基于8031單片機(jī)的機(jī)車自動(dòng)換檔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1概述

　　在地鐵工程建設(shè)中，工程用內(nèi)燃機(jī)車（簡(jiǎn)稱工程車）起到了非常重要的作用。尤其在地鐵建設(shè)初期，由于需要運(yùn)送大量的建筑材料，而初期的運(yùn)輸條件又比較簡(jiǎn)陋，因而工程車成為主要的運(yùn)輸工具。在地鐵建成后的運(yùn)營(yíng)中，工程車同樣可以擔(dān)負(fù)車輛段內(nèi)的調(diào)車和運(yùn)送大型工程材料下隧道等任務(wù)。由于地鐵對(duì)工程車的使用量非常大，工程車司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度自然也是很大的。所以，如何應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)改進(jìn)車輛的性能，減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度是地鐵運(yùn)營(yíng)中一個(gè)必須考慮的問題。

　　本文介紹的這套機(jī)車自動(dòng)換檔系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)機(jī)車的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度，并把得出的機(jī)車速度信號(hào)和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，再由單片機(jī)根據(jù)比較出來的結(jié)果輸出控制指令，以控制相應(yīng)的執(zhí)行組件進(jìn)行自動(dòng)換檔。此外單片機(jī)還可根據(jù)現(xiàn)時(shí)機(jī)車運(yùn)行的檔位輸出指令來控制相應(yīng)的LED以顯示機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。借助這套系統(tǒng)既可以減少司機(jī)經(jīng)常換檔的勞動(dòng)強(qiáng)度，又可以使機(jī)車大部分時(shí)間運(yùn)行在比較合理的檔位，這對(duì)節(jié)省油料和保護(hù)環(huán)境都有比較好的效果。

　　該機(jī)車自動(dòng)換檔系統(tǒng)的硬件部分由前端輸入電路、單片機(jī)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(jī)車的速度和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速兩個(gè)速度參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)并進(jìn)行比較，然后把結(jié)果輸入到單片機(jī)電路。單片機(jī)電路的作用是根據(jù)比較的結(jié)果輸出正確的控制指令來使執(zhí)行元件動(dòng)作換檔，同時(shí)顯示現(xiàn)時(shí)機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)。輸出放大電路的作用是把單片機(jī)電路輸出的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，以使其能夠驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)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(gòu)成

　　本自動(dòng)換檔系統(tǒng)共有兩個(gè)速度參數(shù)值需要測(cè)量，分別是機(jī)車速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，圖1是前端輸入電路中機(jī)車速度的輸入部分，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速與機(jī)車速度的輸入電路相同。

　　在圖1中，機(jī)車的速度首先由拉霍爾速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，這種傳感器的特點(diǎn)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(gè)脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)的頻率與機(jī)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(jīng)過一個(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)開關(guān)管集成電路，當(dāng)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(nèi)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(gè)很穩(wěn)定的、波形完整的脈沖方波頻率信號(hào)。為了把機(jī)車速度和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速作比較，必須把兩者的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。所以頻率信號(hào)應(yīng)再輸入到頻率電壓轉(zhuǎn)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(hào)的頻率成正比。由于所轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)是由最初的傳感器輸出的脈沖經(jīng)過一系列的處理得出來的，因此這個(gè)信號(hào)代表了相應(yīng)的機(jī)車速度或柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。這樣，把這兩個(gè)電壓進(jìn)行比較就可得出機(jī)車和柴油機(jī)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(hào)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(wěn)定性。

2．2施密特電壓比較電路

　　通過比較機(jī)車速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可以確定機(jī)車是否需要進(jìn)行換檔，當(dāng)機(jī)車的速度低于柴油機(jī)的速度時(shí)，機(jī)車運(yùn)行在1檔，當(dāng)機(jī)車速度大于柴油機(jī)速度時(shí)，機(jī)車換檔到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(hào)，還可以在2檔到1檔的轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生一個(gè)施密特回滯。

　　圖2所示是將機(jī)車速度和柴油機(jī)速度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成換檔信號(hào)的具體電路。圖中，Ua和Ub分別是代表機(jī)車速度和柴油機(jī)速度的電壓信號(hào)。兩個(gè)運(yùn)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(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(jīng)過一個(gè)光電隔離器件的處理即可變成換檔信號(hào)。在圖 2中，F(xiàn)1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(duì)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(jī)車的初始檔位都是1檔，隨著機(jī)車速度逐漸增加，當(dāng)其速度大于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速（即Ua＞Ub）時(shí)，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(duì)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(hào)，從而使后面的單片機(jī)電路進(jìn)行換檔。當(dāng)機(jī)車速度下降到小于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，即Ua＜Ub，但Ua＞0．95Ub時(shí)，F(xiàn)1輸出低電平，但由于此時(shí)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(hào)。當(dāng)Ua＜0． 95Ub時(shí)，F(xiàn)2的輸出端轉(zhuǎn)換為高電平，此時(shí)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(jī)車提供從2檔到1檔的換檔信號(hào)。由上面所述的電路工作過程可以看出：從1檔到2檔時(shí)，機(jī)車一旦速度到達(dá)換檔點(diǎn)，則馬上換檔的，而從2檔到1檔時(shí)，是機(jī)車到達(dá)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(jī)車可能由于振動(dòng)或其他因素引起的頻繁換檔及不穩(wěn)定。

3單片機(jī)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(hào)，而其后的單片機(jī)電路的作用是根據(jù)換檔信號(hào)結(jié)合機(jī)車的其它參數(shù)來決定機(jī)車是否進(jìn)行換檔。

3．1單片機(jī)電路的構(gòu)成

　　單片機(jī)電路由80C31芯片、6264組成的只讀存儲(chǔ)器ROM、由74HC373驅(qū)動(dòng)的LED顯示燈（機(jī)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(jī)電路比較復(fù)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(jī)車換檔信號(hào)經(jīng)過一個(gè)光電耦合器4N26輸入到單片機(jī)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(hào)。由集成塊74HC373驅(qū)動(dòng)的8個(gè)LED，可顯示機(jī)車所處的檔 位以及正在運(yùn)行的程序段，從而使駕駛員和技術(shù)維修人員了解機(jī)車的狀態(tài)。 8155的作用是輸出控制換檔閥工作信號(hào)，該信號(hào)在經(jīng)過輸出放大芯片的功率放大后可直接驅(qū)動(dòng)換檔執(zhí)行元件以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔。單片機(jī)的P2．5～P2．7三個(gè)引腳信號(hào)經(jīng)過74HC138譯碼后，可分別作為只讀存儲(chǔ)器、8155輸入輸出芯片以及74HC373的片選信號(hào)，這三個(gè)引腳構(gòu)成了訪問這三個(gè)器件時(shí)的高三位地址。

3．2軟件設(shè)計(jì)

　　在接收到換檔信號(hào)后，根據(jù)程序指令，單片機(jī)將結(jié)合其它幾個(gè)機(jī)車參數(shù)來決定是否進(jìn)行換檔，這些參數(shù)包括換檔允許信號(hào)是否有效、是否有參數(shù)超過機(jī)車報(bào)警值等。如果沒有問題，機(jī)車將進(jìn)行換檔。

　　圖4所示是該機(jī)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(shè)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(guān)管組成，可用于完成對(duì)單片機(jī)輸出信號(hào)的進(jìn)一步放大，以直接驅(qū)動(dòng)換檔的電磁閥等執(zhí)行元件。該電路比較簡(jiǎn)單，這里不再詳述。