基于8031單片機的機車自動換檔系統(tǒng)的設計

1概述

　　在地鐵工程建設中，工程用內燃機車（簡稱工程車）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陋，因而工程車成為主要的運輸工具。在地鐵建成后的運營中，工程車同樣可以擔負車輛段內的調車和運送大型工程材料下隧道等任務。由于地鐵對工程車的使用量非常大，工程車司機的勞動強度自然也是很大的。所以，如何應用自動化技術改進車輛的性能，減輕司機的勞動強度是地鐵運營中一個必須考慮的問題。

　　本文介紹的這套機車自動換檔系統(tǒng)能夠自動檢測機車的實時運行速度，并把得出的機車速度信號和柴油機的轉速進行比較，再由單片機根據(jù)比較出來的結果輸出控制指令，以控制相應的執(zhí)行組件進行自動換檔。此外單片機還可根據(jù)現(xiàn)時機車運行的檔位輸出指令來控制相應的LED以顯示機車的運行狀態(tài)。借助這套系統(tǒng)既可以減少司機經常換檔的勞動強度，又可以使機車大部分時間運行在比較合理的檔位，這對節(jié)省油料和保護環(huán)境都有比較好的效果。

　　該機車自動換檔系統(tǒng)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的速度和柴油機的轉速兩個速度參數(shù)信號轉換成電 信號并進行比較，然后把結果輸入到單片機電路。單片機電路的作用是根據(jù)比較的結果輸出正確的控制指令來使執(zhí)行元件動作換檔，同時顯示現(xiàn)時機車的運行狀態(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行功率放大，以使其能夠驅動換檔執(zhí)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

　　本自動換檔系統(tǒng)共有兩個速度參數(shù)值需要測量，分別是機車速度和柴油機轉速，圖1是前端輸入電路中機車速度的輸入部分，柴油機轉速與機車速度的輸入電路相同。

　　在圖1中，機車的速度首先由拉霍爾速度傳感器進行檢測，這種傳感器的特點是工作穩(wěn)定，頻率較高，比較適合鐵道車輛使用。拉霍爾傳感器輸出的是一個脈沖信號，這個信號的頻率與機車的速度成正比。為了提高電路的可靠性，傳感器輸出的脈沖需要經過一個脈沖整形電路。脈沖整形電路以集成塊8751為核心組成。 8751是一個開關管集成電路，當輸入為高電平時，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(wěn)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很穩(wěn)定的、波形完整的脈沖方波頻率信號。為了把機車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LM331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過一系列的處理得出來的，因此這個信號代表了相應的機車速度或柴油機轉速。這樣，把這兩個電壓進行比較就可得出機車和柴油機的速度關系。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電壓放大電路，從而產生一個輸出電阻比較大的電壓值以提高電路的穩(wěn)定性。

2．2施密特電壓比較電路

　　通過比較機車速度和柴油機轉速可以確定機車是否需要進行換檔，當機車的速度低于柴油機的速度時，機車運行在1檔，當機車速度大于柴油機速度時，機車換檔到2檔。比較代表兩個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電壓信號，還可以在2檔到1檔的轉換時產生一個施密特回滯。

　　圖2所示是將機車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分別是代表機車速度和柴油機速度的電壓信號。兩個運算放大器 F1和F2都接成電壓比較器的形式。兩個輸出端分別輸入一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的S和R端，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出經過一個光電隔離器件的處理即可變成換檔信號。在圖 2中，F(xiàn)1的兩個輸入電壓和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，實際的輸入電壓為0．95Ub。通常機車的初始檔位都是1檔，隨著機車速度逐漸增加，當其速度大于柴油機轉速（即Ua＞Ub）時，F(xiàn)1輸出高電平并加入到單穩(wěn)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(wěn)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行換檔。當機車速度下降到小于柴油機轉速時，即Ua＜Ub，但Ua＞0．95Ub時，F(xiàn)1輸出低電平，但由于此時F2的同相輸入端U2＝0． 95Ub，F(xiàn)2的輸出端仍然為低電平，這樣，由于單穩(wěn)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的狀態(tài)而不輸出換檔信號。當Ua＜0． 95Ub時，F(xiàn)2的輸出端轉換為高電平，此時單穩(wěn)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，以為機車提供從2檔到1檔的換檔信號。由上面所述的電路工作過程可以看出：從1檔到2檔時，機車一旦速度到達換檔點，則馬上換檔的，而從2檔到1檔時，是機車到達換檔點速度的95％時才進行換檔。這個延遲時間可以避免機車可能由于振動或其他因素引起的頻繁換檔及不穩(wěn)定。

3單片機電路

　　施密特電壓比較器輸出的是通過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(jù)換檔信號結合機車的其它參數(shù)來決定機車是否進行換檔。

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驅動的LED顯示燈（機車狀態(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換檔控制的部分，其電路連接如圖3所示。

　　該電路工作時，機車換檔信號經過一個光電耦合器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來的干擾信號。由集成塊74HC373驅動的8個LED，可顯示機車所處的檔 位以及正在運行的程序段，從而使駕駛員和技術維修人員了解機車的狀態(tài)。 8155的作用是輸出控制換檔閥工作信號，該信號在經過輸出放大芯片的功率放大后可直接驅動換檔執(zhí)行元件以實現(xiàn)自動換檔。單片機的P2．5～P2．7三個引腳信號經過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，這三個引腳構成了訪問這三個器件時的高三位地址。

3．2軟件設計

　　在接收到換檔信號后，根據(jù)程序指令，單片機將結合其它幾個機車參數(shù)來決定是否進行換檔，這些參數(shù)包括換檔允許信號是否有效、是否有參數(shù)超過機車報警值等。如果沒有問題，機車將進行換檔。

　　圖4所示是該機車換檔系統(tǒng)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關管組成，可用于完成對單片機輸出信號的進一步放大，以直接驅動換檔的電磁閥等執(zhí)行元件。該電路比較簡單，這里不再詳述。