摘 要：设计了一种由信号输入电路、单片机控制电路、输出电路、执行电路、报警及电源电路等构成的风源净化控制器。信号控制电路与机车电器回路完全隔离，提高了系统抗干扰能力，同时控制程序固化在微处理芯片中，不需要通过电位器来模拟整定，提高了系统的时间精度及可靠性。
关键词：风源净化；控制器；微处理技术；AT89C51
运行在铁路干线上的列车对空气系统(俗称风源[1])要求很高，由于机车风泵产生的压缩空气通常含有机械杂质、油份和冷凝水等污染物,所以当压缩空气流经管道进人各阀时,有害物质会锈蚀管壁和阀体,加速运动部件的磨损,甚至垫阀口、堵塞气路、卡死柱塞等。这不仅缩短了制动机的维修周期,增加了维修费用,还可能导致制动机失灵,以致造成重大的行车事故，所以充分保证机车的风源质量至关重要。机车上的压缩空气储存在总风缸中，总风缸内的压缩空气由机车上空气压缩机提供[1]。在空气压缩机与总风缸之间串接有风源净化装置，本装置就是这种净化装置的控制部分，以完成风源的干燥、净化。控制器的作用就是按特定程序，使两个干燥塔轮流工作（吸附和再生[2]），从而使流经的空气得以干燥和净化，然后再供给机车上的用风系统，所以风源净化控制器（简称控制器）是整个风源净化装置的核心，其部件必须按控制器所设定的程序才能保证其正常工作。
中国专利文献号CN 86200250U公开了一种机车风源净化系统的电气控制装置，其不足之处主要有：(1)该装置完全采用模拟电路，记忆性功能差，精度不够，采用步进继电器工作可靠性不高。而目前机车上常见的风源净化控制器都采用CMOS 24级分频器CD4521电路[3]，振荡频率由外接电位器进行整定，定时精度取决于外接可变电阻和电容的精度，由于电阻和电容易受温度影响，从而引起时间常数发生变化，导致精度和可靠性降低；(2)现有的控制器还普遍存在信号回路与机车电器回路没有隔离、所用分立元器件较多、故障率高等不足。基于上述原因，本文介绍了一种新型风源净化控制器，可以有效地克服上述不足之处，保障风源的高质量干燥、净化。
1 工作原理
当总风缸空气压力低于某一设定值(750 kPa)时，压力开关YK闭合，发出“通电”信号，空气压缩机开始工作。当总风缸空气压力达到另一设定值(900 kPa)时，压力开关发出“断电”信号。压力开关就是以这两种信号控制空气压缩机的起动与停止，并将信号传递给本控制器，控制两个干燥塔（A塔、B塔）“吸附”或“再生”轮流工作。“吸附”是指对压缩空气进行除湿干燥净化，“再生”是指对干燥塔的吸附剂进行再生，重新恢复活性。当空气压缩机停机时，控制器使风源净化装置暂停工作。
当机车空气压缩机启动时，控制器得到“空气压缩机启动”信号,开始按设定的程序工作,工作时序如图1所示。图中T0～T8表示各个时刻，DF1、DF2代表各个时刻所对应电控阀的工作电压。
初始工作T0时刻，电控阀DF1得电、电控阀DF2失电，通过风源净化装置(简称装置)的“电气-机械转换”[2]，使得B塔处于空气干燥(吸附)状态，A塔处于再生状态。当到达设定时间T1（72 s）时，控制器停止对电控阀DF1供电，此时电控阀DF1、DF2均处于失电状态，B塔继续干燥（吸附），A塔却停止了再生。当累计时间达到设定值T2(90 s)时，电控阀DF2得电，DF1继续失电，A塔随即进入干燥（吸附）状态，而B塔却进入再生状态。当累计时间达到设定值T3（162 s）时，电控阀DF2失电, DF1继续失电，A塔继续处于空气干燥（吸附）状态，而B塔却停止再生状态。当累计时间达到设定值T4（180 s）时，电控阀DF1得电，DF2继续失电,B塔转入空气干燥（吸附）状态，A塔继续转入再生状态，风源净化控制器完成了一个工作周期,如此循环不已。
控制器在同一工作周期内，对两电控阀的“通电”和“断电”是相互制约的，但时间并不相等，而是保持一个差值δT，使两电控阀DFl、DF2有一个“失电”重叠时间。在失电重叠时间内，由装置的机械联锁实现“柔性转换”[2]。所谓“柔性转换”是指B塔或A塔从再生状态过渡到干燥（吸附）状态能够柔性平稳过渡，以免压力急剧变化时对吸附剂颗粒造成冲击[2]。
当控制器接通电源而无压力开关YK控制信号输入时，控制器亦无动作指令输出，而处于“待命”状态。只有当控制线VK有“通电”信号输入时，控制器才开始计时工作，并按一定时间周期T，分别对两电控阀进行“通电”和“断电”动作。
当一个工作周期还未完成而压力开关控制信号VK断电时，控制器也立即中断工作，停止计时。当压力开关信号VK再次通电时，计时将在原工作时间上累计，直至完成这一工作周期才进行转换。当工作周期中断时，控制器将记存其工作状态，待下次工作时，仍按原状态继续，即原得电的电控阀仍得电，原失电的电控阀继续失电，直至这一工作周期完成。
2 具体实施方式
控制器包括盒体及安装在盒体内的控制板。盒体上有电源开关、工作及报警指示灯、输入/输出插口及电控阀引出线。机车空气压缩机的运行与停止电信号由控制线(VK)输入，经过控制器的微处理器处理后，输出指令给电控阀来操纵干燥器动作，使两干燥塔按一定的程序交替工作。
本控制器电源采用机车上的直流110 V电源。其核心采用AT89C51微处理器[4]，将时间转换程序固化在芯片中，不需要通过电位器来调定时间，保证了系统的可靠性。
2.1 硬件实施方式
图2为主回路接线图，机车上的110 V直流电源V+、V-分别从控制器插头上的1、2脚输入，压力开关YK信号从控制器插头4脚输入。控制器的输出端V1、V2分别接电控阀DF1、DF2。
图3为控制器原理框图,风源净化控制器包括电源电路、信号输入电路、单片机控制电路、第一输出控制电路、第二输出控制电路、第一执行电路、第二执行电路、报警电路共8个回路组成。
图4为控制器部分实际电路图。J1为控制器的输入端。
内燃机车上的DC 110 V直流电源通过J1的1、2脚输入，其中1脚为正，2脚为负；4脚为空气压缩机信号输入端VK。从J1的1、2脚输入的DC 110 V直流电，其正端经二极管D1（1N4007）、电阻R1、电容C1、电容C2组成的滤波回路后输入到U1（DC 110 V/DC 12 V）电源模块；D1起与外电源隔离和防极性反接作用。U1输出DC 12 V直流电源经电容C3、电容C4滤波后输入到U2（L7805）三端稳压器的输入端，U2输出的DC 5 V电源VCC供整个主板电路使用。
压力开关信号输入电路：当空气压缩机启动时，YK闭合，J1的4脚输入110 V直流电压信号。输出的信号经R3、R4、R5、R29限流后输入到U5（TLP521）的1、2脚到地，限制电流在4 mA～5 mA范围内。光电耦合器U5的3、4脚导通，U4F（74LS14）的13脚从高电位转变为低电位，施密特触发器的12脚随即跳变为高电位，输入到U3（AT89C51）单片机的P1.4高电位，单片机根据此信号判定空气压缩机是否已启动。
单片机根据内部程序，依次从P1.0、P1.1输出信号（低电平有效）对执行电路进行控制。当P1.0输出低电平时，通过R7输入到U4A（74LS14）的1脚，倒相后从2脚输出高电平，此电平一路通过R9限流输出到J5的2脚，点亮发光二极管指示灯；另一路经R11流入到U6（TLP521）光电耦合器的1、2脚到地，光耦U6（TLP521）4、3脚导通，从而控制后级的第一执行电路动作，驱动第一电控阀动作。当P1.1的2脚为低电平时，电路原理与上述相同，驱动第二电控阀动作。
2.2 软件实现方式
单片机根据内部程序，依次从P1.0、P1.1输出信号（低电平有效）对执行电路进行控制。P1.0、P1.1输出低电平时，通过输出和执行电路对电控阀进行控制。
单片机正常运行时，内部程序初始化设定，使P1.5输出低电平，通过外围电路驱动后，外接故障报警指标灯不会点亮。当单片机因某种原因工作不正常时，P1.5将输出高电平，故障发光二极管指示灯点亮，表明有故障。
单片机输入端口为P1.4，输出端口为P1.0、P1.1、P1.5。Y1、C7，C8组成单片机的时钟电路，本机的时钟频率为12 MHz。C9、R11组成单片机复位电路，在开机瞬间对单片机复位。采用AT89C51系列单片机的优点是，采取内部定时器T0对时间进行自动计时，免人工调试，避免模拟电路通过反复调试来实现。单片机程序烧写在EPROM中，修改灵活。
编程软件采用Keil C51，用定时中断模式。在主函数中定义定时器T0工作于计时模式1；定时器每50 ms产生一次中断，共中断20次，刚好为1 s，每1 s计数1次。以下为程序片断：
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);//时间未满1 s等待
time++; //时间累计
}
else {TR0=0;d1=1;d2=1;} //定时器T0停止
if(time>=720){time=0;} //开始下一个循环
}
}
void Time0(void ) interrupt 1 using 1
{
count++; //T0每中断1次，count加1
if(count==20) //若累计满20次，即计满1 s
{
flag=1; //已计满1 s，标志位置1
count=0; //重新统计中断次数
TR0=0;//关定时器T0
}
TH0=(65536-50000)/256;//高8位重新赋初值
TL0=(65536-50000)%256;//重新赋初值
}
在时序图T1时刻，time共计数72次,即为72 s后发出相应的指令使 P1.0为低电平，P1.1为高电平；然后继续计数，在time累加18次计数即90次后，到下一时刻T2，发出相应的指令使P1.0为高电平，P1.1为高电平；time再继续下一个计数，当计数至108次时，到下一个时刻T3，发出相应的指令，使P1.0为高电平，P1.1为低电平；time继续计数，当计数至180时，到下一个时刻T4，发出相应的指令使P1.0为高电平，P1.1为高电平。至此控制器已完成全部的循环周期。当完成最后一个循环周期后，time计数器清0，自动重复开始以上过程。
3 实际测试效果
经测试，控制器A、B塔工作时间和柔性转换时间分别为72 s和18 s，误差为±0.3 s(标准为±7 s，±1.8 s)[5]。空气压缩机停机后自动记忆工作状态，累计时间误差为±0.5 s。对新型控制器进行了实际装车试验，运用结果表明,该控制器可靠性高，可减少IC和分立元器件数量，从而大大降低了故障率，保证电子装置的使用寿命为20年[6]，完全达到了设计要求。
本文设计的风源净化控制器由于将时序控制程序固化在微处理芯片中，且采用单片机内部时钟频率计时，计时精确度高，克服了原装置用电位器整定振荡频率、易受温度等因素影响，以及由于频率漂移对时序控制产生影响等诸多缺点。同时本控制器数字信号控制电路与机车电器回路完全隔离，提高了系统抗干扰能力，保证了装置的运行稳定。
参考文献
[1] 大连机车车辆厂.东风4型内燃机车空气系统[M].大连：大连理工大学出版社，1993.
[2] 大连中车.JKG系列空气干燥装置使用及维护说明书[S].大连：大连中车机车配件有限公司，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] 中华人民共和国铁道部.DF4B内燃机车大修规程[S].北京：铁道出版社，2006.
[6] 中华人民共和国铁道行业标准.TB/T 3021-2001.铁道机车车辆电子装置[S].北京.中华人民共和国铁道部，2001.