摘  要： 設(shè)計了一種由信號輸入電路,、單片機(jī)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(jī)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(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,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(jī)的維修周期,增加了維修費用,還可能導(dǎo)致制動機(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(xiàn)號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級分頻器CD4521電路[3]，振蕩頻率由外接電位器進(jìn)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(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,。基于上述原因,，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，壓力開關(guān)YK閉合,，發(fā)出“通電”信號,，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,，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(jī)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(jìn)行除濕干燥凈化,，“再生”是指對干燥塔的吸附劑進(jìn)行再生，重新恢復(fù)活性。當(dāng)空氣壓縮機(jī)停機(jī)時,，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)啟動時，控制器得到“空氣壓縮機(jī)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(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(dāng)累計時間達(dá)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(jìn)入干燥（吸附）狀態(tài),，而B塔卻進(jìn)入再生狀態(tài)。當(dāng)累計時間達(dá)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(dāng)累計時間達(dá)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(jī)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(dāng)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(dāng)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(jìn)行“通電”和“斷電”動作,。
    當(dāng)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(dāng)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(jìn)行轉(zhuǎn)換,。當(dāng)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(jī)車空氣壓縮機(jī)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(jī)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(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信號從控制器插頭4腳輸入,。控制器的輸出端V1,、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(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(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(dāng)空氣壓縮機(jī)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)榈碗娢唬┟芴赜|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)此信號判定空氣壓縮機(jī)是否已啟動。
    單片機(jī)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(jìn)行控制。當(dāng)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(dāng)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(jī)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(jìn)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(jìn)行控制,。
    單片機(jī)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(biāo)燈不會點亮,。當(dāng)單片機(jī)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(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)的時鐘電路,，本機(jī)的時鐘頻率為12 MHz。C9,、R11組成單片機(jī)復(fù)位電路,，在開機(jī)瞬間對單片機(jī)復(fù)位,。采用AT89C51系列單片機(jī)的優(yōu)點是,，采取內(nèi)部定時器T0對時間進(jìn)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(jī)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(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)為±7 s,，±1.8 s)[5]?？諝鈮嚎s機(jī)停機(jī)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(jìn)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(dá)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(jī)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(jī)車電器回路完全隔離,，提高了系統(tǒng)抗干擾能力,，保證了裝置的運行穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
[1] 大連機(jī)車車輛廠.東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)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(hù)說明書[S].大連：大連中車機(jī)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(jī)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(biāo)準(zhǔn).TB/T 3021-2001.鐵道機(jī)車車輛電子裝置[S].北京.中華人民共和國鐵道部，2001.