基于AT89S51單片機機車故障顯示屏測試儀的設計與實現

謝永超

（1湖南鐵道職業技術學院　湖南　株洲　412001；2.西南交通大學　四川 成都　612001）

基于AT89S51單片機機車故障顯示屏測試儀的設計與實現

謝永超1,2

（1湖南鐵道職業技術學院湖南株洲412001；2.西南交通大學四川 成都612001）

以AT89S51單片機為核心部件，實現了機車故障顯示屏測試儀的硬件和軟件設計。介紹了AT89S51型單片機與HS12864型液晶顯示屏、A6微型打印機、串行輸出模塊等接口電路在機車故障顯示屏測試儀中的應用，并以Keil C51為軟件開發平臺，用C語言編程實現液晶顯示屏驅動，微型打印機驅動，串行輸出模塊驅動，按鍵掃描等功能。建立了比較友好的用戶界面，通過按鍵選擇功能模式，實現對機車故障顯示屏工作性能的檢測，為設備檢修提供方便。

AT89S51單片機；機車故障顯示屏測試儀；硬件設計；軟件設計

自我國開通第一條電氣化鐵路以來，電力牽引的鐵路運輸在運輸效率、能源消耗以及環境污染等方面的優勢為各界公認。電力機車的安全可靠性也成為鐵路發展的決定性因素之一。在電力機車實際運行過程中，機車故障顯示屏有著十分重要的作用。它能夠直觀反應電力機車在運行過程中的各種設備的工作狀況，及時給司乘人員提供設備狀況信息，更好地保證電力機車的可靠運行［1-12］。

1　系統設計

機車故障顯示屏測試儀是以AT89S51單片機為核心組成的測控系統。整個系統主要由電源模塊、MCU控制模塊、監控電路，按鍵電路、監控電路、串行輸出模塊、液晶顯示模塊、微型打印機構成。電源模塊為機車故障顯示屏測試儀的工作電路提供必需的工作電源，一共有2塊輸出電源模塊。輸入均為AC220V，輸出為2路，分別為DC+5 V，DC+110 V，其DC+5 V為控制芯片提供工作電源，DC+110 V為模擬輸出的信號電壓；MCU控制模塊則采用AT89S51單片機，具有32個I/O口，2個定時器，5個中斷源，并帶ISP程序下載功能，方便調試；復位電路采用MAX813L，在MCU上電、程序執行過程中出現的“跑飛”、“死循環”等情況下提供復位信號。上電時，/ RESET引腳自動產生200 ms的復位脈沖；手動復位端/MR輸入低電平時，該端也產生復位信號輸出；按鍵部分采用輕觸式薄膜式開關，串行輸出模塊的數據傳送采用74HC595，擴展MCU的I/O口，采用三線制數據傳送方式，串入并出，并帶鎖存功能，信號輸出則采用AQW214光電繼電器，耐壓等級高，驅動能力強，損耗小，可靠性高；液晶顯示模塊采用采用自帶漢字庫的HS128X64型液晶，并帶背光顯示。采用圖形顯示方式，程序結構簡單，維護方便。可根據需要選擇采用串得或并行數據傳輸方式；微型打印機選用A6系列的噴墨打印機，采用串行方式傳送數據；接口電路相對較簡單，驅動程序編寫方便，結構美觀，體積較小。系統方框圖如圖1所示。

圖1　機車故障顯示屏測試儀系統方框圖

2　硬件電路設計

2.1電源模塊

機車端子柜自動檢測儀的電源模塊共有兩塊，一塊型號為XRA10/220S05，輸入是AC220 V，輸出是DC+5 V。主要為各芯片提供工作電源。另一塊型號為XRA10/220S110，輸入是AC220 V，輸出是DC+110 V，用于測試信號工作。兩個電源模塊均為北京星原豐泰科技有限公司的產品。

2.2復位電路

在本系統中，采用MAX813L作為復位電路控制芯片，在MCU上電、程序執行過程中出現的“跑飛”、“死循環”等情況下提供復位信號。上電時，/RESET引腳自動產生200 ms的復位脈沖；手動復位端/MR輸入低電平時，該端也產生復位信號輸出。復位電路原理圖如圖2所示。

圖2　系統復位電路圖

圖中MAX813L的第（1）腳與第（8）腳相連。第（7）腳接單片機的復位腳（AT89S51的第（9）腳）；第（6）腳與單片機制P10相連。在軟件設計中，P10不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機進入死循環，則P10無脈沖輸出。于是1.6s后在MAX813L的第（8）腳輸出低電平，該低電平加到第（1）腳，使MAX813L產生復位輸出，使單片機有效復位，擺脫死循環的困境。另外，當電源電壓低于限值4.65 V時，MAX813L也產生復位輸出，使單片機處于復位狀態，不執行任何指令，直至電源電壓恢復正常，可有效防止因電源電壓較低進單片機產生錯誤的動作。

2.3串行輸出模塊設計

數據傳送電路（如圖3所示）采用4塊74HC595芯片級連，一共輸出24個控制信號。4塊芯片的鎖存脈沖、移位脈沖信號均同步。芯片的SER為數據的輸入端，QH'為移位數據的輸出端，級連時與下一級芯片的數據輸入端相連。由于級連級數受移位脈沖頻率影響，因此由系統時鐘決定可級連的級數。RCLK為移位脈沖輸入引腳，SRCLK為鎖存脈沖輸入引腳，均為上升沿有效。/OE為芯片使能信號，低電平有效。芯片工作時，每來一個移位脈沖上升沿，數據右移一次，上一級的數據通過QH'輸出至下一級的數據輸入端SER。一共24個信號，因此共需移位24次。移位時數據的高位在前，移位完成后，給鎖存脈沖信號，存儲器輸出所有信號。

圖3　系統數據傳送電路

2.4信號輸出

信號輸出則采用AQW214光電繼電器，耐壓等級高，驅動能力強，損耗小，可靠性高。采用光電隔離方案，能防止負載端的串電干擾，最大隔離電壓為AC 2000 V。響應速度快，可滿足高速傳輸。驅動能力強，最大可達120 mA，對于故障指示燈之類的負載是完全足夠的，而且無機械式的觸點，使用壽命很長。驅動電路原理圖如圖4所示。

2.5液晶顯示模塊

液晶顯示模塊選用的是成都飛宇達實業有限公司的HS12864液晶顯示模塊，模塊內置了ST7920控制器，帶有LED邊光/底光，溫度范圍較廣，屬寬溫型，無須外部提供液晶驅動電壓，點陣數為128×64，具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；內置8192個16*16點漢字，和128 個16*8點SCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。液晶顯示模塊接口電路如圖5所示。

圖4　系統驅動電路原理圖

圖5　系統液晶顯示模塊接口電路

采用串行傳輸模式，節約I/O口資源。其中CS/RS為液晶模塊的片選信號，SID為串行數據的輸入端，CLK為串行時鐘信號，A、K分別為液晶模塊的背光電源，VOUT為顯示的對比度調節。可根據使用環境的溫度，調節RP1至合適位置。在系統初始化時，應有適應延時，待系統電源穩定后，才對液晶模塊進行初始化，以免產生意想不到的錯誤。

2.6微型打印機

微型打印機選用的是北京煒煌科技發展有限公司生產的A6型微型熱敏打印機，打印機與MCU的接口分為并行接口和串行接口。在設計中為節約I/O口資源，機車故障顯示屏測試儀采用串行接口。使用時用戶根據需要，將測試結果打印出來。微型打印機接口電路如6所示。

圖6　系統微型打印機接口電路

2.7按鍵電路

按鍵電路采用柔性薄膜開關，美觀，實用性強。按鍵檢測采用中斷方式，并進行多次采樣，以確保有按鍵信號。當鍵被按下和放開時可能會出現電平狀態反復變化稱作鍵盤抖動若不作處理會引起按鍵盤命令，錯誤。所以要進行去抖動處理以讀取穩定的鍵盤狀態為準。當某個按鍵按下時輸出一次鍵值后如果該按鍵還未釋放該鍵值連續有效就像連續壓按該鍵，因此在使用中采用延時控制，經再次檢測仍有信號則為有效，以提高系統的可靠性。按鍵電路如圖7所示。

圖7　系統按鍵電路

3　軟件設計

軟件設計以KEIL C51為開發平臺，利用C語言進行設計。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外，Keil C51生成的目標代碼效率高，多數語句生成的匯編代碼緊湊。程序采用模塊化結構，調試方便，易于維護。利用PROTEUS進行軟件仿真，能夠更直觀地實現各接口的功能［13-15］。軟件設計流程圖如圖8所示。

圖8　系統軟件設計流程圖

4　結論

機車故障顯示屏測試儀是為了檢測機車故障顯示屏工作狀況而設計的，它能夠模擬電力機車［16］的實際工作狀況，輸出設備檢測信號［17］。檢修人員可根據故障信號及其所對應的故障指示燈的狀態，檢測機車故障顯示屏的好壞，為檢修工作提供了很大的方便，也大大提高了檢修工作的效率。

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Based on AT89S51 locomotive fault display tester is the design and implementation

XIE Yong-chao1,2
（1.Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China；2.Southwest Jiaotong University，Chengdu 612001，China）

Based on AT89S51 which is the core component,the hardware and software design of locomotive fault display tester are implemented in this paper.AT89S51 single-chip microcomputer is introduced with HS12864 type liquid crystal display, micro printer A6,serial output module interface circuit in the application of locomotive fault display tester,and the Keil C51 as the software development platform,which is used C language programming to realize LCD driver,miniature printer driver,serial output module driver,key scan,and other functions.The friendly user interface is establishment,through the selection of key function model,implement for detecting the working performance of the locomotive fault display,provide convenience for equipment maintenance.

AT89S51；locomotive fault display tester；hardware design；software design

TN9

A

1674－6236（2016）13-0157-04

2015-12-15稿件編號：201512163

廣西省自然科學基金項目（2012GXNSFBA053167）；湖南省教育廳科學研究項目（15B155）

謝永超（1984—），男，湖南邵陽人，碩士，講師。研究方向：鐵路通信系統。