铁路电子巡更系统-硬件设计

西安工业大学毕业设计（论文）PAGE4PAGEI铁路电子巡更系统—硬件设计摘要随着社会的发展，科技的进步，人们的安全意识在逐渐提高，各行各业的管理工作趋于规范化、科学化和电脑化。特别是对铁路运输安全的要求进一步提高，为了适应这种变化，解决这一问题，只能加强巡检人员的巡逻次数，通常的方法是依靠员工的自觉性，在巡检巡逻的地点上定时签到。但是这种方法不仅难核实人员的巡检的路线和时间而且不能避免一次多签和数据采集失真的现象。作为管理者又难以进行有效、公平合理的监督管理，从而使得管理形同虚设。目前，在铁路巡检中需要对铁路列车进行安检和轴温测试，一般的人工铁路巡检管理制度既难核实路线、时间，又难避免补签或一次多签等行为。一旦出现问题，管理层很难判明责任。针对这一情况，本文设计了铁路电子巡更系统，本系统可记录巡检员执行任务时真实情况。它是对人工铁路巡检过程进行监督的十分有效的方法。本文设计的铁路电子巡更系统是一种采用DS1990A信息钮和1-wire总线技术，可利用USB传输数据的电子巡更系统。而且巡更系统本身具有红外测温、LCD显示和照明功能，可以方便巡检人员测温和夜间巡检。本系统具有高安全性、高精度、耐低温的特点。关键词：铁路电子巡更系统；DS1990A信息钮；红外测温；LCD显示；实时时钟PAGEIIElectronicInspectionSystemofRailwayTrain—hardwaredesignAbstractWiththedevelopmentofsociety,scienceandtechnologyprogress,people'ssafetyawarenessinthegradualincreaseinthemanagementofallwalksoflifebecomemorestandardized,scientificandcomputerized.Particularlyforrailtransporttofurtherenhancesafety,inordertoadapttothischangeandsolvethisproblem,canonlystrengthenthenumberofpatrolofficersonpatrol,theusualmethodistorelyonstaffself-consciousness,inthepatrolregularlypatrolthesiteattendance.Asmanagersfinditdifficulttocarryouteffectivesupervisionandmanagementofafairandreasonable.Inordertomakemanagersmoreeffectiveandconvenientmanagementofthisbusinessworkflowandtimelyanalysisofdataindecision-making.thesystemcanimprovetheworkofvarioustypesofpatrolinspectionstandardizedandscientificmanagement.Nowdays,RailwayPatrolneedstocheckthesecurityaswellastheaxletemperature.Accordingtogeneralinspectionmanagementsystem,notonlydifficulttoverifytheroute,butdifficulttoavoidretroactiveoronemoresignacts.ThispaperdiscussesasystemnamedSafetyInspectionSystemofRailwayTrainInspectionthatcanrecordtherealsituationofthepatrolmembersperformingtasks.Theelectronicpatrolinstrumentcanmonitortheinspectionprocessofpatrolmembers,andveryeffective.TheSafetyInspectionSystemofRailwayTrainInspectionadoptsDS1990Ainformationbuttonwhich1-wirebustechnologybeappliedandusesUSBtotransmitdata.Andtheelectronicpatrolinstrumentitselfhasthefunctionofmeasuringtemperaturewithinfrared,displayingwithLCDandlighting.Soitcanmakethepatrolmembersmeasuringtemperatureandpatrollingatnightmoreconveniently.Meanwhileithasthecharacteristicofhighsecurity,high-precisionandlowtemperature.Keywords:SafetyInspectionSystemofRailwayTrainInspection;DS1990AInformationButton;InfraredTemperatureMeasurement;LCDDisplayReal-TimeClockPAGEii目录PAGE2目录TOC\o"1-3"\h\u6876摘要 I13966Abstract II6661目录 i97041绪论 (1)45051.1课题背景 (1)189161.2研究意义 (1)293411.3国内外相关领域的研究现状 (1)308701.4研究内容 (2)182801.5论文结构 (2)218061.6本章小结 (3)102032系统硬件设计 (4)153032.1提出方案 (4)72612.2方案分析以及确定 (4)94712.3系统组成 (5)198662.4系统功能描述 (6)18432.5C8051F320单片机简介 (6)39292.6DS1990A信息钮模块 (10)108832.6.1DS1990A信息钮的介绍 (10)17652.6.2DS1990A信息钮的接口电路 (11)199802.7TN9红外测温模块 (12)291502.7.1TN9红外测温模块介绍 (12)122932.7.2TN9红外测温模块的接口电路 (16)308262.8SD35TR液晶显示模块 (16)224262.8.1SD35TR液晶显示模块介绍 (16)36172.8.2SD35TR液晶显示模块接口电路 (18)140052.9外部时钟芯片模块 (19)161712.9.1外部时钟芯片介绍 (19)110432.9.2外部时钟芯片串行接口 (22)295372.9.3PCF8563实时时钟一般应用 (22)250012.9.4PCF8563实时时钟接线 (23)162472.10本章小结 (23)294533其他外围电路设计 (24)236723.1电源电路 (24)46413.2外扩存储器电路 (24)246013.3蜂鸣器电路 (25)69823.4电池电压采集电路 (25)257763.5照明电路 (25)64153.6本章小结 (26)14874调试 (27)120044.1硬件调试 (27)324714.2本章小结 (28)8663参考文献 (29)25342致谢 (30)14601毕业设计（论文）知识产权声明 (31)25238毕业设计（论文）独创性声明 (32)14931附录1系统原理图 (33)28579附录2系统PCB图 (34)目录1绪论11绪论1.1课题背景随着社会的发展，科技的进步，人们的安全意识在逐渐提高，在日常生活中我们随处可见工作人员对特定的区域（如楼宇、设备和货物等）进行定期或不定期的安全巡查管理。然而，要想防患于未然，没有每天按时、定点严格的巡检是不可能做到的。一般的巡查管理制度都是通过巡查人员在巡查点记录本上签到的方式来对巡查人员进行管理。但这种方式既难核实路线和时间又难避免补签或一次多签等作弊行为，在查核签到时比较费时费力，对于失盗、失职分析难度较大，使得管理制度形同虚设。一旦出现问题，管理层很难判明责任。具体在铁路巡检方面，由于巡检点没有签到人员，这一问题更加明显。因此，摆在管理层面前的一个很现实的问题就是:如何准确地评定铁路巡检人员的工作质量、工作情况？如何加强对铁路巡检员巡检工作进行有效的监督？基于该需求，研制铁路列检安全巡检系统，以真实地记录、了解铁路巡检员执行任务时的真实情况，保证铁路巡检工作保质保量地进行，就势在必行。1.2研究意义为了能使管理者更有效、方便的管理这一项工作流程，并能够及时的对数据进行分析决策，在铁路管理领域里产生了铁路列检安全巡检管理系统。这个系统可以使铁路巡检工作规范化并且可以提高巡检工作的科学管理水平。它的出现可以避免巡检人员无法科学、准确考核监控的现象，有效地保障了铁路巡检工作井然有序的工作流程。它将改变人们对铁路巡检的理解，把只限于特定时间、地点及人员的考勤范围，通过对系统的预先设定，扩大到可满足不同列车的特殊考勤，并很方便的记录下工作人员到达巡检点的时间、地点等数据信息。1.3国内外相关领域的研究现状国内外已经出现类似产品不超过20种，电子巡更巡检系统分在线式和离线式两大类。早期的巡更系统是在线式的。它的优点:一是巡更员只需携带卡或信息钮，比较轻便二是信息可以及时上传，防止丢失，且数据汇总比较方便；三是人们在控制中心电脑上可以及时看到巡更人员巡逻情况。如在巡更员发生意外，没有读卡时，中心可快速核查，处理突发事件。由于在线式巡更系统可以实现实3PAGE2时控制，因此，在一些对巡更系统要求特别严格或巡更工作有一定危险的地方，都较适合使用在线式巡更系统。但是，它有很多缺点:由于用户在每一个巡更点上必须安装一台巡更机，必须供电、联网，在一定的范围内进行综合布线，施工量大，整体费用必然昂贵；容易受到温度、湿度、布线范围的影响，安装维护也比较麻烦；对于己经装修好的建筑而言，要重新进行配置也显得较为困难；室外安装的传输线路也容易遭受人为的破坏；主要是受当时人们对巡更系统设计思想的认识局限和技术的限制，不能低成本地解决巡更机低功耗、微型化、大容量存储的难题。因此，在线式电子巡更机很难推广和普及。随着巡更系统设计思想的成熟和技术的发展，人们开发了离线式巡更系统克服了在线式巡更系统的缺陷，即价格昂贵和安装维护困难等特点。而这种巡更系统更易于携带，无需布线，安装简单，不受温度、湿度的影响，不易被破坏，并且系统扩容和线路变更的实现更为容易，很受市场欢迎。它利用信息钮技术，通过巡更机(巡更棒)与信息钮的接触读取信息。其工作程序是在巡更点上安装信息扭，巡更人员巡逻时，手持巡更机(巡更棒)到各点，在信息扭上触碰一下，巡更机便读取信息扭数据。技术含量低，成本低廉，功耗极低，易于小型化，使巡更机设计非常简单，迅速走向成熟。普遍采用金属壳体，防水设计，适合保安巡检使用。由于技术含量和成本较低，因此价格比较低廉。但是其存在致命缺陷:一是巡更机(巡更棒)与信息钮必须非常准确地接触才能读取信息，操作起来很不方便，尤其在晚上，光线不好，不易找准；二是信息钮必须与巡更机接触，必然是外露的，这样易被破坏；三是外露信息钮易受污染。1.4研究内容本课题要求系统具有采集，上报和照明功能。本系统采集方面主要为两部分：一部分是温度的采集，另一部分是到岗信息的采集。温度方面采用主流的红外测温传感器，温度分辨率达到±1℃。到岗信息采集采用美信公司的DS1990A信息钮，其传输信号基于1-wire总线方式。在上报传输方面，采用通用串行总线USB方式。在照明方面，采用耐低温，大容量，低自耗的功率管，使用大容量锂电池供电。一次连续工作时间长达24小时。亮度方面相当于一个装有两节1号电池的普通手电筒亮度。本文的主要研究内容是：电子巡更系统的硬件设计和系统的低功耗实现。1.5论文结构本文通过四部分对铁路电子巡更系统的设计进行了叙述：1绪论，介绍了课题背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状和研究内容；2方案的分析和确定和主要电路的设计；3其他一些外围电路的设计，说明了系统硬件电路的具体设计方法；4调试，具体介绍了系统的整个硬件的调试过程。1.6本章小结本章主要对课题的研究背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状、研究内容以及本论文的结构做出了简要的说明。2系统硬件设计4 2系统硬件设计2.1提出方案本套方案主要包括C8051F320单片机、iButton信息钮、红外测温模块、液晶显示模块、USB接口、实时时钟、照明电路、电池容量检查电路、液晶显示。本系统的主要特点是，注重巡检的质量，所以许多模块都采用了比较成熟的技术。工作时，iButton信息钮被固定到列车上，信息钮里面存有唯一的64位注册码，可以做为巡检点的号码。巡检人员在拿着巡检仪进行巡逻时，每到一个巡检点，只要用巡检仪上的信息采集探头接触信息钮就可以按下信息采集键读入信息钮里的注册码。测量列车轴承温度时，由于比较危险，所以采用无线方式的红外测温。然后巡检仪把采集到的数据和采集数据的时间存入存储器里。当需要向管理中心汇报巡检情况时，可将巡检仪通过USB接口连接到控制中心PC机并上传数据。控制中心的管理人员可以决定是否对信息进行打印或者进行其他的操作。在实时时钟方面，本系统采用高精度、超低功耗的时钟芯片，年误差不到2秒，一节50mA的纽扣锂电池可使用5年以上，在第一次写入时间后就不需要再修正。巡检仪还带有功率管照明电路，方便巡检人员在夜间巡检。2.2方案分析以及确定本系统的全名是“铁路电子巡更系统系统”。顾名思义，它是巡检系统，针对铁路这一特殊的巡检对象。所以对巡检仪的要求也不像一般的巡检对象那样简单。铁路和其它巡检对象最大的区别就是工作环境非常恶略，在决定系统方案时这一点是不容忽视的。除了环境外，成本和工作的稳定性也对方案的确定起着非常重要的作用。在信息采集方面：方案中采用传统的iButton信息钮，其优点是纽扣外形、不锈钢材料，结实耐用，能适应各种环境，读信息注册码不会出错，非常适合在铁路的恶略环境下长寿命的工作。但是一个最大的缺点就是接触式采集信息，操作不方便。在巡检信息汇报方面：方案中采用USB汇报，优点是数据传输不会受环境影响，而且接口方便，操作容易。最重要的一点是成本低，适合于大批量生产推广。缺点是汇报要在巡检人员巡检回来后才能执行，信息不能及时的得到处理。然而，现在列车提速，列车在车站内停留的时间就有所增加，可以对这个缺点进行一定程度的弥补。在温度采集方面：方案中采用红外测温，但是测温的对象是列车的轴承，西安工业大学毕业设计（论文）PAGE5这就要求测温装置的测温范围可以不必太宽，但是精确度要高。红外测温能够满足这种要求，而且还有无线的优点。在显示、实时时钟和电池电量检测方面：各个部分及功能都是巡更系统所不可缺少的。在方案中还涉及到了时钟的修改以及修改权限。因为只有管理人员才可以修改时钟。但是管理人员毕竟比巡更人员少的多，时钟修正就会花费管理人员大量的工作时间，对他们真正的管理工作就会带来严重的影响。因为实时时钟采用高精度、超低功耗芯片，年误差不足2秒，而且仅用一节50mA纽扣锂电池就可以使用5年以上，完全没有修正时间的必要。在额外功能方面：巡更系统具有打印接口，是在控制中心的PC机上进行打印，是集中打印，省去了不必要的批量打印接口，即节省了成本又减小了巡更系统的体积和功耗。而且它的额外功能是照明，考虑到了巡更人员的夜间工作，虽然功能小但非常实用。不过最大的问题就是照明的功耗，然而方案中采用功率管做照明，就很好的解决了这一问题，即做到了高亮度又做到了低功耗。综上所述，本系统虽然有一定的缺点，但是总体上来说还是可以具体实施的，并且可以运用到实际中，最终就确定了本方案。2.3系统组成为了判断列检人员是否到达指定的地点进行安全巡检,本系统设计利用i-Button信息钮作为外部信息载体,与PCF8563高精度时钟器件相配合,实现巡检地点(用不同的注册码代替)和时间的准确记录,并利用液晶显示模块显示时间和注册码;巡检人员可利用红外测温模块测量车轴温度，分辨率达到±1℃。为了便于巡检人员夜间工作,本巡检仪还具有高亮度的LED照明功能,一次连续工作时间长达24小时。并留有USB接口,方便与PC机数据转储,以备日后数据处理、查询。根据巡更系统的功能设计了系统结构框图,如下图2.1所示。主要包括主电路、信息采集、温度采集、液晶显示和照明电路等模块。图2.1铁路巡检仪的硬件结PAGE162.4系统功能描述DS1990A信息钮被固定在列车上，信息钮里面存储了国际唯一的64位光刻ROM注册号，作为一个巡检点号。巡检人员在拿着巡检仪进行巡逻时，每到一个巡逻点就读入信息钮里面的注册号，并测量列车轴承的温度，然后将采集的数据和采集时间存储在巡检仪的ROM当中。当要向控制中心汇报巡检情况时，只要将USB接口连接到控制中心的PC机上，就可以将巡检仪中的巡检信息上传给控制中心。管理人员可以通过对控制中心PC机上所有巡检信息进行汇总，比较有无漏检；还可以对信息进行存档、打印等操作。当在夜间巡检时，本系统还具有功率管照明功能，至少可持续工作24小时。方便巡检人员在夜间巡逻。大容量锂电池方面，本系统设有电池电压检测和USB充电功能。当电池电压过低时，系统将进行充电报警。工作人员可将巡检仪连接到PC机的USB接口上，利用USB给电池充电。2.5C8051F320单片机简介C8051F320器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。下面列出了一些主要特性。·高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达25MIPS）·全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）·通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发和1KFIFORAM·电源稳压器（5V至3V）·真正10位200ksps的17通道单端/差分ADC，带模拟多路器·片内电压基准和温度传感器·片内电压比较器（两个）·高精度可编程的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器·16KB可在系统编程的FLASH存储器·2304字节片内RAM（256+1K+1KUSBFIFO）·硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口·4个通用的16位定时器·具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）·片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器·25个端口I/O（容许5V输入）端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。C8051F320采用32脚LQFP封装或28脚MLP封装。C8051F320的原理框图如下图2.2所示。图2.2C8051F320原理框图C8051F320系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、2304字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及25/21个I/O引脚。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51共有111条指令。下面列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。如下表2.1所示。表2.1指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。执行周期数122/333/444/558指令数265051673121具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F320/1是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。每种器件都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。扩展的中断系统向CIP-51提供16个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。C8051F320有多达9个复位源：上电复位电路（POR）、片内VDD监视器（当电源电压低于VRST时强制复位）、USB控制器（USB总线复位或VBUS状态变化）、看门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0提供的电压检测器、软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护电路复位。除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。C8051F320器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为12MHz±1.5%，该振荡器的周期可以由用户以大约0.25%的增量编程。时钟恢复电路允许内部振荡器与4倍时钟乘法器配合，提供全速方式USB时钟源。内部振荡器还被用作低速方式下的USB时钟源。外部振荡器也可以与4倍时钟乘法器配合使用。器件内集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部CMOS时钟源产生系统时钟。系统时钟可以被配置为使用内部振荡器、外部振荡器或时钟乘法器输出二分频。如果需要，可以在CPU运行时切换振荡源。外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部时钟源运行，当需要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。C8051F320的片内时钟和复位电路如图2.3所示。图2.3C8051F320片内时钟和复位电路CIP-51有标准8051的程序和数据地址配置。它包括256字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM的高128字节，用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。前32个字节为4个通用寄存器区，接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。程序存储器包含16KB的FLASH。该存储器以512字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的编程电压。系统的存储器结构图如下图2.4所示。图2.4系统的存储器结构。2.6DS1990A信息钮模块2.6.1DS1990A信息钮的介绍DS1990A信息钮是一种坚固的数据载体，通过1-Wire总线协议传输，只需要一条信号线和一个地回路。内部包含工厂刻入的国际唯一64位注册码。坚固不锈钢外壳，可防尘、防潮、防震。纽扣型外壳，方便与杯型探头接触。DS1990A从I/O总线获取所需的能量，如寄生电源,ROM功能控制单元包括1-Wire接口和逻辑电路，用于实现ROM功能命令，访问64位光刻ROM,其具体工作过程如下：1-Wire总线上所有的传输操作均由初始化序列开始，初始化序列由主机发出的复位脉冲和DS1990A发出的在线应答脉冲组成。在线应答脉冲使主机检测到DS1990A在总线上，并且已经准备就绪一旦主机检测到应答脉冲，就可以发出DS1990A支持的ROM功能命令。此命令允许总线主机读取DS1990A的8位家族码、唯一的48位序列码和8位CRC校验码。其原理框图如下图2.5所示。图2.5ibutton信息钮原理框图在本系统中工作时，DS1990A信息钮作为1-Wire的从器件，先接受主器件发送的复位脉冲，当接收成功时，DS1990A信息钮发出应答脉冲，主器件检测到应答脉冲时，DS1990A信息钮的初始化工作就完成了。初始化完成以后，主器件就可以通过1-Wire总线向DS1990A信息钮发送读ROM命令，当DS1990A信息钮检测到1-Wire总线上的读命令并确认时，就将它内部的64位注册码依次发送到1-Wire总线上，同时主器件也检测接收1-Wire总线上的数据，完成64位注册码的传输。2.6.2DS1990A信息钮的接口电路本系统中DS1990A信息钮采集包括三部分：DS1990A信息钮、DS9092信息钮读取探头和C8051F320单片机。DS1990A信息钮为纽扣外形，分两部分作为信号连接，中心为1-Wire总线的I/O连接，周围为信号地连接。DS9092读取探头根据DS1990A信息钮外形设计为杯状，中心为1-Wire总线的I/O连接，周围为信号地连接，并可将信息钮包含，实现充分接触。DS9092背后引出两根连线，一根为1-Wire总线的I/O连接到C8051F320单片机P2.1口，另外一根为信号地。由于1-Wire总线为上拉传输，故在C8051F320的P2.1口外连接了1K的上拉电阻到3.3V电源。另一方面，信息采集是通过一个低电平按键中断来启动的，故在C8051F320的P0.6口上拉一个4.7K电阻后再通过按键接地，作为信息采集中断。DS1990A信息钮连线图如下图2.6所示。图2.6DS1990A信息钮连线图DS1990A信息钮电气特性如下表2.2所示。表2.2DS1990A信息钮电气特性（Vpup=2.8V~6.0V,TA=-40℃~+85℃）参数符号数值单位最小值典型值最大值1-Wire上拉电阻RPUP0.6-5KΩ输入负载电流IL-0.25-uA输入高电平电压VIL--0.8V输入低电平电压VIH2.2--V输出低电平电压VOL--0.4V输出高电平电压VOH-Vpup-V回复时间tREC1--uS存储温度TS-55-+125℃2.7TN9红外测温模块2.7.1TN9红外测温模块介绍红外，就像任何光线，是一种电磁辐射，与较低频率比可见光（或波长更长）。只要高于绝对零度（-273.15摄氏度或0度开尔文）甚至冰块、雪、您的冰箱都会发出红外线。TN9红外测温模块是应用了斯特凡-玻耳兹曼定律和维恩位移定律，通过测量不同被测物体发射率和红外辐射量，再根据科学公式计算被测物的温度。当要求测温时，TN9的红外探头先接收被测物的红外辐射，经模块内部A/D转换，再根据被测物的发射率，通过一系列的计算公式算出被测物的温度，并将其存储在模块的ROM上。然后TN9模块作为SPI传输的主器件，启动SPI传输将数据传输给从器件C8051F320单片机，就完成了一次测温工作。（1）TN9红外温度计模块特点TN9红外温度计模块采用高灵敏度、高精度、低功耗的设计，保证了采温的优良特性。MEMS热电堆可以准确的测量出环境温度，TN9红外温度计模块还采用了温度补偿技术。TN9具有集成了所有硬件集成电路组成的红外片上系统。应用该创造性的红外片上系统（SoC）技术，TN9红外温度模块具有很高的集成度和性价比，可以承受10℃的热冲击，擅长在宽范围温度变化环境中保持精度。例如：传统的红外测温仪温度变化带来的误差达到1.6℃，需要30分钟的稳定时间；而TN9误差仅仅是0.7℃，仅需要7分钟的稳定时间.TN9只需要3伏电源供电，而多数其他红外温度计需要9伏电压供电。（2）红外测温模块的测温视场TN9的测温视场如下图2.7所示。 D:S=1:1 距离:目标直径=1:1图2.7TN9视场 当测试距离是10英寸时,被测点的尺寸也是10英寸句话说,视场FOV是26度。如果试距离是20英寸时,被测点的尺寸也是20英寸,换句话说,视场FOV是26.6x2=53.2度。（3）发射率要正确操作红外测温仪，必须了解物体的发射率或者物体的辐射特性.简单的说，发射率就是物体表面或者黑体的发出的辐射光和根据普朗克定律得出的理论值的比率。物质的表面发射率可以通过测量直接观察到的总辐射能力来得到。有很多变量影响物体的发射率，比如：测量的波长、视场、黑体的几何形状和温度。（4）TN9的极限值参数值如下表2.3所示。表2.3TN9的极限值参数值参数符号额定值直流电压V+<7.0V输入电压范围VIN-0.5VtoV++0.5V当电压超过额定表中给出的额定值可能引起操作错误或者器具的损坏。对正常工作条件见AC/DC参数.正常工作的直流参数表如下表2.4、表2.5所示。表2.4正常工作的直流参数表(VDD=3.0V,TA=25℃)参数符号数值单位测试条件最小值典型值.最大值工作电压VDD2.5-3.6V工作电流IOP-46mAVDD=3.0V,FCPU=600KHz静态电流ISTBY-23μAVDD=3.0V输入高电平VIH2.0--VVDD=3.0V输入低电平VIL--0.8VVDD=3.0V高电平输出电流IOH--2.0-mAVDD=3.0V,VOH=2.4V低电平输出电流IOL-2.5-mAVDD=3.0V,VOH=0.8V表2.5正常工作的直流参数表(VDD=4.5V,TA=25℃)参数符号数值单位测试条件最小值典型值.最大值工作电压VDD3.6-5.0V工作电流IOP-69mAVDD=4.5V,FCPU=600KHz静态电流ISTBY-34.5μAVDD=4.5V输入高电平VIH3.0--μAVDD=4.5V输入低电平VIL--0.8μAVDD=4.5V高电平输出电流IOH--2.0-mAVDD=4.5V,VOH=3.5V低电平输出电流IOL-2.5-mAVDD=4.5V,VOL=0.8V

串行输出框图TN9和单片机之间的串行输出框图如下图2.8所示。V +3V TTL TN9 D InterfacePC C (MCU) G AClock+Data+GNDRS-232orother图2.8串行输出框图（6）信息格式ItemMSBLSBSumCR Item “L”(4CH):Tobj(目标温度) “f”(66H):Tamb(环境温度)MSB 8bitData最高有效位LSB 8bitData最低有效位Sum Item+MSB+LSB=SumCR 0DH,结束信息（7）目标温度4C142A8A0D Item 4CH“L”目标温度标志Data MSB 14HLSB 2AH实际温度值[Hex2Dec(142AH)]/16-273.15=49.475℃Sum 检查和4CH+14H+2AH=8AH(OnlyLowByte)CR 0DH’回车表示信息结束环境温度6612C33B0DItem 66H“f”环境温度标志Data MSB 12HLSB C3H实际温度值[Hex2Dec(12C3H)]/16-273.15=27.03℃Sum 检查和66H+12H+C3H=3BH(OnlyLowByte)CR 0DH’回车表示信息结束2.7.2TN9红外测温模块的接口电路本系统中的红外测温包括两个部分：TN9红外测温模块和C8051F320单片机，它们之间采用SPI总线的3线制方式通信。TN9模块为SPI主器件，只负责发送温度数据；C8051F320为从器件，只负责接收温度数据。故SPI总线只用到了MOSI和SCK连线，MISO连线没有用到被悬空。TN9模块引出了5根连接线，依次为：电源(V)、SPI数据(D)、SPI时钟(C)、地(G)和测试脚(A)。其中SPI数据线(D)和SPI时钟线(C)是在传输温度信息时用到，分别连接到C8051F320单片机的P0.4和P0.2管脚作为SPI总线的MOSI和SCK。测试脚(A)，是TN9测温模块的启动信号脚，低电平有效，故通过一个1K电阻上拉到3.3V后，再通过按键接地，然后连接到C8051F320单片机的P0.5管脚作为温度采集的中断信号。按键按下把测试脚（A）置为低电平时启动TN9测温，同时通知C8051F320准备接收温度数据，按键松开时测试脚被电阻上拉为高电平停止测温。如下图2.9所示。图2.9TN9红外测温模块连线图2.8SD35TR液晶显示模块2.8.1SD35TR液晶显示模块介绍液晶显示模块采用HT1621作为显示驱动器。全显示有4个数字位、1个冒号和1个小数点。亮度调节分为4级,并用4个发光二极管做为背光光源。液晶显示模块的接口共有6条引出线,依次为:LED背光源正极(Vcc)、电源正极(Vdd)、地(Vss)、串行数据输入(DATA)、写信号(WR)、片选信号(CS)。其中三线串行接口串行数据输入(DATA)、写信号(WR)和片选信号(CS)分别连C8051F320单片机的P2.7、P2.6和P2.5引脚,直接采用单片机模拟总线控制SD35TR液晶显示模块。（1）主要技术参数显示容量:4位数字字高：12.0mm工作电压:5V典型工作电压:5.0V工作电流:300µA(5.0V)环境相对湿度：<90%RH工作温度：-20℃~+60℃存储温度：-30℃~+70℃LCD屏：TN型LCD显示方式：半透式，正显示视角：6:00（底视）接口方式：三线式串行接口（2）外形图SD35TR液晶显示模块的外形图如下图2.10所示。图2.10LCD外形图LCD定义图SD35TR液晶显示模块显示部分的定义图如下图2.11所示。图2.11LCD定义图（4）真值表LCD显示真值表如下表2.6所示。表2.6LCD显示真值表PIN123456789功能COM1SEG1SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG7SEG8COM1COM1E1D1B1A1E2D2B2A3COM2—F1G1C1A2F2G2C2COLCOM3—————————COM4—————————PIN1011121314151617功能SEG9SEG10SEG11SEG12SEG13SEG14SEG15COM2COM1E3D3B3A4E4D4B4—COM2F3G3C3DPF4G4C4COM2COM3————————COM4————————（5）LCD驱动接口电路一般情况下具有锁存功能的HT1621作为LCD的驱动器，如下图2.13所示。图2.13LCD驱动接口电路图2.8.2SD35TR液晶显示模块接口电路本系统中的液晶显示部分也包括两部分：SD35TR液晶显示模块和C8051F320单片机。由于显示部分只有对SD35TR液晶模块的写操作，所以SD35TR液晶模块和C8051F320单片机之间的通信是通过/WR、/CS、DAT三线串行接口来实现的。SD35TR液晶显示模块的接口共6根引出线，依次为：LED背光源正极（Vcc）、电源正极（Vdd）、地（Vss）、串行数据输入（DATA）、写信号（/WR）、片选信号（/CS）。其中三线串行接口串行数据输入（DATA）、写信号（/WR）和片选信号（/CS）引线分别连接到C8051F320单片机的P2.7口、P2.6口和P2.5口，直接用单片机模拟总线控制SD35TR液晶显示模块。如下图2.14所示。图2.14SD35TR液晶模块连线图SD35TR液晶显示模块从左到右的管脚配置如下表2.7所示。表2.7SD35TR管脚配置表123456LED电源（Vdd）LED电源（Vdd）地（Vss）数据输入（DATA）写信号（WR）片选信号（CS）2.9外部时钟芯片模块2.9.1外部时钟芯片介绍PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟／日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。一个或多个报警寄存器MSB（AE=AlarmEnable报警使能位）清0时，相应的报警条件有效，这样一个报警将在每分钟至每星期范围内产生一次。设置报警标志位AF（控制／状态寄存器2的位3）用于产生中断，AF只可以用软件清除。8位的倒计数器由定时器控制寄存器控制，定时器控制寄存器用于设定定时器的频率（4096，64，1，或1/60Hz），以及设定定时器有效或无效。定时器从软件设置的8位二进制数倒计数，每次倒计数结束，定时器设置标志位TF，定时器标志位TF只可以用软件清除，TF用于产生一个中断（/INT），每个倒计数周期产生一个脉冲作为中断信号。TI/TP控制中断产生的条件。当读定时器时，返回当前倒计数的数值。管脚CLKOUT可以输出可编程的方波。CLKOUT频率寄存器决定方波的频率，CLKOUT可以输出32.768KHz(缺省值)，1024，32，1Hz的方波。CLKOUT为开漏输出管脚，通电时有效，无效时为高阻抗。PCF8563包含一个片内复位电路，当振荡器停止工作时，复位电路开始工作。在复位状态下，I2C总线初始化，寄存器TF、VL、TD1、TD0、TESTC、AE被置逻辑1，其它的寄存器和地址指针被清0。掉电检测器和时钟监控PCF8563内嵌掉电检测器，当VDD低于Vlow时,位VL（VoltageLow,秒寄存器的位7）被置1，用于指明可能产生不准确的时钟／日历信息，VL标志位只可以用软件清除．当VDD慢速降低（例如以电池供电）达到Vlow时，标志位VL被设置,这时可能会产生中断。（1）简明参考数据外部时钟芯片PCF8563参考数据如下表2.8所示。表2.8简明参考数据符号描述条件最小值最大值单位Vdd工作电压I2C总线无效;Tamb=25℃1.05.5VI2C总线有效;ｆsc=400kHzTamb=-40～+85℃1.85.5VIdd工作电流;定时器CLKOUT失效ｆscl=400kHz－800μAｆscl=100kHz－200μAｆscl=0HzTamb=25℃VDD=５Ｖ－550ｎAVDD=２Ｖ－450ｎATamb工作温度范围-40+85℃Tstg储存温度-65+150℃（2）外部时钟原理方框图PCF8563原理方框图如下图2.15所示。图2.15外部时钟原理方框图（3）管脚配置图PCF8563管脚配置图如下图2.16所示。图2.16管脚配置图（4）管脚描述外部时钟芯片PCF8563如下表2.9所示。表2.9管脚描述符号管脚号描述OSCI1振荡器输入OSCO2振荡器输出/INT3中断输出（开漏；低电平有效）VSS4地SDA5串行数据I/OSCL6串行时钟输入CLKOUT7时钟输出(开漏)VDD8正电源2.9.2外部时钟芯片串行接口PCF8563的串行接口为I2C总线。I2C总线特性：I2C总线用两条线（SDA和SCL）在芯片和模块间传递信息。SDA为串行数据线，SCL为串行时钟线，两条线必须用一个上拉电阻与正电源相连，其数据只有在总线不忙时才可传送。2.9.3PCF8563实时时钟一般应用下图为PCF8563实时时钟的一般应用线路连接图。左边的芯片为PCF8563，右边为单片机，通过I2C总线用两条线（SDA和SCL）在芯片和模块间传递信息。同时分别用两个上拉电阻与正电源相连。如下图2.17所示。图2.17PCF8563实时时钟一般应用连线图2.9.4PCF8563实时时钟接线在本系统中PCF8563共8个管脚，其中管脚1和2连接微调电容为15pF的外部32.768KHz的晶体振荡器，经内部分频后，作为实时时钟的源时钟。管脚3为开漏中断输出，低电平有效，故经过一个5.1K的电阻上拉到3.3V电源，并连接到了C8051F320单片机的P0.7口作为时钟中断输入。管脚3和4为I2C总线的SDA和SCLK，分别采用10K电阻上拉到3.3V，并分别连接到C8051F320单片机的P1.2口和P1.3口。管脚7为可编程时钟输出，本系统中未用到，故直接用5.1K电阻上拉到3.3V，使其无效。管脚8为电源输入，D2、D3两个二极管是为了为防止电源反压。平时工作时由3.3V电源供电，当3.3V电源电压不足或没有时，就由J3的不间断锂电池给PCF8563供电。原理图如下图2.18所示。图2.18PCF8563实时时钟接线图2.10本章小结本章介绍了铁路电子巡更系统的主电路硬件设计部分。本系统的主要电路由C8051F320单片机、DS1990A信息钮、TN9红外测温模块、SD35TR液晶显示模块组成。在本章中画出了C8051F320单片机和各个模块及芯片及其接口电路，并对各个模块及芯片的工作过程做了介绍。3其他外围电路设计243其他外围电路设计3.1电源电路本系统中电源采用S818的直流5V到直流3.3V电源转换芯片，最大输出电流为200mA，典型工作电流为30uA。S818共5根管脚，其中管脚1为5V直流输入，接有220uF、0.47uF的滤波电容和一个给电池充电的限流电阻R3。管脚2为电源地。管脚3为S818芯片开关，但此芯片在本系统始终为开启模式，所以管脚3被接到5V电源使其无效。管脚4为无用管脚。管脚5为3.3V直流输出，接有47uF和2.2uF的滤波电容。如下图3.1所示。图3.1S818电源连线图3.2外扩存储器电路通过扩512KB的E2PROM存储器24LC512,用于存储采集信息、温度和时间；通过C8051F320的片内USB控制器外接一个迷你型USB母座作为巡更系统与PC机的数据转储接口。外扩储器电路图如下图3.2所示。图3.2外扩储器电路PAGE26253.3蜂鸣器电路蜂鸣器采用典型的9014驱动电路：基极串联1K电阻后连接到C8051F320的P0.1口，作为蜂鸣器的控制口。发射极接3.3V电源，集电极串联蜂鸣器后接地。单片机输出低电平时蜂鸣器蜂鸣，连线如下图3.3所示。图3.3蜂鸣器电路连线图3.4电池电压采集电路电池电压采集电路，是用来检测大容量锂电池电压，以防止此电池电压过低，影响系统工作。电路仅为2个电阻的分压电路，分压抽头连接到C8051F320单片机的P1.0口，作为电压采集口，然后在单片机内部进行A/D转换。通过串联两个电阻进行分压，阻值分别为17K和33K,由电路知识KVL可知当电源电压为5伏时电压检测点刚好3.3伏，而电压检测点的电压低于1.8伏时表明电源电压低于单片机系统所要求的最低电压2.7伏。此时，表明系统电压过低，就应强制复位。电压检测电路图如下图3.4所示。图3.4电池电压采集电路3.5照明电路本系统还具有夜间照明功能，它采用0.5W的功率管，由于工作电流为8mA且导通电阻只有350欧姆左右，所以和一个270欧姆限流电阻串联在了5V电源和地之间。如下图3.5所示。西安工业大学毕业设计（论文）26图3.5照明电路连线图3.6本章小结本章介绍了铁路电子巡更系统的硬件设计其他外围电路设计部分部分。主要是电源电路，外扩存储器电路，蜂鸣器电路，电池电压采集电路以及照明电路。分别解释了其电路原理和电路连线图。4调试274调试4.1硬件调试 硬件电路的调试，主要是对几大模