1概述

　　在地鐵工程建設(shè)中，工程用內(nèi)燃機(jī)車（簡稱工程車）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),。由于地鐵對工程車的使用量非常大，工程車司機(jī)的勞動強(qiáng)度自然也是很大的,。所以,，如何應(yīng)用自動化技術(shù)改進(jìn)車輛的性能，減輕司機(jī)的勞動強(qiáng)度是地鐵運(yùn)營中一個(gè)必須考慮的問題,。

　　本文介紹的這套機(jī)車自動換檔系統(tǒng)能夠自動檢測機(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)信號轉(zhuǎn)換成電信號并進(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進(jìn)行功率放大，以使其能夠驅(qū)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(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

　　本自動換檔系統(tǒng)共有兩個(gè)速度參數(shù)值需要測量，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,，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，這個(gè)信號的頻率與機(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。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轉(zhuǎn)換成電壓信號,。所以頻率信號應(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的頻率成正比。由于所轉(zhuǎn)換后的電壓信號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，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)速度電壓信號轉(zhuǎn)換成換檔信號的具體電路,。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,。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,。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(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,。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。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,，而其后的單片機(jī)電路的作用是根據(jù)換檔信號結(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組成的只讀存儲器ROM,、由74HC373驅(qū)動的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,。由集成塊74HC373驅(qū)動的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,，該信號在經(jīng)過輸出放大芯片的功率放大后可直接驅(qū)動換檔執(zhí)行元件以實(shí)現(xiàn)自動換檔。單片機(jī)的P2．5～P2．7三個(gè)引腳信號經(jīng)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(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，可用于完成對單片機(jī)輸出信號的進(jìn)一步放大,，以直接驅(qū)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,。

　　參考文獻(xiàn)

　　1．紀(jì)宗南．8031單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)．北京航空航天大學(xué)出版社

　　2．何立民．MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)．北京航空航天大學(xué)出版社

　　3．林德杰．電氣測試技術(shù)．機(jī)械工業(yè)出版社