基于8031单片机的机车自动换档系统的设计

1 概述

在地铁工程建设中，工程用内燃机车（简称工程车）起到了非常重要的作用。尤其在地铁建设初期，由于需要运送大量的建筑材料，而初期的运输条件又比较简陋，因而工程车成为主要的运输工具。在地铁建成后的运营中，工程车同样可以担负车辆段内的调车和运送大型工程材料下隧道等任务。由于地铁对工程车的使用量非常大，工程车司机的劳动强度自然也是很大的。所以，如何应用自动化技术改进车辆的性能，减轻司机的劳动强度是地铁运营中一个必须考虑的问题。  

本文介绍的这套机车自动换档系统能够自动检测机车的实时运行速度，并把得出的机车速度信号和柴油机的转速进行比较，再由单片机根据比较出来的结果输出控制指令，以控制相应的执行组件进行自动换档。此外单片机还可根据现时机车运行的档位输出指令来控制相应的LED以显示机车的运行状态。借助这套系统既可以减少司机经常换档的劳动强度，又可以使机车大部分时间运行在比较合理的档位，这对节省油料和保护环境都有比较好的效果。  

该机车自动换档系统的硬件部分由前端输入电路、单片机电路和输出放大电路组成。其中前端放大电路的功能是把机车的速度和柴油机的转速两个速度参数信号转换成电 信号并进行比较，然后把结果输入到单片机电路。单片机电路的作用是根据比较的结果输出正确的控制指令来使执行元件动作换档，同时显示现时机车的运行状态。输出放大电路的作用是把单片机电路输出的控制信号进行功率放大，以使其能够驱动换档执行组件。  

2 前端输入电路  

前端输入电路主要由速度传感器、脉冲整形电路、频率电压转换电路、电压放大电路、施密特电压比较电路组成。其电路框图如图1所示。  

  

2．1 前端输入电路的构成  

本自动换档系统共有两个速度参数值需要测量，分别是机车速度和柴油机转速，图1是前端输入电路中机车速度的输入部分，柴油机转速与机车速度的输入电路相同。  

在图1中，机车的速度首先由拉霍尔速度传感器进行检测，这种传感器的特点是工作稳定，频率较高，比较适合铁道车辆使用。拉霍尔传感器输出的是一个脉冲信号，这个信号的频率与机车的速度成正比。为了提高电路的可靠性，传感器输出的脉冲需要经过一个脉冲整形电路。脉冲整形电路以集成块8751为核心组成。 8751是一个开关管集成电路，当输入为高电平时，输出也为高电平，反之，输出为低电平。由于8751内部有自己的功率放大和稳压电路，并可自己修整输入脉冲波形中的丢失和缺陷，所以在8751输出端就可以得到一个很稳定的、波形完整的脉冲方波频率信号。为了把机车速度和柴油机的转速作比较，必须把两者的频率信号转换成电压信号。所以频率信号应再输入到频率电压转换电路，该电路以LM331集成电路为核心，其输出的电压值为6～8V，且输出电压与脉冲信号的频率成正比。由于所转换后的电压信号是由最初的传感器输出的脉冲经过一系列的处理得出来的，因此这个信号代表了相应的机车速度或柴油机转速。这样，把这两个电压进行比较就可得出机车和柴油机的速度关系。但在比较之前，为了提高比较的精度，还需要把电压信号输入一个电压放大电路，从而产生一个输出电阻比较大的电压值以提高电路的稳定性。  

2．2 施密特电压比较电路  

通过比较机车速度和柴油机转速可以确定机车是否需要进行换档，当机车的速度低于柴油机的速度时，机车运行在1档，当机车速度大于柴油机速度时，机车换档到2档。比较代表两个速度的电压是由施密特电压比较电路完成的，它不但可以比较两个电压信号，还可以在2档到1档的转换时产生一个施密特回滞。  

图2所示是将机车速度和柴油机速度电压信号转换成换档信号的具体电路。图中，Ua和Ub分别是代表机车速度和柴油机速度的电压信号。两个运算放大器 F1和F2都接成电压比较器的形式。两个输出端分别输入一单稳态触发器的S和R端，单稳态触发器的输出经过一个光电隔离器件的处理即可变成换档信号。在图 2中，F1的两个输入电压和F2的反相端输入电压都直接接Ua或Ub。而F2同相输入端则由R1和R2对Ub分压后输入，由于R1为560Ω，而R2为 10kΩ，实际的输入电压为0．95Ub。通常机车的初始档位都是1档，随着机车速度逐渐增加，当其速度大于柴油机转速（即Ua＞Ub）时，F1输出高电平并加入到单稳态触发器的S端，对于F2，由U2＝0．95Ub，可得Ua＞U2，所以F2输出低电平到单稳触发器的R端。这样，触发器将输出高电平，以控制电路输出换2档信号，从而使后面的单片机电路进行换档。当机车速度下降到小于柴油机转速时，即Ua＜Ub，但Ua＞0．95Ub时，F1输出低电平，但由于此时F2的同相输入端U2＝0． 95Ub，F2的输出端仍然为低电平，这样，由于单稳触发器的S和R端都输入低电平，所以它的输出端仍维持原来的状态而不输出换档信号。当Ua＜0． 95Ub时，F2的输出端转换为高电平，此时单稳触发器的输入端S端为低电平而R端为高电平，从而使触发器的输出为低电平，以为机车提供从2档到1档的换档信号。由上面所述的电路工作过程可以看出：从1档到2档时，机车一旦速度到达换档点，则马上换档的，而从2档到1档时，是机车到达换档点速度的95％时才进行换档。这个延迟时间可以避免机车可能由于振动或其他因素引起的频繁换档及不稳定。