掉喇叭报警。 为了实现上述报警方式，我们在系统设计时，设汁了：光控电路和电池电压 监控电路。其中，光控电路保证夜间喇叭不报警：电池电压监控电路保证电池电 压低于8 v 时喇叭不报警，两者目的都是节电。 系统报警对，报警灯的功耗为5 w ，喇叭的功耗为l o w ( 道口两边消耗的功率 是该数值的两倍) ，不容忽视的事实是：报警喇叭的加入大大地增加了系统的功 耗，这就要求太阳能电池具有较大的容量，从而大大地提高了系统的成本。 报警方式的确定考虑到如下三个方面： 晚间喇叭报警和不报警，是在报警效果和系统工作时是否扰民两方面因素 晚间喇叭报警和不报警，是在报警效果和系统工作时是否扰民两方面因素 作出取舍； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 工作温度范围是一1 5 + 6 0 ，满足现场需求： 经过对设备的各项性能指标的测试、现场抗干扰试验、可靠性试验和半年 来的设备运行情况，证明采用无线方式传输来车信息的方案是可行的。 2 2 系统供电方式的确定 系统供电方式有两种方式可供选择：2 2 0 v 交流电( 下称市电) 和太阳能电池 配台蓄电池供电。 无人看守道口般分布在边远的农村、郊外，拉接市电极其不便；即便个别 无人看守道口有条件接农用电，因其难以保证正常供电等原因而不宣采用。采用 太阳能供电虽然相对地提高了系统成本，但保证了系统的广泛适用性，配合蓄电 池，可以保证系统夜间及阴天正常使用。系统还采用市电和太阳能电池供电自动 切换的方式工作，在方便拉接市电的道口，系统可接市电；在偏僻的道口采用太 阳能电池供电。在成本和方便使用方面，兼顾现场的需要，从而提高了系统实用 性。 2 3 系统报警方式的确定 本系统可采用的报警方式有： 红灯信号、喇叭同时报警； 白天红灯信号，为了不干扰居民休息，夜间只保留红灯信号报警、去掉喇 叭报警； 当电池电压低于8 v 时，只保留红灯信号报警、去掉喇叭报警。 为了实现上述报警方式，我们在系统设计时，设计了：光控电路和电池电压 监控电路。其中，光控电路保证夜间喇叭不报警；电池电压监控电路保证电池电 压低于8 v 时喇叭不报警，两者目的都是节电。 系统报警时，报警灯的功耗为5 w ，喇叭的功耗为l o w ( 道口两边消耗的功率 是该数值的两倍) ，不容忽视的事实是：报警喇叭的加入大大地增加了系统的功 耗，这就要求太阳能电池具有较大的容量，从而大大地提高了系统的成本。 报警方式的确定考虑到如下三个方面： 晚间p n s t 报警和不报警，是在报警效果和系统工作时是否扰民两方面因素 作出取舍； 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 因为机动车驾驶员对信号灯很敏感，采用信号灯报警可防撞车事件发生： 系统安装在居民区，只保留灯信号报警，既消除了扰民的音源，又降低了 装置的成本。这样，系统在报警方式方面，可根据现场情况进行选择，体现“科 技以人为本”的理念。 设备在2 0 0 4 年1 2 月2 0 日安装于月山工务段k 2 5 + 4 0 5 中铝监护道口试验， 在试验初期曾出现下行不报警的情况，经检查是下行来车报警装置安装螺栓松 动，经拧紧后系统即正常工作。根据来车传感器安装位置振动大的特点，我们采 用双螺母加强，至今效果良好。2 0 0 5 年5 月2 5 日，因中铝监护道口进行立交施 工被取消，装置移至同样繁忙的k 1 9 + 3 0 0 无人看守道口处进行实际运用，直到现 在设备运行状态正常。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第7 页 第3 章太阳能设备供电电源的设计 3 1系统道口主机设备结构的分析 图3 - 1系统供电结构框图 3 1 1 太阳能电池板的选择 太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池 中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命 是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。所以采用多晶硅片太阳电池，其 平均转换效率在1 3 5 以上。 参数如下： 峰值功率( w p ) ：5 0 w 开路电压( v 0 c ) ：2 1 6 v 最大功率电压( v m p ) ：1 7 2 v 短路电流( i s c ) ：2 9 a 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 最大功率电流( i m p ) ：3 ，3 a 2 5 年使用寿命 为了使太阳能供电系统能为负载提供足够的能源，就要根据用电器的实际功 耗及用户要求等，合理选择各部件。下面以图3 1 所示系统为例，介绍一下计算 方法： 系统负载：报警器一只1 2 v5 w 超高亮指示灯板两块：6 v2 w 块 无线数传电台：1 2 vo 5 w 主机控制板： 5 v1 0 0 m a 由于该系统主机一天2 4 小时不问断工作。指示灯板与报警器只是在火车过 道口时才给予声光提示的，设定火车时速在1 0 0 公里左右，主机是在接收从机发 送的来车信息后开始声光提示，设给超高亮指示灯板及主机控制板供电的5 v 和 6 v 电源由1 2 v 蓄电池通过线性稳压器转换得到，火车从从机行始至主机处大约 需5 分钟时间，火车在通过道口时关闭声光提示，一条铁路线一天过车按5 0 对 计算。即仅由声光提示一天所耗电能为： ( 5 6 0 ) x1 0 0x ( 5 1 2 + ( 2 x ( 2 1 6 ) ) ) 一9 1 安时 此时该系统一天耗电为： 9 1 + 2 4 x ( ( 0 5 1 2 ) + 0 1 卜1 2 5 安时 按每日有效日照时间为6 小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中的损耗， 太阳能电池板的输出功率应为1 2 5 a b j 6 h 7 0 一- - 3 a 。其中7 0 是充电过程中，太 阳能电池板的实际充电电流。即太阳能电池应以至少3 a 充电电流对蓄电池进行 充电，如此方可维持主机一天2 4 小时的工作。即太阳能电池功率应不低于5 0 w ， 若每日有效日照时间为6 小时维持3 天工作，则充电电流至少不小于8 a 。太阳 能电池功率相应不低于1 4 0 w 。 3 1 2 蓄电池的选择 若采用1 2 v 的蓄电池，其放电深度为5 0 ，则应使用1 2 5 a 5 0 = 2 5 a h 的蓄 电池；若需维持连续3 天工作时。则应使用容量不低于3x1 2 5 a 5 0 ：7 5 a h 的蓄 电池。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 3 1 3 实际应用节能方法 由d c d c 电源模块来取代线性电源，设d c d c 电源模块转换效率为8 0 ， 则在上例中可节能： ( 5 6 0 ) 1 0 0 x ( 1 2 2 2 6 - 2 2 w ) 8 0 ) + 2 4 x ( ( 1 2 5 8 0 ) 0 1 ) = 2 5 啪+ 1 2 6 v a h = 3 7 6 v a h 若先用1 2 v 蓄电池，即可节省容量3 7 6 1 2 3 a h 此时可选用( 1 2 5 - 3 ) 5 0 1 9 a h 。 须要提起注意的是，太阳能电池板只要有一定的光强，即使是阴天，也可对 蓄电池充电，只是时问短了些而已，浓雾天气及光照度低时太阳能电池暂时停止 充电。 3 2 系统道口从机设备结构分析 图3 2 从机设备结构图 3 2 1太阳能电池板的选择 系统从机负载： 无线数传电台：1 2 v5 w 从机控制板：5 v 1 0 0 m a 。 平时没有过火车时，系统处于休眠状态，无线数传电台关闭，以减小系统功 耗，当来车向道口主机方向时，轨道传感器将来车信号传给从机控制板，从而开 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 启无线数传电台向道口主机发送来车信息，一分钟后关断进入休眠，否则从机不 予理会。同样，控制板5 v 电源由d c d c 电源转换得到。该从视同样是一天2 4 小时不问断工作，一条铁路线一天过车也按5 0 对计算。即仅由声光提示一天所 耗电能为： ( 5 6 0 ) 5 0 ( 5 1 2 ) 1 7 4 安时 此时该系统一天耗电为：1 7 4 + 2 4 0 1 = 4 2 安时 同样，按每日有效日照时间为6 小时计算，再考虑到充电效率和充电过程中 的损耗，太阳能电池板的输出功率应为4 2 a h 6 h 7 0 。1 a 。其中7 0 是充电过 程中，太阳能电池板的实际充电电流。即太阳能电池应以至少1 a 充电电流对蓄 电池进行充电，如此方可维持主机一天2 4 小时的工作。即太阳能电池功率应不 低于1 8 w 。 若每日有效日照时间为6 小时维持3 天工作，则充电电流至少不小于3 a 。 太阳能电池功率相应不低于5 0 w 。 3 2 2 蓄电池的选择 若采用1 2 v 的蓄电池，其放电深度为5 0 ，埂应使用4 2 a j 5 0 = 8 4 a h 的蓄 电池；若需维持连续3 天工作时，则应使用容量不低于3 4 2 a 5 0 = 2 5 a h 的蓄 电池。 3 2 3 实际应用节能方法 d c d c 电源采用了带有关断输出功能的芯片l m 2 5 7 6 使得在系统休眠时关 断d c d c ，从而节省能源。在控制关断无线数传电台或灯板及报警器时采用的是 低导通功耗的功率m o s 管。避开使用电磁式继电器，当必须使用时，可采用倍 压起动，电源电压保持的电路，可以使继电器功耗减小3 4 。 在以太阳能作为能量补充且连续工作的设备中，哪怕减小1 个毫安的电流， 在时间累积( a h ) 上也是很可观的。太阳能电池板就是通过若干个小电池单元串 并联组成，也可将一大块电池板适当引出多个引线出头。可采用将大的太阳能电 池板改为多个小太阳能电池板，同时设计对电池板进行串并联适当控制的电路， 以更加充分地利用太阳能。 电源滤波电容宣选用漏电流小的，并适当考虑环境温度的影响。全密封免维 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第11 页 护蓄电池要采取保温措施，太阳能电池板要及时去除灰尘。 3 3 太阳能电池充电控制 太阳能电池充电控制电路应根据所选蓄电池特性来进行设计。本系统中所选 用的是全密封免维护铅酸蓄电池，该类蓄电池具有密封好、无泄漏、无污染等特 点，能够保证人体和各种用电设备的安全，而且在整个寿命期间，无需任何维护。 3 3 1 铅酸蓄电池的结构 全密封免维护锚酸蓄电池由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳 等部分组成。正负极板均采用涂浆式极板，活性材料涂在特制的铅钙合金骨架上。 这种极板的耐酸性强，导电性好，寿命较长，自放电速率也较小。隔板采用超细 玻璃纤维制成，全部电解液吸附在极板和隔板中，电池内没有流动的电解液，即 使外壳破裂，电池也能正常工作。电池顶部装有安全阀，当电池内部气压达到一 定数值时，安全阀自动开启，排出多余气体；电池内气压低于一定数值时，安全阀 自动关闭。顶盖上还有内装陶瓷过滤器的气塞，它可以防止酸雾从蓄电池中逸出。 正负极接线端子用铅合金制成，采用全密封结构，并用沥青封口。 在免维护电池中，电解液全部吸附在隔板和极板中，负极活性物质( 海棉状铅) 在潮湿的条件下活性很高，能与氧气快速反应。充电过程中，正极板产生的氧气 通过隔板扩散到负极板，与负极板活性物质快速反应，化合成水。因此，在整个 使用过程中，不需要加水补酸。 3 3 2全密封免维护铅酸蓄电池的充电特性 容量和寿命是蓄电池的重要参数，蓄电池的容量( c ) 指的是：采用规定的放电 速率( 通常为1 0 小时放电率) ，充足电的电池能够放出的安时数。蓄电池的额定容 量( c ) 通常作为电池充放电速率的单位。例如，i 0 0 a h 的蓄电池，采用2 0 a 电 流充电时，充电速率为c 5 ，采用1 0 a 电流放电时，放电速率就是c 1 0 。蓄电池 的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种。蓄电池的容量减小到规定值以前，蓄 电池的充放电循环次数称为循环寿命。在正常维护条件下，蓄电池浮充供电的时 间，称为浮充寿命。通常免维护电池的浮充寿命可达1 0 年以上。 电池充电通常要完成两个任务，首先是尽可能快地使电池恢复额定容量，另 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 2 页 一个任务是用涓流充电补充电池因自放电而损失的电量，以维持电池的额定容 量。在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅，正极板上的硫酸铅 逐渐变为二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后。电池开始 发生过充电反应，产生氢气和氧气。这样，在非密封铅酸蓄电池中，电解液中的 水将逐渐减少。在密封铅酸蓄电池中，采用中等充电速率时，氢气和氧气能够重 新化合为水。 过充电开始的时间与充电速率有关。当充电速率大于c 5 时，电池容量恢复 到放出容量的8 0 以前，即开始过充电反应。只有充电速率小于c 1 0 0 ，才能使 电池容量恢复到1 0 0 后，才开始过充电反应。采用较大充电速率时，为了使电 池容量恢复到1 0 0 ，必须允许一定的过充电反应。过充电反应发生后，单格电 池的电压迅速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电压开始缓慢下 降。由此可知，电池充足电后，维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒 定的电压。这就是说，电池充足电后，充电器应输出恒定的浮充电压。在浮充状 态下，充入电池的电流应能补充电池因自放电而失去的电量。浮充电压不能过高， 以免因严重过充电而缩短电池的寿命。采用适当的浮充电压，免维护铅酸蓄电池 的浮充寿命可达1 0 年以上。实践证明，实际的浮充电压与规定的浮充电压相差 5 时，免维护蓄电池的寿命将缩短一半。 由铅酸蓄电池的电压与温度的关系可知，温度每升高1 ，单格电池的电压 将下降4 m v 。也就是说，铅酸电池的电压具有负温度系数，其值为- 4 m v 。c 。由 此可知，环境温度为2 5 时，工作很理想的充电器，当环境温度降到09 c 时， 电池就不能充足电，当环境温度升到5 0 。c 时，电池将因严重过充电而缩短寿命。 因此，为了保证在很宽的温度范围内，都能使电池刚好充足电。充电器的各种转 换电压必须随电池电压的温度系数而变。 3 3 3 充电电路的设计 芯片u c 3 9 0 6 具有密封铅酸蓄电池充电所需的全部控制和检测功能，用 u c 3 9 0 6 制作的充电器，在各种条件下，均能保证电池充足电，并能保证电池的 寿命不受影响。该芯片含有独立的电压控制回路和限流放大器。它可控制芯片内 的驱动器，该驱动器的输出电流可达2 5 m a ，可直接驱动外部串联调整管，从而 调整充电器的输出电压和电流。电压和电流取样比较器用来检测蓄电池的充电状 态，并控制充电状态逻辑电路的输入信号”。 另外，当电池电压或温度过低时，该比较器还能输出2 5 m a 的涓流充电电流， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 这样，当电池短路或反接时，充电器开始只能输出很小的充电流，可以避免因充 电流过大而损坏电池。 电源指示 过充电终止 图3 - 3u c 3 9 0 6 内部功能框图 电压检测 滑流偏置 充电起动 状态电平控制 过充电指示 u c 3 9 0 6 非常重要的一个特性是：基准电压随环境温度而变，并且变化规律 与铅酸电池电压的温度特性完全一致。u c 3 9 0 6 的电源电流只有1 7 m a ，能够满 足全密封免维护铅酸蓄电池充电要求的充电状态曲线如下图所示，它有三种充电 状态：大电流恒流充电状态、高电压恒压过充电状态和低电压恒压浮充状态。充 电过程从大电流恒流充电状态开始，在这种状态下，充电器输出恒定的充电电流 i u “，同时，充电器连续监控电池组两端电压。当电池电压达到转换电压时，充 电器转入过充电状态。在此状态下，充电器输出电压升高到v o c 。由于充电器输 出电压保持恒定不变，所以充电电流连续下降。当充电电流下降到i o c r 时，电池 的容量已达到额定容量的1 0 0 ，充电器充电状态曲线充电器输出电压下降到较低 的浮充电压i ，。 l s t h 叽佻邮吣 h 地 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 4 页 输 在这里采用了双电平浮充充电器电路，如图3 - 4 。 图3 - 4 烈屯平浮充充电器基本电路 在给定电池组电压和容量的情况下，外接元件的数值可由下列各式计算 k k = 盯( 1 + 胄4 r 8 + 胄 ，) = f 名口( 1 + r ，r b ) k 2 = o 9 5 p r c c 巧。= 0 9 ，w = 0 。2 5 v r s i o c r = 0 0 2 5 v r s 其中，基准电压v r e f ： 2 3 0 v 过充电电压v o c 设定为： 15 0 v 浮充电压v f 设定为： 1 3 8 v v 3 1 浮充转换电压 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 5 页 v 1 2 过充电转换电压 最大充电流： 3 a 一般地，单体电池v f 范围为：2 3 2 4 v ，v o c 的范围为2 4 2 7 v ，放电 终止电压为1 8 0 v 。 当输入电源加到充电器输入端后，在正常情况下，充电器立即进入大电流恒 流充电状态。此外，充电器在浮充状态下，当电池电压下降到v 3 1 时充电器也 自动转入大电流恒流充电状态。u c 3 9 0 6 内的欠压检测电路( u v s e n s e ) 用于检测 充电器的输入电压。当输入电压低于4 5 v 时，u 3 9 0 6 内部的驱动级没有输出电 流，充电器停止充电。 电压取样比较器送至充电状态逻辑电路的信号，反映了电池电压的状态。如 果电池电压过低，充电器不能进入大电流恒流充电状态。在这种情况下，充电状 态电平( s t a t e l e v e l o ) 端为低电平，即u c 3 9 0 6 的1 0 脚为低电平，分压电阻r b 被电阻r c 旁路，电压放大器( v o l t a g e a m p ) 的输入电压升高，使驱动级停止导 通。此时，限流放大器( c 几) 将控制驱动级使输出电流达到某一叵定值。此时，电 压比较器同相输入端的电压等于内部基准电压v r e r 的0 ，9 5 倍。开始充电后，电 池电压开始上升，该电压经r 和鼬分压后，加到u c 3 9 0 6 的1 3 脚。随着电池电 压的上升，1 3 脚的电压( 即电压取样比较器反相输入端电压) 也上升。该电压达到 0 9 5 v r e e 时，电压取样比较器输出低电平，充电器进入过充电状态。此时，过 充电指示端( o cr n d ) 输出低电平。 刚进入过充电状态时，充电器继续输出最大电流。当电池电压上升到v o c 后， 电压放大器开始控制驱动级，使充电器输出电压稳定在v o e 。此时u c 3 9 0 6 的1 3 脚电压等于内部基准电压。此后，电池接受的充电电流开始减小。 电阻飚两端的电压与充电电流成正比，因此，电流取样比较器通过检测酗 两端电压即可连续监控充电速率。电流取样比较器( c s ) 的输出信号加到过充电终 止端( 0 c t e r m ) ，当充电电流下降到过充电终止电流i o c t ( 2 5 m v r s ) 时，电流取 样比较器的输出中断。u c 3 9 0 6 内部的1 0 u a 提升( p u l l u p ) 电流，使过充电终止 脚( 8 脚) 的电位升高。当干扰或其他原因使充电电流瞬时下降时，为了避免充电 器过早地转入浮充状态，在u c 3 9 0 6 的8 脚和接地脚之间应接入一只电容器。当 8 脚电压上升到规定的门限值( 1 v ) 后，充电状态逻辑电路使充电器转入浮充状态。 此时，状态电平( s t a t el e v e l ) 级的输出关断，消除了r c 对r a ，r b 分压器的旁 路作用。 在浮充状态下，充电器使电池两端电压维持在v r ，充电电流根据要求可在i u “ 和零之问变化。同时，充电状态逻辑电路使电压取样比较器同相端电压由o 9 5 v r c r 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 下降到0 ，9 0 v r e f 。如果因电池自放电使端电压比浮充电压低1 0 电压取样比较 器的输出电压将控制充电状态逻辑电路，使上述充电过程重新开始。 在本系统于现场应用时，给蓄电池预先充足电，在实际充电电路中，将涓流 充电功能屏除，以避免因蓄电池电压过低时充电器进入涓流充电状态，实际应用 中，系统是在线不间断工作的，其静态工作电流要远远大于其涓流充电电流，当 蓄电池电能即将耗完时( 当所存电量不足且该系统的无线数传电台在发射瞬时电 流较大，在发射瞬间，蓄电池电压跌落至涓流充电电压且处于夜间无能量补充 时) ，电池组电压过低时，电池电压取样分压器的部分电压，加到起动比较器的 反相输入端。当电池电压低于设定的门限值v t 时，u c 3 9 0 6 内部驱动器无输出信 号，充电器的串联调整管不导通。但是。此时起动比较器的涓流输出端( 1 1 脚) 为 高电平。从该输出端到电池组正极接入电阻r t ，就可设定涓流充电电流( 一 7 2 h 4 5 3 各元件及模块技术参数 传感器特性参数 直流电阻 6 0 0 q 绝缘电阻 5 0 0 m q 输出信号电压 1 5 v 无线传输设备技术参数 工作频率l5 0 4 5 0m h z 信道间隔 2 5 k h z 接口标准异步串口，t t l 工作温度 1 5 + 6 0 天线阻抗 5 0 q d 3 m t h 发射模块技术参数 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 4 页 发射功率5 w 有效发射距离4 5 k m 调制方式 f s k 发射电流耋8 0 0 m a 尺寸8 5 x 7 3 2 0 m m 3 d 3 m r 接收模块技术参数 工作电源d c 6 v0 5 a 灵敏度 三0 ，1 8 u v 静侯电流 三3 0 m a 邻道选择性= 6 0 d b 太阳能电池和蓄电池的规格 设备中耗电最大的是道口信息接收预报装置，下面道口信息接收预报装置中 太阳能电池和蓄电池的规格。 耗电设备包括：主控电路板、喇叭、l e d 显示模块、无线电接收模块，耗电 功率如下： 主控电路板 2 5 w 喇叭1 0 w l e d 显示模块5 w 无线电收发模块3 w 当没有来车时，喇叭、l e d 显示模块不工作，无线电收发模块处于待机状态， 耗电为o 5 w 。道口报警处设备总体静态功耗3 w 左右，报警状态功耗为2 0 5 w 左 右。于是蓄电池的容量计算如下： 假设：静态功耗为f i = 3 w 、报警功耗为f 2 = 2 0 5 w 一天累计静态工作时间、报警时间计算如下： 设列车以时速为6 0 公里4 , 时通过道口，则每次报警时间长度约为8 5 秒。假 设每天通过列车1 5 0 列，则报警累计时间为2 1 0 分钟，约等于3 5 小时。因此， 累计静态工作时间t 1 或o 5 小时，报警时间t 2 = 3 5 小时。每天功耗 q = f 1 + f i + f 2 4 t 2 = 3 + 2 0 5 + 3 5 + 2 0 5 = 1 3 3 w h 。 太阳能电池板平衡容量： p 1 = 每天功耗转换效率太阳能电池工作时1 4 = q 0 7 5 5 ，5 = 3 2 w 。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文