摘 要： 設(shè)計(jì)了一種由信號(hào)輸入電路、單片機(jī)控制電路、輸出電路、執(zhí)行電路、報(bào)警及電源電路等構(gòu)成的風(fēng)源凈化控制器。信號(hào)控制電路與機(jī)車電器回路完全隔離，提高了系統(tǒng)抗干擾能力，同時(shí)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(shí)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(yùn)行在鐵路干線上的列車對(duì)空氣系統(tǒng)(俗稱風(fēng)源[1])要求很高，由于機(jī)車風(fēng)泵產(chǎn)生的壓縮空氣通常含有機(jī)械雜質(zhì)、油份和冷凝水等污染物,所以當(dāng)壓縮空氣流經(jīng)管道進(jìn)人各閥時(shí),有害物質(zhì)會(huì)銹蝕管壁和閥體,加速運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)的維修周期,增加了維修費(fèi)用,還可能導(dǎo)致制動(dòng)機(jī)失靈,以致造成重大的行車事故，所以充分保證機(jī)車的風(fēng)源質(zhì)量至關(guān)重要。機(jī)車上的壓縮空氣儲(chǔ)存在總風(fēng)缸中，總風(fēng)缸內(nèi)的壓縮空氣由機(jī)車上空氣壓縮機(jī)提供[1]。在空氣壓縮機(jī)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。控制器的作用就是按特定程序，使兩個(gè)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(jī)車上的用風(fēng)系統(tǒng)，所以風(fēng)源凈化控制器（簡(jiǎn)稱控制器）是整個(gè)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(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN 86200250U公開了一種機(jī)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(jìn)繼電器工作可靠性不高。而目前機(jī)車上常見的風(fēng)源凈化控制器都采用CMOS 24級(jí)分頻器CD4521電路[3]，振蕩頻率由外接電位器進(jìn)行整定，定時(shí)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(shí)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(hào)回路與機(jī)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(dāng)總風(fēng)缸空氣壓力低于某一設(shè)定值(750 kPa)時(shí)，壓力開關(guān)YK閉合，發(fā)出“通電”信號(hào)，空氣壓縮機(jī)開始工作。當(dāng)總風(fēng)缸空氣壓力達(dá)到另一設(shè)定值(900 kPa)時(shí)，壓力開關(guān)發(fā)出“斷電”信號(hào)。壓力開關(guān)就是以這兩種信號(hào)控制空氣壓縮機(jī)的起動(dòng)與停止，并將信號(hào)傳遞給本控制器，控制兩個(gè)干燥塔（A塔、B塔）“吸附”或“再生”輪流工作。“吸附”是指對(duì)壓縮空氣進(jìn)行除濕干燥凈化，“再生”是指對(duì)干燥塔的吸附劑進(jìn)行再生，重新恢復(fù)活性。當(dāng)空氣壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，控制器使風(fēng)源凈化裝置暫停工作。
當(dāng)機(jī)車空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，控制器得到“空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)”信號(hào),開始按設(shè)定的程序工作,工作時(shí)序如圖1所示。圖中T0～T8表示各個(gè)時(shí)刻，DF1、DF2代表各個(gè)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)電控閥的工作電壓。
初始工作T0時(shí)刻，電控閥DF1得電、電控閥DF2失電，通過風(fēng)源凈化裝置(簡(jiǎn)稱裝置)的“電氣-機(jī)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(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間T1（72 s）時(shí)，控制器停止對(duì)電控閥DF1供電，此時(shí)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(dāng)累計(jì)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值T2(90 s)時(shí)，電控閥DF2得電，DF1繼續(xù)失電，A塔隨即進(jìn)入干燥（吸附）狀態(tài)，而B塔卻進(jìn)入再生狀態(tài)。當(dāng)累計(jì)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值T3（162 s）時(shí)，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(dāng)累計(jì)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值T4（180 s）時(shí)，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(gè)工作周期,如此循環(huán)不已。
控制器在同一工作周期內(nèi)，對(duì)兩電控閥的“通電”和“斷電”是相互制約的，但時(shí)間并不相等，而是保持一個(gè)差值δT，使兩電控閥DFl、DF2有一個(gè)“失電”重疊時(shí)間。在失電重疊時(shí)間內(nèi)，由裝置的機(jī)械聯(lián)鎖實(shí)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(shí)對(duì)吸附劑顆粒造成沖擊[2]。
當(dāng)控制器接通電源而無壓力開關(guān)YK控制信號(hào)輸入時(shí)，控制器亦無動(dòng)作指令輸出，而處于“待命”狀態(tài)。只有當(dāng)控制線VK有“通電”信號(hào)輸入時(shí)，控制器才開始計(jì)時(shí)工作，并按一定時(shí)間周期T，分別對(duì)兩電控閥進(jìn)行“通電”和“斷電”動(dòng)作。
當(dāng)一個(gè)工作周期還未完成而壓力開關(guān)控制信號(hào)VK斷電時(shí)，控制器也立即中斷工作，停止計(jì)時(shí)。當(dāng)壓力開關(guān)信號(hào)VK再次通電時(shí)，計(jì)時(shí)將在原工作時(shí)間上累計(jì)，直至完成這一工作周期才進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)工作周期中斷時(shí)，控制器將記存其工作狀態(tài)，待下次工作時(shí)，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(shí)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(bào)警指示燈、輸入/輸出插口及電控閥引出線。機(jī)車空氣壓縮機(jī)的運(yùn)行與停止電信號(hào)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(dòng)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(jī)車上的直流110 V電源。其核心采用AT89C51微處理器[4]，將時(shí)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(shí)間，保證了系統(tǒng)的可靠性。
2.1 硬件實(shí)施方式
圖2為主回路接線圖，機(jī)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(hào)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(hào)輸入電路、單片機(jī)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(bào)警電路共8個(gè)回路組成。
圖4為控制器部分實(shí)際電路圖。J1為控制器的輸入端。
內(nèi)燃機(jī)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(fù)；4腳為空氣壓縮機(jī)信號(hào)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(gè)主板電路使用。
壓力開關(guān)信號(hào)輸入電路：當(dāng)空氣壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，YK閉合，J1的4腳輸入110 V直流電壓信號(hào)。輸出的信號(hào)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(jī)的P1.4高電位，單片機(jī)根據(jù)此信號(hào)判定空氣壓縮機(jī)是否已啟動(dòng)。
單片機(jī)根據(jù)內(nèi)部程序，依次從P1.0、P1.1輸出信號(hào)（低電平有效）對(duì)執(zhí)行電路進(jìn)行控制。當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，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(diǎn)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(jí)的第一執(zhí)行電路動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)第一電控閥動(dòng)作。當(dāng)P1.1的2腳為低電平時(shí)，電路原理與上述相同，驅(qū)動(dòng)第二電控閥動(dòng)作。
2.2 軟件實(shí)現(xiàn)方式
單片機(jī)根據(jù)內(nèi)部程序，依次從P1.0、P1.1輸出信號(hào)（低電平有效）對(duì)執(zhí)行電路進(jìn)行控制。P1.0、P1.1輸出低電平時(shí)，通過輸出和執(zhí)行電路對(duì)電控閥進(jìn)行控制。
單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，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(dòng)后，外接故障報(bào)警指標(biāo)燈不會(huì)點(diǎn)亮。當(dāng)單片機(jī)因某種原因工作不正常時(shí)，P1.5將輸出高電平，故障發(fā)光二極管指示燈點(diǎn)亮，表明有故障。
單片機(jī)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(jī)的時(shí)鐘電路，本機(jī)的時(shí)鐘頻率為12 MHz。C9、R11組成單片機(jī)復(fù)位電路，在開機(jī)瞬間對(duì)單片機(jī)復(fù)位。采用AT89C51系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，采取內(nèi)部定時(shí)器T0對(duì)時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)計(jì)時(shí)，免人工調(diào)試，避免模擬電路通過反復(fù)調(diào)試來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)程序燒寫在EPROM中，修改靈活。
編程軟件采用Keil C51，用定時(shí)中斷模式。在主函數(shù)中定義定時(shí)器T0工作于計(jì)時(shí)模式1；定時(shí)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(jì)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(shí)間未滿1 s等待
time++; //時(shí)間累計(jì)
}
else {TR0=0;d1=1;d2=1;} //定時(shí)器T0停止
if(time>=720){time=0;} //開始下一個(gè)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(jì)滿20次，即計(jì)滿1 s
{
flag=1; //已計(jì)滿1 s，標(biāo)志位置1
count=0; //重新統(tǒng)計(jì)中斷次數(shù)
TR0=0;//關(guān)定時(shí)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(shí)序圖T1時(shí)刻，time共計(jì)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(jì)數(shù)，在time累加18次計(jì)數(shù)即90次后，到下一時(shí)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(gè)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)至108次時(shí)，到下一個(gè)時(shí)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(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)至180時(shí)，到下一個(gè)時(shí)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(dāng)完成最后一個(gè)循環(huán)周期后，time計(jì)數(shù)器清0，自動(dòng)重復(fù)開始以上過程。
3 實(shí)際測(cè)試效果
經(jīng)測(cè)試，控制器A、B塔工作時(shí)間和柔性轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為72 s和18 s，誤差為±0.3 s(標(biāo)準(zhǔn)為±7 s，±1.8 s)[5]?？諝鈮嚎s機(jī)停機(jī)后自動(dòng)記憶工作狀態(tài)，累計(jì)時(shí)間誤差為±0.5 s。對(duì)新型控制器進(jìn)行了實(shí)際裝車試驗(yàn)，運(yùn)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(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
本文設(shè)計(jì)的風(fēng)源凈化控制器由于將時(shí)序控制程序固化在微處理芯片中，且采用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘頻率計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)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(duì)時(shí)序控制產(chǎn)生影響等諸多缺點(diǎn)。同時(shí)本控制器數(shù)字信號(hào)控制電路與機(jī)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(yùn)行穩(wěn)定。
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