基于STC12C5A60S2单片机的汽车防疲劳驾驶系统研究

摘要：疲劳驾驶是造成大多数交通事故的主要元凶之一，其中50%的交通安全事故起源于驾驶员意识不清醒从而酿成车祸，因此，防疲劳驾驶系统的研究具有重要意义。文章采用STC12C5A60S2单片机作为微处理器，通过采集安装在方向盘上的角位移传感器与压力传感器数据，判断驾驶员疲劳状况，并在驾驶员疲劳时进行报警处理，从而达到安全驾驶的目的。

关键词：STC12C5A60S2单片机；汽车装置；防疲劳；安全驾驶；交通事故；微处理器 文献标识码：A

中图分类号：TP277 文章编号：1009-2374（2016）11-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.11.013

1 概述

近几年随着国家电气化铁路的不断建设发展，电力机车主断路器的应用越来越广泛。由于特殊的工作环境，电力机车主断路器要求比普通断路器有更高的分合闸速度和操作稳定性，而操动机构直接影响着断路器的这些性能。我国现阶段的断路器研制技术在不断上升，但是在机构的可靠性与稳定性上还远不如国外产品。

本文针对现有电力机车上主断路器所采用的气动操动机构，空气压缩系统容易出现故障，影响整个机构的操作，不满足铁路用断路器高可靠性和安全性要求的缺点，以电磁机构为新型断路器的操动机构，设计了一种单稳态的新型断路器电磁操动机构，并用有限元分析软件ansoft对所设计的电磁机构进行了动态特性的分析，证明所设计的机构满足断路器的特性要求。

2 结构与原理

本文所设计的真空断路器额定电压为27.5kV，额定电流为1000A，额定短路开断电流为20kA。由于工作时断路器不仅要有开断很大的短路电流的能力，还要频繁开断电路。这就需要操作机构在合闸时提供很大的触头压力，而且要开断如此大的短路电流就要求操作机构具有很高的分闸速度，并且此机构要应用于电力机车主断路器上，这就要求机构具有非常高的可靠性。

根据真空断路器的特性需求，通过特性计算和优化设计了一种新型电磁操动机构，具体结构见图1。机构的动铁芯采用圆筒形、静铁心采用方形设计，动静铁心之间装有线圈。该机构与传统单稳态机构类似，但又有一些改进，为了提高机构的稳定性，增加了一个保持线圈来提高机构合闸后的稳定性，防止由于机车行走过程中产生的震动等干扰将断路器弹开。

假设初始位置机构处于分闸状态，当给机构合闸指令时，接通合闸回路，预先充好电的电容放电使合闸线圈产生一定大小的励磁电流，这时合闸线圈将在动铁心和静铁心中产生磁场，动静铁心之间产生电磁吸力，当吸力大于动铁心的机械负载反力时动铁心便开始运动。随着励磁电流的增大，动静铁心之间的吸力也会随之增加，动铁心的运动速度加快，当动铁心运动到一定位置时会接触到静铁心顶部的分闸弹簧，此刻开始动铁心将会受到分闸弹簧向上的反力作用，由于此时动静铁心之间的吸力已经很大，动铁芯受到的合力还是向下的，动铁心继续向下运动。随着动铁心运动行程的增大，最终分闸弹簧被压缩到最大量，储存足够大的弹性势能。当动铁心与静铁心接触时，机构就完成了一次合闸操作。合闸操作完成后要立刻断开合闸回路，同时接通保持电路，这时保持线圈将通入励磁电流，这个电流产生电磁吸力，使动铁心保持在合闸位置上。当分闸动作开始时，给保持线圈断电，依靠之前分闸弹簧产生的弹性势能，可使机构迅速分闸，完成分闸操作。

3 电磁机构的动态特性仿真

电磁机构动态特性反映的是操动机构在稳恒电流下电磁吸力、磁链与动铁心位移之间的关系。操动机构动态特性仿真考虑了两方面的影响：一是电磁参量对动铁心电磁吸力的影响；二是动铁心电磁吸力对断路器运动特性的影响，可以真实反映断路器在动作过程中的各种电磁参量和机械参量的真实情况，为电磁机构的优化设计提供了技术基础，从而保证断路器动作过程中吸力与反力的合理配合，提高断路器的可靠性和可控性。电磁操动机构动态特性的计算要融磁场、机械和电路耦合于一体，计算比较困难。本文采用ANSOFT Maxwell 3D瞬态场求解器分析和计算电磁操动机构的动态特性。

3.1 动态仿真模型的建立

在Ansoft软件中建立电磁机构的3D动态仿真模型如图2所示，模型建立后要将运动部件置于一定的band域内，并在运动求解选项中，设定动铁心的运动范围、运动方向、初始位置、初速度、质量、阻尼和反力特性等参数。

为了保证机构能够动作，要给分合闸线圈设计合适的激励。本文将设计好的外部激励电路利用Ansoft自带的电路编辑器circuit editor进行编辑。合闸线圈与保持线圈均为铰链导体。在电路中要串联两个电阻，因为Ansoft软件的电路仿真过程中，并不会考虑绕组自身的电阻，却可以自动考虑绕组的电感，所以绕组内阻需要我们自身来进行计算，并赋予串联的电阻作为绕组自身内阻。所设计的外部电路如图3所示。其中L2位合闸线圈的激励电路，它采用电容充电来供电，在合闸动作开始前要预先给此电容充上400V的电压。L3位保持线圈的激励电路，它采用的是直流电源来供电，由机车上的110V直流电屏来提供。

为了仿真分合闸的一个过程，先让合闸回路工作40ms完成合闸过程，然后让保持线圈回路工作30ms，最后两个回路都断电，分闸弹簧使机构完成分闸过程。

3.2 动态过程的仿真分析

在完成各种参数与设定后，可以进行动态仿真实验。在Ansoft仿真软件中完成合闸过程和分闸过程的动态特性仿真，可以得到相应的位移、线圈电流特性曲线，如图4所示：

从仿真计算结果可以看出，所设计的电磁操动机构的分合闸时间都在28ms左右，而机车主断路器要求的分合闸时间在20～60ms之间，由此可见本设计能够满足断路器的分合闸要求。

4 结语

文章设计了一种新型的真空断路器电磁操动机构，用有限元分析软件仿真了所设计机构的动态特性，根据仿真结果验证出所设计机构的正确性。

参考文献

[1] 李艳飞.断路器新型磁力操动机构的研究[D].大连理

工大学，2009.

基金项目：本文系“青年项目自然科学”课题研究，编号：QNL201535。

作者简介：车焕（1982-），女，辽宁营口人，营口理工学院实验师，硕士，研究方向：智能电器。

（责任编辑：黄银芳）

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