摘  要： 設(shè)計了一種由信號輸入電路、單片機控制電路、輸出電路、執(zhí)行電路、報警及電源電路等構(gòu)成的風(fēng)源凈化控制器。信號控制電路與機車電器回路完全隔離，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，同時控制程序固化在微處理芯片中，不需要通過電位器來模擬整定，提高了系統(tǒng)的時間精度及可靠性。
關(guān)鍵詞： 風(fēng)源凈化；控制器；微處理技術(shù)；AT89C51

    運行在鐵路干線上的列車對空氣系統(tǒng)(俗稱風(fēng)源[1])要求很高，由于機車風(fēng)泵產(chǎn)生的壓縮空氣通常含有機械雜質(zhì)、油份和冷凝水等污染物,所以當壓縮空氣流經(jīng)管道進人各閥時,有害物質(zhì)會銹蝕管壁和閥體,加速運動部件的磨損,甚至墊閥口、堵塞氣路、卡死柱塞等。這不僅縮短了制動機的維修周期,增加了維修費用,還可能導(dǎo)致制動機失靈,以致造成重大的行車事故，所以充分保證機車的風(fēng)源質(zhì)量至關(guān)重要。機車上的壓縮空氣儲存在總風(fēng)缸中，總風(fēng)缸內(nèi)的壓縮空氣由機車上空氣壓縮機提供[1]。在空氣壓縮機與總風(fēng)缸之間串接有風(fēng)源凈化裝置，本裝置就是這種凈化裝置的控制部分，以完成風(fēng)源的干燥、凈化?？刂破鞯淖饔镁褪前刺囟ǔ绦颍箖蓚€干燥塔輪流工作（吸附和再生[2]），從而使流經(jīng)的空氣得以干燥和凈化，然后再供給機車上的用風(fēng)系統(tǒng)，所以風(fēng)源凈化控制器（簡稱控制器）是整個風(fēng)源凈化裝置的核心，其部件必須按控制器所設(shè)定的程序才能保證其正常工作。
    中國專利文獻號CN 86200250U公開了一種機車風(fēng)源凈化系統(tǒng)的電氣控制裝置，其不足之處主要有：(1)該裝置完全采用模擬電路，記憶性功能差，精度不夠，采用步進繼電器工作可靠性不高。而目前機車上常見的風(fēng)源凈化控制器都采用CMOS 24級分頻器CD4521電路[3]，振蕩頻率由外接電位器進行整定，定時精度取決于外接可變電阻和電容的精度，由于電阻和電容易受溫度影響，從而引起時間常數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致精度和可靠性降低；(2)現(xiàn)有的控制器還普遍存在信號回路與機車電器回路沒有隔離、所用分立元器件較多、故障率高等不足?；谏鲜鲈?，本文介紹了一種新型風(fēng)源凈化控制器，可以有效地克服上述不足之處，保障風(fēng)源的高質(zhì)量干燥、凈化。
1 工作原理
    當總風(fēng)缸空氣壓力低于某一設(shè)定值(750 kPa)時，壓力開關(guān)YK閉合，發(fā)出“通電”信號，空氣壓縮機開始工作。當總風(fēng)缸空氣壓力達到另一設(shè)定值(900 kPa)時，壓力開關(guān)發(fā)出“斷電”信號。壓力開關(guān)就是以這兩種信號控制空氣壓縮機的起動與停止，并將信號傳遞給本控制器，控制兩個干燥塔（A塔、B塔）“吸附”或“再生”輪流工作。“吸附”是指對壓縮空氣進行除濕干燥凈化，“再生”是指對干燥塔的吸附劑進行再生，重新恢復(fù)活性。當空氣壓縮機停機時，控制器使風(fēng)源凈化裝置暫停工作。
    當機車空氣壓縮機啟動時，控制器得到“空氣壓縮機啟動”信號,開始按設(shè)定的程序工作,工作時序如圖1所示。圖中T0～T8表示各個時刻，DF1、DF2代表各個時刻所對應(yīng)電控閥的工作電壓。

    初始工作T0時刻，電控閥DF1得電、電控閥DF2失電，通過風(fēng)源凈化裝置(簡稱裝置)的“電氣-機械轉(zhuǎn)換”[2]，使得B塔處于空氣干燥(吸附)狀態(tài)，A塔處于再生狀態(tài)。當?shù)竭_設(shè)定時間T1（72 s）時，控制器停止對電控閥DF1供電，此時電控閥DF1、DF2均處于失電狀態(tài)，B塔繼續(xù)干燥（吸附），A塔卻停止了再生。當累計時間達到設(shè)定值T2(90 s)時，電控閥DF2得電，DF1繼續(xù)失電，A塔隨即進入干燥（吸附）狀態(tài)，而B塔卻進入再生狀態(tài)。當累計時間達到設(shè)定值T3（162 s）時，電控閥DF2失電, DF1繼續(xù)失電，A塔繼續(xù)處于空氣干燥（吸附）狀態(tài)，而B塔卻停止再生狀態(tài)。當累計時間達到設(shè)定值T4（180 s）時，電控閥DF1得電，DF2繼續(xù)失電,B塔轉(zhuǎn)入空氣干燥（吸附）狀態(tài)，A塔繼續(xù)轉(zhuǎn)入再生狀態(tài)，風(fēng)源凈化控制器完成了一個工作周期,如此循環(huán)不已。
    控制器在同一工作周期內(nèi)，對兩電控閥的“通電”和“斷電”是相互制約的，但時間并不相等，而是保持一個差值δT，使兩電控閥DFl、DF2有一個“失電”重疊時間。在失電重疊時間內(nèi)，由裝置的機械聯(lián)鎖實現(xiàn)“柔性轉(zhuǎn)換”[2]。所謂“柔性轉(zhuǎn)換”是指B塔或A塔從再生狀態(tài)過渡到干燥（吸附）狀態(tài)能夠柔性平穩(wěn)過渡，以免壓力急劇變化時對吸附劑顆粒造成沖擊[2]。
    當控制器接通電源而無壓力開關(guān)YK控制信號輸入時，控制器亦無動作指令輸出，而處于“待命”狀態(tài)。只有當控制線VK有“通電”信號輸入時，控制器才開始計時工作，并按一定時間周期T，分別對兩電控閥進行“通電”和“斷電”動作。
    當一個工作周期還未完成而壓力開關(guān)控制信號VK斷電時，控制器也立即中斷工作，停止計時。當壓力開關(guān)信號VK再次通電時，計時將在原工作時間上累計，直至完成這一工作周期才進行轉(zhuǎn)換。當工作周期中斷時，控制器將記存其工作狀態(tài)，待下次工作時，仍按原狀態(tài)繼續(xù)，即原得電的電控閥仍得電，原失電的電控閥繼續(xù)失電，直至這一工作周期完成。
2 具體實施方式
    控制器包括盒體及安裝在盒體內(nèi)的控制板。盒體上有電源開關(guān)、工作及報警指示燈、輸入/輸出插口及電控閥引出線。機車空氣壓縮機的運行與停止電信號由控制線(VK)輸入，經(jīng)過控制器的微處理器處理后，輸出指令給電控閥來操縱干燥器動作，使兩干燥塔按一定的程序交替工作。
    本控制器電源采用機車上的直流110 V電源。其核心采用AT89C51微處理器[4]，將時間轉(zhuǎn)換程序固化在芯片中，不需要通過電位器來調(diào)定時間，保證了系統(tǒng)的可靠性。
2.1 硬件實施方式
    圖2為主回路接線圖，機車上的110 V直流電源V+、V-分別從控制器插頭上的1、2腳輸入，壓力開關(guān)YK信號從控制器插頭4腳輸入?？刂破鞯妮敵龆薞1、V2分別接電控閥DF1、DF2。
    圖3為控制器原理框圖,風(fēng)源凈化控制器包括電源電路、信號輸入電路、單片機控制電路、第一輸出控制電路、第二輸出控制電路、第一執(zhí)行電路、第二執(zhí)行電路、報警電路共8個回路組成。

    圖4為控制器部分實際電路圖。J1為控制器的輸入端。

    內(nèi)燃機車上的DC 110 V直流電源通過J1的1、2腳輸入，其中1腳為正，2腳為負；4腳為空氣壓縮機信號輸入端VK。從J1的1、2腳輸入的DC 110 V直流電，其正端經(jīng)二極管D1（1N4007）、電阻R1、電容C1、電容C2組成的濾波回路后輸入到U1（DC 110 V/DC 12 V）電源模塊；D1起與外電源隔離和防極性反接作用。U1輸出DC 12 V直流電源經(jīng)電容C3、電容C4濾波后輸入到U2（L7805）三端穩(wěn)壓器的輸入端，U2輸出的DC 5 V電源VCC供整個主板電路使用。
    壓力開關(guān)信號輸入電路：當空氣壓縮機啟動時，YK閉合，J1的4腳輸入110 V直流電壓信號。輸出的信號經(jīng)R3、R4、R5、R29限流后輸入到U5（TLP521）的1、2腳到地，限制電流在4 mA～5 mA范圍內(nèi)。光電耦合器U5的3、4腳導(dǎo)通，U4F（74LS14）的13腳從高電位轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢?，施密特觸發(fā)器的12腳隨即跳變?yōu)楦唠娢?，輸入到U3（AT89C51）單片機的P1.4高電位，單片機根據(jù)此信號判定空氣壓縮機是否已啟動。
    單片機根據(jù)內(nèi)部程序，依次從P1.0、P1.1輸出信號（低電平有效）對執(zhí)行電路進行控制。當P1.0輸出低電平時，通過R7輸入到U4A（74LS14）的1腳，倒相后從2腳輸出高電平，此電平一路通過R9限流輸出到J5的2腳，點亮發(fā)光二極管指示燈；另一路經(jīng)R11流入到U6（TLP521）光電耦合器的1、2腳到地，光耦U6（TLP521）4、3腳導(dǎo)通，從而控制后級的第一執(zhí)行電路動作，驅(qū)動第一電控閥動作。當P1.1的2腳為低電平時，電路原理與上述相同，驅(qū)動第二電控閥動作。
2.2 軟件實現(xiàn)方式
    單片機根據(jù)內(nèi)部程序，依次從P1.0、P1.1輸出信號（低電平有效）對執(zhí)行電路進行控制。P1.0、P1.1輸出低電平時，通過輸出和執(zhí)行電路對電控閥進行控制。
    單片機正常運行時，內(nèi)部程序初始化設(shè)定，使P1.5輸出低電平，通過外圍電路驅(qū)動后，外接故障報警指標燈不會點亮。當單片機因某種原因工作不正常時，P1.5將輸出高電平，故障發(fā)光二極管指示燈點亮，表明有故障。
    單片機輸入端口為P1.4，輸出端口為P1.0、P1.1、P1.5。Y1、C7，C8組成單片機的時鐘電路，本機的時鐘頻率為12 MHz。C9、R11組成單片機復(fù)位電路，在開機瞬間對單片機復(fù)位。采用AT89C51系列單片機的優(yōu)點是，采取內(nèi)部定時器T0對時間進行自動計時，免人工調(diào)試，避免模擬電路通過反復(fù)調(diào)試來實現(xiàn)。單片機程序燒寫在EPROM中，修改靈活。
    編程軟件采用Keil C51，用定時中斷模式。在主函數(shù)中定義定時器T0工作于計時模式1；定時器每50 ms產(chǎn)生一次中斷，共中斷20次，剛好為1 s，每1 s計數(shù)1次。以下為程序片斷：
    sbit d1=P1^1;   
    sbit d2=P1^0;   
    sbit d3=P1^5;
    sbit din=P1^4;
    unsigned int time;
    unsigned char count;
    bit flag；
    void main(void)
    {  
      TMOD=0x11;              
    TH0=(65536-50000)/256;   
    TL0=(65536-50000)%256;  
    EA=1;                    
    ET0=1;                  
    count=0;                
    time=0;
    d3=0;
        while(1)        {
            if(din==1)
                {
                    TR0=1;                       
                    flag=0;                      
                    if(time<=72){d1=0;d2=1;}
                    if(time>72 && time<=90){d1=1;d2=1;}
                    if(time>90 && time<=108){d1=1;d2=0;}
                    if(time>108 && time<=180){d1=1;d2=1;}
                    while(flag==0);//時間未滿1 s等待
                    time++; //時間累計
                }
            else {TR0=0;d1=1;d2=1;} //定時器T0停止
            if(time>=720){time=0;}  //開始下一個循環(huán)
            }
    }
    void Time0(void ) interrupt 1 using 1
      {
        count++;          //T0每中斷1次，count加1
      if(count==20)     //若累計滿20次，即計滿1 s
      {
            flag=1;        //已計滿1 s，標志位置1
        count=0;       //重新統(tǒng)計中斷次數(shù)
        TR0=0;//關(guān)定時器T0
      }
        TH0=(65536-50000)/256;//高8位重新賦初值
        TL0=(65536-50000)%256;//重新賦初值
    }
    在時序圖T1時刻，time共計數(shù)72次,即為72 s后發(fā)出相應(yīng)的指令使 P1.0為低電平，P1.1為高電平；然后繼續(xù)計數(shù)，在time累加18次計數(shù)即90次后，到下一時刻T2，發(fā)出相應(yīng)的指令使P1.0為高電平，P1.1為高電平；time再繼續(xù)下一個計數(shù)，當計數(shù)至108次時，到下一個時刻T3，發(fā)出相應(yīng)的指令，使P1.0為高電平，P1.1為低電平；time繼續(xù)計數(shù)，當計數(shù)至180時，到下一個時刻T4，發(fā)出相應(yīng)的指令使P1.0為高電平，P1.1為高電平。至此控制器已完成全部的循環(huán)周期。當完成最后一個循環(huán)周期后，time計數(shù)器清0，自動重復(fù)開始以上過程。
3 實際測試效果
    經(jīng)測試，控制器A、B塔工作時間和柔性轉(zhuǎn)換時間分別為72 s和18 s，誤差為±0.3 s(標準為±7 s，±1.8 s)[5]?？諝鈮嚎s機停機后自動記憶工作狀態(tài)，累計時間誤差為±0.5 s。對新型控制器進行了實際裝車試驗，運用結(jié)果表明,該控制器可靠性高，可減少IC和分立元器件數(shù)量，從而大大降低了故障率，保證電子裝置的使用壽命為20年[6]，完全達到了設(shè)計要求。
    本文設(shè)計的風(fēng)源凈化控制器由于將時序控制程序固化在微處理芯片中，且采用單片機內(nèi)部時鐘頻率計時，計時精確度高，克服了原裝置用電位器整定振蕩頻率、易受溫度等因素影響，以及由于頻率漂移對時序控制產(chǎn)生影響等諸多缺點。同時本控制器數(shù)字信號控制電路與機車電器回路完全隔離，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，保證了裝置的運行穩(wěn)定。
參考文獻
[1] 大連機車車輛廠.東風(fēng)4型內(nèi)燃機車空氣系統(tǒng)[M].大連：大連理工大學(xué)出版社，1993.
[2] 大連中車.JKG系列空氣干燥裝置使用及維護說明書[S].大連：大連中車機車配件有限公司，2001.
[3] Texas Instruments Incorporated.CMOS 24-stage frequency divider[EB/OL].USA：Texas Instruments.[2003-05-04].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cd4521b.pdf.
[4] Texas Instruments Incorporated.8-bit Microcontroller with  4K bytes flash AT89C51[EB/OL].USA：Texas Instruments.[2013-05-04].http：//www.atmel.com/Images/doc0265.pdf.
[5] 中華人民共和國鐵道部.DF4B內(nèi)燃機車大修規(guī)程[S].北京：鐵道出版社，2006.
[6] 中華人民共和國鐵道行業(yè)標準.TB/T 3021-2001.鐵道機車車輛電子裝置[S].北京.中華人民共和國鐵道部，2001.