基于AT89C51单片机的窄轨交流电机车智能无触点司控器的设计_第1页
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2010年第1期工业仪表与自动化装置45基于AT89C51单片机的窄轨交流电机车智能无触点司控器的设计缪仲翠。,张海明,徐保生兰州交通大学A自动化学院;B机电工程学院,兰州730070摘要以AT89C5L单片机为核心,利用光电开关传感器、光电耦合器等电子元器件实现了窄轨交流电机车智能无触点司控器的设计,通过软件编程实现对机车方向及速度的自动控制,并能对故障状态进行智能化处理,实现了司控器的数字化和智能化。与传统的机械式司控器相比,无触点可使司控器体积、重量减小,运行可靠性提高,易于防爆,通用性增强。关键词司机控制器;光电开关;AT89C51单片机;无触点中图分类号TP3681文献标志码A文章编号10000682201001004503DESIGNOFINTELLIGENTNONCONTACTDRIVERCONTROLLERUSEDINNARROWGAUGEACLOCOMOTIVEBASEDONAT89C51MIAOZHONGCUI,ZHANGHAIMING,XUBAOSHENGASCHOOLOFAUTOMATIONELECTRICALENGINEERING;BSCHOOLOFMECHATRONICENGINEERING,LANZHOUJIAOTONGUNIVERSITY,LANZHOU730070,CHINAABSTRACTBASEDONAT89C51,THEPAPERACHIEVEDDESIGNOFINTELLIGENTNONCONTACTDRIVERCONTROLLEROFNARROWGAUGEACLOCOMOTIVEUSEDOFPHOTOELECTRICSWITCHSENSORANDOPTOCOUPLERDIRECTIONANDSPEEDOFTHELOCOMOTIVECANBEAUTOMATICCONTROLLEDTHROUGHPROGRAMMED,ANDFAULTSTATUSCANBEPROCESSEDDIGITALANDINTELLIGENTOFNONCONTACTDRIVERCONTROLLERBEACHIEVEDCOMPAREDTOTHETRADITIONALMECHANICALDRIVERCONTROLLER,SIZEANDWEIGHTISSMALLER,RELIABILITYISIMPROVED,ANTIEXPLOSIONISEASERANDGENERALISINCREASEDKEYWORDSDRIVERCONTROLLER;PH0T0ELECTRICITYSWITCH;AT89C51SCM;NONCONTACT0引言司机控制器是操纵机车运行的主令电器,其产品质量好坏直接关系行车安全。现有的触点式司机控制器是机械式的,故障多、可靠性差、体积重量大、产品通用性差。无触点司控器是数字式控制器,主要用于窄轨交流传动电机车以下简称机车,控制机车运动方向及运动速度,在电机车中与牵引变流器连接,给变流器提供可识别的电机方向信号及转速信号。1原理设计作的,手轮或手柄中的挡片挡住不同的光电开关后发出“1”信号给AT89C51单片机,经单片机处理后,再将相应的信号发送给机车牵引变流器,给变流器提供可识别的电机转向信号和转速信号。系统原理如图1所示。L电源模块仁。,E光电隔离U光电开关传感器E单片机变流器图1系统原理图司机控制器的方向手柄和速度手轮是机械互锁的,即只有速度手轮在零挡位,方向手柄才能转动,方向手柄在非零位时速度手轮才能转动。无触点司控器是用速度手轮和方向手柄进行操2硬件设计收稿日期20090609作者简介缪仲翠1971,女,工学硕士,研究方向为检测技术与自动化装置。21硬件结构无触点司控器包括速度手轮和方向手柄两部分,16挡速度信号由16个光电开关传感器采集,方46工业仪表与自动化装置2010年第1期向手柄内部有采集前进和后退信号的两个光电传感器。在速度手轮和方向手柄中有挡片,用来遮挡相应的光电开关。速度手轮内部结构如图2所示。方向手柄结构如图3所示。L3L2挡L1图2速度手轮内部结构图2图3方向手柄内部结构图22硬件电路1输入信号速度信号和方向信号都是用型号为HY30121的光电开关作为信号的输入,挡片挡住相应的光电开关后输出“1”信号给AT89C51单片机。光电开关的接线原理如图4所示。5V品口JP2LNHY30221L一JP31HY3022LL图4光电开关接线原理图2信号输出当AT89C51单片机检测到速度信号后,将速度信号进行BCD编码确定16挡位的速度,因此需要4个输出端口,速度输出信号的编码如表1所示。AT89C51单片机的两个输出端口输出方向信号,确定了方向的前进、后退和零位信号。方向信号的编码如表2所示。表1司控器速度信号编码表挡位前进零位后退速度和方向信号给变流器提供可识别的电机转向信号及转速信号,变流器是强电部分,必须进行信号隔离。因此选择6个PC817型光电耦合器作为速度信号和方向信号的输出隔离。3输入输出信号的单片机连接速度信号和方向信号的输入和输出与单片机的连接如图5所示。阻三20JGNDII。TLINTOT1T0RXDTXDE,PPSENDGND图5与AT89C51单片机的连接图单片机的P00P07,P20P27为015挡共L6个速度挡位信号的输入端口;P30和P31为前进和后退两个方向信号挡位的输入端口。而P10一P13是速度信号BCD码输出口,P14一P15为方向挡位信号输出口,6个输出口经光电耦合器进行信号隔离后,与机车牵引变流器连接,为其提供可识别的速度和方向信号。3软件设计软件设计的核心是方向信号的检索如图6所示和速度信号的检索如图7所示。在软件设计中必须0L234567OL234567舭M眩匿I2010年第1期工业仪表与自动化装置47考虑司机控制器的方向手柄和速度手轮是机械互锁的,即只有速度信号手轮在零挡,方向手柄才能转动,方向信号手柄在非零位时速度信号手轮才能转动。图6方向信号检索框图图7速度信号检索框图为了行车安全,无触点司控器可实现方向和速度信号检测中的异常情况的智能化处理。1方向异常处理控制方向信号的两位信号共有4种组合00、01、10、LL,正常状态下方向输出信号为O0零位、10前进、01后退。每种组合都有可能出现异常现象,分别称为O0型、01型、10型、11型故障。当出现异常情况时应该能够及时停车进行检修,杜绝带故障运行。00型机车在启动或运行中,方向信号检测出现00,说明方向信号故障。这时软件应该立刻将速度信号置0,即软件互锁。L0或01型在机车运行中,方向信号未经过零位改变方向,这时软件判断为故障状态,应进入故障状态运行。即软件使机车保持原状态不变,同时将速度信号置为0,并报警。11型机车无法有效设置方向挡,这时软件判断为故障状态,应进入故障状态运行。即软件使机车保持原状态不变,同时将速度信号置为0,并报警。2速度异常的种类速度的输入是通过对光电开关的遮挡实现与速度挡位的一一对应。若出现非一一对应的异常情况,将无法正确判断速度的输入挡位。无遮挡状态的处理在切换速度挡位时,会出现正常无遮挡暂态。软件中关键是区分无遮挡暂态与无遮挡异常,软件中用重读延时实现无遮挡暂态与无遮挡异常区分。若无遮挡状态持续1S,软件按异常处理。多遮挡异常的处理当检测到16位速度输人信号有两个以上的“1”状态,说明速度输入信号出现了多遮挡异常状态,这时软件按多遮挡异常处理,即软件设置速度信号为0状态。4结论无触点司控器以AT89C51单片机为核心,利用光电开关传感器、光电耦合器等电子元器件代替传统司机控制器的凸轮及开关等机械式内部结构,通过软件编程来实现对机车方向及速度的自动控制,并能对故障状态进行智能化处理,实现了司控器的数字化,可使司控器体积、重量减小,运行可靠性提高,易于防爆,通用性增强。设计时考虑到司机的习惯,司机可使用传统的手轮发送速度信号,使用手柄发送方向信号。操作时有明显手感,且在较强烈震动和冲击下所设定信号没有变化。参考文献1杜树春单片机应用系统开发实例详解M北京机械工业出版社,20082唐尧福,潘险峰,周运红司机控制器的故障分析与处理J电力机车技术,2001,23940行业通讯由中国石油和石化工程研究会主办的“2010中国石油化工重大工程仪表自

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