内燃机车百叶窗温度控制器的设计

赵 磊，史经科，王 寅，曾 洁

（大连交通大学 电气信息工程学院，大连116000）

内燃机车中柴油机是最重要的动力装置，在内燃机车正常运作时，由于柴油的燃烧以及压缩的空气都会产生很大的热量，因此会使很多部件和设备因为受热而温度过高。受热部件的温度太高就会有所损坏，从而影响机车的正常运行，所以为了防止受热部件温度过高而影响其正常工作，必须及时有效地将这些多余的热量散发出去。因此，冷却水系统的作用，就是对需要及时散热的机械和设备提供足够的冷却水进行冷却，以保证其在合适的温度范围内安全、可靠地工作[1-4]。但冷却水的温度也会随着吸收热量的增多而升高，当冷却水温也达到一定温度时，便不能很好地将多余的热量散发出去，所以需要实时监测冷却水的温度。该款百叶窗温度控制器的设计能够实时监测冷却水温度，以及对内燃机车柴油机冷却间的百叶窗进行控制，使其能够随着柴油机冷却水温度的变化开启或关闭。

1 系统总体设计

本设计的主要功能是实时监测柴油机冷却水的温度，以及在冷却水温度过高时能够及时开启内燃机车柴油机冷却间的百叶窗，而当冷却水温度下降到设定值时自动关闭内燃机车柴油机冷却间的百叶窗。总体设计思路：首先将机车上110 V 直流电接入百叶窗装置；然后经过降压模块将110 V 直流电压降为系统所需要的直流8 V 和5 V 电压，供系统正常工作使用；最后通过温度传感器将冷却水温信息传送给单片机，单片机采集到温度信息后进行计算和比较，来控制电磁阀的动作使百叶窗开启/关闭及数码管温度显示[5-9]。设计总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Overall block diagram of system

2 系统硬件部分

百叶窗温度控制器按其功能可划分为5 部分：电源部分、冷却水温检测部分、微处理器部分、冷却水温度显示部分、控制电磁阀执行部分。

2.1 电源部分

电源部分将机车上的110 V 直流电源转换为控制板上的工作电源[10-11]，机车上110 V 电首先经过一个二极管、保险丝以及滤波电容，同时接入一个P6KE160CA 瞬变抑制二极管防止操作人员误操作将电压反接而导致MC110D08-15W 电源转换模块以及其他元器件烧坏。然后经过MC110D08-15W 直流降压模块降到直流8 V 的VDD，再经过电容滤波后输入LM7805 稳压管降为直流5 V 的VCC，以供电路板单片机工作、温度值显示和电磁阀控制，电源转换原理如图2所示。

图2 电源转换原理图Fig.2 Schematic diagram of power conversion

2.2 柴油机冷却水温度信号检测部分

将柴油机冷却水的温度信号通过PT1000 温度传感器转变成电阻信号，送入百叶窗温度控制器，百叶窗温度控制器使用电桥法将该信号转换成电压信号，并经过A/D 转换成数字信号进行采集。CPU将采集到的温度信号经过运算和比较，进行温度值的显示和百叶窗的开启控制。其中RB4，RB5 连接微处理器的6，7 引脚。其电路原理如图3所示。

图3 温度信号采集原理图Fig.3 Schematic diagram of temperature signal acquisition

2.3 微处理器部分

本系统的微处理器采用了DSPIC30F4011 这款芯片，该芯片的最小系统原理如图4所示。系统采用微处理器来控制温度采集过程和数值显示以及电磁阀开关动作，上电后处理器首先读取温度采集信号和电磁阀当前状态，并显示于LED 数码管上，同时随电磁阀的动作切换显示内容。并且进行温度信号的运算和比较[12]，完成其核心的温度超限百叶窗开启、温度回落百叶窗关闭功能。

图4 微处理器最小系统Fig.4 Microprocessor minimum system

2.4 柴油机冷却水温度显示部分

为了便于使用人员判断或检修，该百叶窗温度控制器增加了百叶窗开启/关闭动作值的显示功能。通过按下设定值显示按钮，LED 显示器可显示高、低温百叶窗开启的动作值，松开该按钮则正常显示高、低水温度值。

高、低水温度值的显示是通过百叶窗温度控制器将采集到的温度信号经过计算比较后控制LED数码管进行温度值的显示，同时还通过发光指示灯指示出当前百叶窗开启或关闭的状态。

2.5 控制电磁阀动作执行部分

当百叶窗温度控制器采集到的温度值达到或超过百叶窗开启的设定值后，微处理器给出开关量信号，使继电器常开端闭合，从而驱动电磁阀开启百叶窗；当百叶窗温度控制器采集到的温度值降到百叶窗开启的设定值以下时，微处理器给出开关量信号，电磁阀停止动作，使百叶窗关闭。图中有两路控制电路，其中RF4 控制高温侧百叶窗，RF5控制低温侧百叶窗。电磁阀工作电路原理如图5所示。

图5 电磁阀电路原理图Fig.5 Solenoid valve circuit schematic diagram

3 系统软件部分

本系统采用MPLAB IDE 编程环境，该开发环境使用内部编辑器创建和编辑源代码，可在线调试程序，在观察窗口观测变量，调试完成可使用MPLAB IDE2 编程器对单片机进行程序烧写。系统主程序主要包含模块初始化子程序、温度采集子程序、数据计算比较子程序、电磁阀控制子程序等。该部分是整个系统的核心，可以实时进行温度采集、计算和比较，并控制电磁阀的开关动作，以及开关状态和温度值的显示[13-15]。软件流程如图6所示。

图6 软件工作流程Fig.6 Software flow chart

4 实物测试

4.1 手动控制测试

手动控制的作用是为了保证自动控制系统出现问题的时候能够手动控制百叶窗的开启、关闭，按键示意图如图7所示。

图7 手动控制按键示意图Fig.7 Schematic diagram of manual control keys

按住“设定值”按钮，LED 显示高、低温设定值（76 ℃，54 ℃）；松开“设定值”按钮，LED 显示高、低温的当前值；按下“高温”或“低温”按钮切换到手动模式，电磁阀接通110 V 电压，使百叶窗开启。

低温显示值：松开“低温”按钮，LED 显示低温的当前值，与PT1000 的对应表一致。

高温显示值：松开“高温”按钮，LED 显示高温的当前值，与PT1000 的对应表一致。

低温设定值：按住“低温”按钮，LED 同时显示低温百叶窗动作的设定值，与需要的一致（54 ℃）。

高温设定值：按住“高温”按钮，LED 同时显示高温百叶窗动作的设定值，与需要的一致（76 ℃）。

上文所做的测试说明各个按键功能完善，能够实现所要求的动作和切换功能。

4.2 实物测量精度调试

结束手动控制测试后恢复按钮为自动位置，自动测试时我们需采用2 个电阻箱来代替高、低温传感器，通过调整电阻值的大小模拟冷却水高、低温侧的实时温度变化，观察显示温度大致符合温度传感器的温度与阻值对照表[16]，如表1所示。其中当温度达到76 ℃时阻值表和显示温度会有一定的误差，通过调整系统内部电位器使得阻值与温度显示对应，使得系统满足设计初衷。同时观察到实际测量电阻值代表的温度变化到达临界点时百叶窗能够及时动作，其中实物示意图如图8所示。

图8 实物示意图Fig.8 Physical schematic diagram

表1 PT1000 温度与阻值对照Tab.1 Comparison of PT1000 temperature and resistance value

通过观测电阻值对应的温度显示可以确定系统的正常运行，高、低温侧百叶窗的动作也满足系统设计预期。自动模式下能够直观地显示当前柴油机冷却水高、低侧温度，同时百叶窗的开启、关闭动作能随着温度的变化自动运行。加入了自动/手动切换按钮控制百叶窗的动作，能够满足不同状况下对冷却间百叶窗的开启和关闭，进而防止柴油机冷却水温度过高而造成部件损坏。

5 结语

本文设计了基于DSPIC30F4011数据采集和计算的百叶窗温度控制器，本系统包括了电源转换电路、冷却水温度检测、温度及动作显示、电磁阀控制等部分。通过比较计算温度信号，该系统能及时的自动控制百叶窗的开启/关闭，同时加入了手动控制部分，能够满足不同工况的需求。具有稳定运行、响应迅速、显示直观等优点，大大避免了由于冷却水温度过高带来的部件损坏等问题。