多功能铁路空调控制器的研制

    [摘  要]本文介绍了以89C51单片机为主控制器，用CW一2000电力载波通讯模块实现多机通信的新型铁路空调客车空调控制器的组成及工作原理。

    [关键词]单片机；客车空调控制系统；载波通讯

1  前  言

    铁路空调车大都采用集中供电式，即在一整列车中挂一辆发电车，车上备有3台康明斯或MTU柴油发电机组负责整列车供电，其作用相当于一个列车电站。空调客车中的主要用电器是空气调节器，由两台压缩机电机、两台冷凝风机电机、一台双速通风机电机、两组电加热器等组成，采用传统的统一型空调控制柜KLC一1T1控制客车空调系统工作，它以继电器、接触器为主进行逻辑控制，其缺点是体积大、功能少，并且其功能的可扩展性不强；自动控制采用了“欧姆龙”温控仪，不仅价格贵，而且其大部分功能没有充分利用。对铁路运输部门而言，安全、可靠是其基本要求，由于我国幅员辽阔，列车营运时间长，特别是在夜间运行，给机组设备的监测、维护带来很大的不便。

    因此，我们采用89C51单片机开发了新的控制装置，和以前的控制装置相比，基于89C51单片机为核心的空调控制系统具有控制、监测、管理一体化的特点，可实现集中控制，并且还具有体积小、功能全、功能可扩展性好、价格便宜等优点。减轻了乘务员的工作量。

2系统原理图

图2—1是采用89C51单片机为主控器的空调控制系统原理图。

  系统的主要组成部分有键盘、显示器、模拟量信号处理部分、机组故障检测部分、参数设置保存芯片，以及控制机组工作的固态继电器和CW一2000电力载波通讯模块组成。为了防止当单片机控制电路出现故障时，系统处于瘫痪状态，控制电路中设置了简单的手动控制，此时单片机控制被锁定，只有手动控制释放后才可以再次进入自动控制状态，手动部分包括“通风”、“制冷”、“制暖”和“释放’，4个控制按钮。在自动方式下各模块功能如下：

2．1方式选择与参数设置

    键盘用于系统工作方式及温度参数的设定，在实际工作中空调控制系统有“停机位”、“强通风位”、“弱通风位”、“全暖位”、“半暖位”、“全冷位”、“半冷位”和“网控位”等8种工况，输入的温度参数有高温、低温和动差。为了简化键的数量，系统中只设置了5个键，工作方式由一个键来管理，温度参数的输入占了3个键，其中2个为增、减键，步距为0．5℃。

    串行E2PROM芯片93c46用于保存设定的工作方式和参数值，系统默认初始方式为半冷弱风状态，控制器上电时，单片机读93c46芯片，以默认的方式和参数值控制机组工作。避免了乘务员的重复操作。

2．2  网控功能

采用CW一2000电力线载波模块实现通讯功能，这种电力线载波模块可直接与单片机相联，半双工收发工作，采用数据包的格式与单片机进行数据交换，具有极强的抗干扰能力和衰减调节能力，通讯距离可达2000 m，整列车按18节车厢计算，全长在500 m之内可满足要求。该模块直接耦合于发电车输电电缆220V或380V电力线，利用现有的电力线远距离传送数据。整列车各车箱的空调控制机组可组成一个局域网，系统便于集中控制，这样乘务员可在发电车内监控其它机组的工作，系统的组成如图2—2所示。

2．3参数测量与控制

用铂电阻传感器门100检测车厢内温度，经放大电路后变为0～5 V电压信号送A／D转换器，单片机根据键盘设定的方式和检测到的车箱内温度控制机组工作。在制冷时，推荐低温、高温和动差分别设定为24℃、26℃、1．5℃；取暖时，推荐低温、高温和动差分别设定为16℃、18℃、1．5℃，这样可避免机组的频繁起动，乘客也感到舒服。图2—3是机组工作在自动半冷和自动全冷工况时感温元件测到的温度和机组的工作状态，取暖时，两组电加热器工作状况与温度之间的关系与此类同。从图2—3可知，在自动半冷工况，通风机可工作于弱风或强风状态，当温度高于设定点25．5℃时，1号或2号机组工作，温度下降，温度低于24℃时，压缩机停止工作；温度又开始缓慢回升，高于设定点25．5℃时，应换一台压缩机工作，以避免一台压缩机过度疲劳，以后过程重复，两台机组交替工作。在自动全冷工况，当温度高于27．5℃时，两台压缩机同时投入工作，温度下降，当温度低于26℃时，停止一台压缩机工作，此时有两种可能，一种可能是一台机组制冷量不够，温度会回升，当升至27．5℃时，另一台又投入工作，温度下降，当温度低于26℃时，第二台压缩机停止工作，以后过程反复，两台机组仍处于均衡工作状态；另一种可能是一台机组制冷量足够，则温度会继续下降，到低于24℃时，第二台也停止工作，以后过程同自动半冷工况。自动半暖、自动全暖工况，两台电加热器工作类同，不再复述。表2—1列出了在不同工况下机组的工作情况。

 图2—3  自动制冷时通风机与J土缩机工作模式

    电网电压经过电压变送器变为0～5 V电压信号送A／D转换器，单片机定时检测电压值，判断电压是否在正常范围内（187～253 V），当电压不正常时，单片机报警，向主机发送系统出错信息，实现控制中心的实时监控功能，并使固态继电器断开，机组处于停机状态，防止因过压、欠压对系统的损坏。

2．4机组状态检则

空调控制系统是车辆电气装置中的一个重要组成部分，铁路客运部门要求可靠性高，出现故障时，乘务员要能迅速处理故障，因此在本装置中加设了

一个机组故障状态检测模块，通过监测控制系统中最可能出现故障点的状态（通断），来指示故障位置，检测电路如图2—4所示。

3软件设计流程

    软件部分由初始化、定时器中断、数据采集、数值计算、键盘扫描处理、显示、数据通讯等模块组成。初始化分为单片机资源的初始化和载波通讯模块的初始化两个部分，单片机串口初始化必须依Cw一2000串行接口协议而定，规定为8位UART方式，数据格式为10位，一个起始位，8个数据位，一个停止位。Cw一2000初始化主要是选择载波通讯速度：1．501）ps、450[）ps、1350[，ps。用户可发命令数据包来选择通讯速率。

4结  论

    本文介绍的新型铁路空调客车空调控制器具有体积小、价格便宜，特别是具有集中控制的优点，可取代现有的空调控制柜，应用前景广阔。