毕业设计-基于AT89C51单片机的大型电力机车自动停车器的设计

0 前言

在露天矿矿山电力机车的运输过程中，司乘人员由现场信号选择电机车操作。如果，操作人员的精神状态不佳，就有可能导致闯路端、闯信号的发生，给矿山带来严重的安全生产危害。因此，为避免发生这种情况，一直以来人们都在探寻一种安全可靠的可自动停车的装置。

在二十一世纪的现今，各种产品、机械都在以人为本的基础上，不断深化，不断更新，向着“自动化，信息化，人性化”的方向发展。现如今矿山所有的电机车都是需要操作人员手动操控来实现控制，如此一来不但浪费了企业的人力资源，降低了资源利用率，而且人们在日长生产生活中可能处在不良工作状态，如果精神不好，在矿山生产中就很容易发生意外，这样无论对企业或者个人都可能造成严重的后果。要是能够利用电脑程序控制电力机车使其实现自动停车，是电力机车在出现在、操作问题时可以自行停车避免损失，这样一来不但避免了资源浪费，还能够提高生产生活的安全准确性，尽最大可能防止意外的发生。

在20世纪的时候，已经有很多国家开始使用停车装置，在二十世纪初期美国波斯顿和日本地铁相继开始使用接触式自动停车停车装置。随后，日本在1966开始使用感应式自动停车装置并且在全国地体线推广。近期欧美一些国家开始使用了列车自动运行装置在高速铁路上，这种装置司机无需对电力机车进行全程控制操作只是起到监护作用。在我国这些电力机车控制装置由于经济和技术等原因一直没有应用。150T电力机车自带自动停车警惕按钮，当司机昏睡时按动按钮，装置报警开始自动停车。这种方式增加了司机的操作，大多时候不会及时按下按钮，并不会有效的防止事故发生。我国在58年也开始了对于自动停车装置的研制，但是这么多年这种技术的发展都非常缓慢。我国一些单位如沈阳、西安等单位曾经研究可供国家铁路使用的自动停车装置。国内也生产了与铁路部门原理相近可用于矿山运输的自动停车装置。

这次，我所设计的是以单片机AT89C51为基的自动停车装置，可以在操作出现问题时，使电力机车由手动变为自动，实现手动和自动间的切换，让电力机车在没有操作人员的情况下根据装置自带的报警系统提示计算机可以自动停车。设计的侧重点就在于分析电力机车在不同的制动初速度下的制动距离。通过设计要求设计硬件电路和程序从而，确保了矿山生产中运输过程的安全。

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1 设计总纲

1.1 电力机车制动概述

1.1.1 制动距离的影响因素

影响电力机车的制动因素有很多，如“制动机形式、闸瓦的数量、闸瓦的材料及其磨损程度、列车自重与载重、运行线路坡度、曲率半径等”。但是当客观条件固定的时候，制动距离仅受制动初速度的影响。设制动初速度为VH，Sm为制动距离。

由矿山铁路电力机车运行规程要求可知，在不同线路上电力机车会限制速度。例如，在架线区段行车速度限制在50公里/时以下；旁架线区段行车速度必须在20公里/时以下。为了安全生产，无论电力机车在什么制动初速度时，都不可以发生闯路端、闯信号等事故。由此，我做了一些制动实验，实测在不同客观条件下制动初速度不同时的制动距离。我将测出的实际值与理论值做了比较，又对照参考文献所提供的参数，得出计算方程式：

Sm?f(VH) (1-1)

由上式可得出电力机车制动曲线，如图1—1。

VHV2V1 0

S1S2图1-1 制动曲线

Sm

Fig.1-1 Braking curve

1.1.2 电力机车制动特点

制动过程中，会受到风阻、管路长度等因素影响，我们设Sn为靠惯性所走的空走距离，

Sk为闸瓦动作后到电车停下来的这段距离——实制动距离。而制动距离是由空走距离和实

制动距离组成，形成公式入下：

Sm?Sn?Sk （1-2）

实验过程中证实制动距离与制动初速度VH的有关，制动初速度不同，相对应的制动

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距离也不相同。由制动曲线（如图1-1）可以看出，制动距离随着制动初速度的递增而递增，并且一一对应。设计这个自动停车装置的目的是在电力机车由手动转为自动停车后，无论在何种制动初速度下都能够在误差允许的情况下停在预定点附近，确保电车失控后达到理想的停车目的，保证生产生活的安全性。

1.2 判别电力机车运行方式

1.2.1 判别的运行方式的重要意义

不同的行车方式会为选择停车方案来困难。触发信号接收装置会受到客观条件的限制，所以只能够安装在电力机车上。当机车在前方尾车在后做牵引时，位置信号由安装在行车前端以方便位置信号的接收；当尾车在前机车在后时，电力机车为顶推运行，尾车行驶出去一段距离后，机车才到达触发位置。如此一来，无论采用哪种行车方式都不能使电力机车停在指定位置。如果改变触发器放置的位置就只能满足一种行车方式，而矿山行车路端的长度是一定的。为了使电力机车能够停在指定位置，如何让确定行车方式就变得十分重要。

1.2.2 判别方法

电力机车在不同的行车方式下，其驾驶方式也是不同的，可以根据这一点来辨别行车方式。在电力机车运行时司机所在的驾驶台一定向前行驶，为了方便识别我把两个驾驶台设为1号驾驶台和2号驾驶台。而司机所在的操作台的控制手柄一定要置放于前，并非前进方向的驾驶台上的手柄就要置零。当控制手柄在机车行进方向时，就可以靠空余触点发出位置信号。从而判别出运行的驾驶台，由此判断行车方式。但列车编组比较频繁，挂列方向不能始终保持一致。有时挂在1号，有时挂在2号。换言之，列车挂在1号方向，则2号操作为牵引，1号操作为顶推。在2号方向挂车时则相反。为适应现场的实际情况，设计了一个简单的按钮电路，见图1-2。

假设列车挂在2号驾驶台侧，在1号驾驶台操作即为牵引运行。列车编组完毕后，随即将“1号牵引”按钮按下。如列车挂在1号驾驶台侧，则在2号驾驶台操作为牵引运行，此时将“2号牵引”按钮按下。完成此动作后，从图上可以看出，无论牵引或顶推运行，都能自动识别。当牵引运行时，继电器JL得电，其主触点闭合辅助触点断开，发出一个牵引控制脉冲；当顶推运行时，继电器JT得电，其主触点闭合辅助触点断开，发出一个顶推控制脉冲。最坏的是触发后无识别，则继电器JL和继电器JT失电，主触点都断开。但它们的辅助触点都闭合，串联后发出一个顶推脉冲。这样设计的目的是以最坏的打算来避

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免事故的发生。

二号前进合一号牵引二号牵引一号前进合JTJT+24VJL

牵引控制（P1.0）JLJTJT+5VJL顶推控制（P1.1）

图1-2 行车方式的按钮电路 Fig.1-2 The button circuit Driving patterns

1.3 设计电力机车位置触发器

在接近路端或信号前端一定位置的架空线上，安置电磁无接触式位置触发器。当电机车运行至该位置时，安装在电机车上的信号接收器接收到位置信号，并传送到单片机。单片机接收到位置信号后，内部程序记为1，发出声光报警，提醒司机注意，单片机也开始对接收到的齿频脉冲计数。此时，如果司乘人员精神状态良好，按一下复位按钮，将单片机中的记数清0，电机车继续行进，同时停车方式变为手动控制。如果司乘人员精神不集中，没有按复位按钮，那么电机车的停车方式就是自动方式。

1.3.1 电磁位置触发器工作机理

由图1-3可以看出，触发器安装在A点，AB距离130米为车长转换区，BC距离也是130米为速度检查区。（此距离可根据实际需要而变化）。而CD距离为108米，叫做路端

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区。它是100吨电机车牵引九节自翻车，在重车、线路无坡度、无曲率、行车速度为30公里/小时的制动距离。另外，视情况而定，可设有若干米长度的安全距离。每个区段都有一个LED（LEDAB、LEDBC、LEDCD）来表示，当灯亮时，代表火车进入该区域。

电磁触发器N S架空电力传输线DC1800V 初始触发牵引动作点顶推 预制动点预定停车点安全距离 A牵引 B C D

图1-3 触发器安装及触发后行车示意图 Fig.1-3 Trigger installed and driving maps after trigger

AB：为车长转换区,130米.在顶推运行时,单片机接收到触发信号就发出报警命令； BC：为速度检查区（报警区）,130米.列车在此区段行车应将车速调整到30公里/时以下； CD：为预制动区,108米.该区段是重列在30公里/时的制动距离； DE：为安全区，即为电机车停车允许的误差区，长度为15米。

假设为牵引方式。机车牵引运行至A点时，触发器接收到的位置信号传到单片机里，单片机根据内部已经写入的程序，开始对齿频信号进行计数（LEDAB亮，其它灭），并且允许电机车继续前行130米，当进入车长转换区后至B点或附近，误差不大于1m（由于单片机从A点开始就对齿频脉冲进行计数，到脉冲数达到程序设定的数目B时），单片机就发出报警命令（LEDBC亮，其它灭），启动报警装置提醒司机注意，同时重新对齿频脉冲进行计数。当单片机接收到的齿频脉冲数等于C时，锁定当时列车的速度及再次重新开始对齿频脉冲进行计数（LEDCD亮，其它灭），并通过单片机内的程序设定，对电机车的制动选择制动方案。当脉冲数等于制动方案设定的齿频脉冲数时，单片机就发出制动命令，高速开关断开，放风阀排风，全部LED灭。

假设为顶推方式。机车顶推运行至A点时，行车前端——尾部已到达B点，此时单片机就收到位置触发器的触发信号，单片机就发出报警命令（LEDBC亮，其它灭），启动报

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