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1 概述 在地鐵工程建設中，工程用內燃機車(chē)（簡(jiǎn)稱(chēng)工程車(chē)）起到了非常重要的作用。尤其在地鐵建設初期，由于需要運送大量的建筑材料，而初期的運輸條件又比較簡(jiǎn)陋，因而工程車(chē)成為主要的運輸工具。在地鐵建成后的運營(yíng)中，工程車(chē)同樣可以擔負車(chē)輛段內的調車(chē)和運送大型工程材料下隧道等任務(wù)。由于地鐵對工程車(chē)的使用量非常大，工程車(chē)司機的勞動(dòng)強度自然也是很大的。所以，如何應用自動(dòng)化技術(shù)改進(jìn)車(chē)輛的性能，減輕司機的勞動(dòng)強度是地鐵運營(yíng)中一個(gè)必須考慮的問(wèn)題。 本文介紹的這套機車(chē)自動(dòng)換檔系統能夠自動(dòng)檢測機車(chē)的實(shí)時(shí)運行速度，并把得出的機車(chē)速度信號和柴油機的轉速進(jìn)行比較，再由單片機根據比較出來(lái)的結果輸出控制指令，以控制相應的執行組件進(jìn)行自動(dòng)換檔。此外單片機還可根據現時(shí)機車(chē)運行的檔位輸出指令來(lái)控制相應的LED以顯示機車(chē)的運行狀態(tài)。借助這套系統既可以減少司機經(jīng)常換檔的勞動(dòng)強度，又可以使機車(chē)大部分時(shí)間運行在比較合理的檔位，這對節省油料和保護環(huán)境都有比較好的效果。 該機車(chē)自動(dòng)換檔系統的硬件部分由前端輸入電路、單片機電路和輸出放大電路組成。其中前端放大電路的功能是把機車(chē)的速度和柴油機的轉速兩個(gè)速度參數信號轉換成電 信號并進(jìn)行比較，然后把結果輸入到單片機電路。單片機電路的作用是根據比較的結果輸出正確的控制指令來(lái)使執行元件動(dòng)作換檔，同時(shí)顯示現時(shí)機車(chē)的運行狀態(tài)。輸出放大電路的作用是把單片機電路輸出的控制信號進(jìn)行功率放大，以使其能夠驅動(dòng)換檔執行組件。 2 前端輸入電路 前端輸入電路主要由速度傳感器、脈沖整形電路、頻率電壓轉換電路、電壓放大電路、施密特電壓比較電路組成。其電路框圖如圖1所示。 2．1 前端輸入電路的構成 本自動(dòng)換檔系統共有兩個(gè)速度參數值需要測量，分別是機車(chē)速度和柴油機轉速，圖1是前端輸入電路中機車(chē)速度的輸入部分，柴油機轉速與機車(chē)速度的輸入電路相同。 在圖1中，機車(chē)的速度首先由拉霍爾速度傳感器進(jìn)行檢測，這種傳感器的特點(diǎn)是工作穩定，頻率較高，比較適合鐵道車(chē)輛使用。拉霍爾傳感器輸出的是一個(gè)脈沖信號，這個(gè)信號的頻率與機車(chē)的速度成正比。為了提高電路的可靠性，傳感器輸出的脈沖需要經(jīng)過(guò)一個(gè)脈沖整形電路。脈沖整形電路以集成塊8751為核心組成。 8751是一個(gè)開(kāi)關(guān)管集成電路，當輸入為高電平時(shí)，輸出也為高電平，反之，輸出為低電平。由于8751內部有自己的功率放大和穩壓電路，并可自己修整輸入脈沖波形中的丟失和缺陷，所以在8751輸出端就可以得到一個(gè)很穩定的、波形完整的脈沖方波頻率信號。為了把機車(chē)速度和柴油機的轉速作比較，必須把兩者的頻率信號轉換成電壓信號。所以頻率信號應再輸入到頻率電壓轉換電路，該電路以L(fǎng)M331集成電路為核心，其輸出的電壓值為6～8V，且輸出電壓與脈沖信號的頻率成正比。由于所轉換后的電壓信號是由最初的傳感器輸出的脈沖經(jīng)過(guò)一系列的處理得出來(lái)的，因此這個(gè)信號代表了相應的機車(chē)速度或柴油機轉速。這樣，把這兩個(gè)電壓進(jìn)行比較就可得出機車(chē)和柴油機的速度關(guān)系。但在比較之前，為了提高比較的精度，還需要把電壓信號輸入一個(gè)電壓放大電路，從而產(chǎn)生一個(gè)輸出電阻比較大的電壓值以提高電路的穩定性。 2．2 施密特電壓比較電路 通過(guò)比較機車(chē)速度和柴油機轉速可以確定機車(chē)是否需要進(jìn)行換檔，當機車(chē)的速度低于柴油機的速度時(shí)，機車(chē)運行在1檔，當機車(chē)速度大于柴油機速度時(shí)，機車(chē)換檔到2檔。比較代表兩個(gè)速度的電壓是由施密特電壓比較電路完成的，它不但可以比較兩個(gè)電壓信號，還可以在2檔到1檔的轉換時(shí)產(chǎn)生一個(gè)施密特回滯。 圖2所示是將機車(chē)速度和柴油機速度電壓信號轉換成換檔信號的具體電路。圖中，Ua和Ub分別是代表機車(chē)速度和柴油機速度的電壓信號。兩個(gè)運算放大器 F1和F2都接成電壓比較器的形式。兩個(gè)輸出端分別輸入一單穩態(tài)觸發(fā)器的S和R端，單穩態(tài)觸發(fā)器的輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)光電隔離器件的處理即可變成換檔信號。在圖 2中，F1的兩個(gè)輸入電壓和F2的反相端輸入電壓都直接接Ua或Ub。而F2同相輸入端則由R1和R2對Ub分壓后輸入，由于R1為560Ω，而R2為 10kΩ，實(shí)際的輸入電壓為0．95Ub。通常機車(chē)的初始檔位都是1檔，隨著(zhù)機車(chē)速度逐漸增加，當其速度大于柴油機轉速（即Ua＞Ub）時(shí)，F1輸出高電平并加入到單穩態(tài)觸發(fā)器的S端，對于F2，由U2＝0．95Ub，可得Ua＞U2，所以F2輸出低電平到單穩觸發(fā)器的R端。這樣，觸發(fā)器將輸出高電平，以控制電路輸出換2檔信號，從而使后面的單片機電路進(jìn)行換檔。當機車(chē)速度下降到小于柴油機轉速時(shí)，即Ua＜Ub，但Ua＞0．95Ub時(shí)，F1輸出低電平，但由于此時(shí)F2的同相輸入端U2＝0． 95Ub，F2的輸出端仍然為低電平，這樣，由于單穩觸發(fā)器的S和R端都輸入低電平，所以它的輸出端仍維持原來(lái)的狀態(tài)而不輸出換檔信號。當Ua＜0． 95Ub時(shí)，F2的輸出端轉換為高電平，此時(shí)單穩觸發(fā)器的輸入端S端為低電平而R端為高電平，從而使觸發(fā)器的輸出為低電平，以為機車(chē)提供從2檔到1檔的換檔信號。由上面所述的電路工作過(guò)程可以看出：從1檔到2檔時(shí)，機車(chē)一旦速度到達換檔點(diǎn)，則馬上換檔的，而從2檔到1檔時(shí)，是機車(chē)到達換檔點(diǎn)速度的95％時(shí)才進(jìn)行換檔。這個(gè)延遲時(shí)間可以避免機車(chē)可能由于振動(dòng)或其他因素引起的頻繁換檔及不穩定。 3 單片機電路 施密特電壓比較器輸出的是通過(guò)前端輸入電路處理后的換檔信號，而其后的單片機電路的作用是根據換檔信號結合機車(chē)的其它參數來(lái)決定機車(chē)是否進(jìn)行換檔。 3．1 單片機電路的構成 單片機電路由80C31芯片、6264組成的只讀存儲器ROM、由74HC373驅動(dòng)的LED顯示燈（機車(chē)狀態(tài)指示電路）和基于8155的輸入輸出電路組成。由于完整的單片機電路比較復雜，所以只給出了參與自動(dòng)換檔控制的部分，其電路連接如圖3所示。 該電路工作時(shí)，機車(chē)換檔信號經(jīng)過(guò)一個(gè)光電耦合器4N26輸入到單片機P1口的P1．5腳，使用光電耦合器的目的是避免從電源傳過(guò)來(lái)的干擾信號。由集成塊74HC373驅動(dòng)的8個(gè)LED，可顯示機車(chē)所處的檔 位以及正在運行的程序段，從而使駕駛員和技術(shù)維修人員了解機車(chē)的狀態(tài)。 8155的作用是輸出控制換檔閥工作信號，該信號在經(jīng)過(guò)輸出放大芯片的功率放大后可直接驅動(dòng)換檔執行元件以實(shí)現自動(dòng)換檔。單片機的P2．5～P2．7三個(gè)引腳信號經(jīng)過(guò)74HC138譯碼后，可分別作為只讀存儲器、8155輸入輸出芯片以及74HC373的片選信號，這三個(gè)引腳構成了訪(fǎng)問(wèn)這三個(gè)器件時(shí)的高三位地址。 3．2 軟件設計 在接收到換檔信號后，根據程序指令，單片機將結合其它幾個(gè)機車(chē)參數來(lái)決定是否進(jìn)行換檔，這些參數包括換檔允許信號是否有效、是否有參數超過(guò)機車(chē)報警值等。如果沒(méi)有問(wèn)題，機車(chē)將進(jìn)行換檔。 圖4所示是該機車(chē)換檔系統的軟件流程圖。其軟件初始化程序如下： START：mov A，＃03H設置狀態(tài)字，使8155的 4 輸出放大電路 輸出放大電路主要由一些功率放大開(kāi)關(guān)管組成，可用于完成對單片機輸出信號的進(jìn)一步放大，以直接驅動(dòng)換檔的電磁閥等執行元件。該電路比較簡(jiǎn)單，這里不再詳述。 |
