微機(jī)皮帶秤設(shè)計(jì)研究

滑 葳

（臨河熱電廠，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000）

1 微機(jī)皮帶秤的總體設(shè)計(jì)方案

電子皮帶秤是一種連續(xù)輸送松散物料并進(jìn)行自動(dòng)稱量的專用儀表，在我國(guó)各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用.電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)形式有很多種，目前現(xiàn)場(chǎng)采用較多的是帶微處理器的電子皮帶秤.本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容即為一個(gè)微機(jī)皮帶秤系統(tǒng)，它主要由稱重傳力機(jī)構(gòu)，荷重傳感器，測(cè)速傳感器，放大整形電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成.其稱重原理如下：稱重傳力機(jī)構(gòu)（簡(jiǎn)稱秤體）將皮帶上瞬間通過的物料重量m(t)轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔糜诤芍貍鞲衅魃系妮d荷力P(t)，再以力—電式荷重傳感器變成電壓信號(hào)Up(t)，經(jīng)放大，濾波后轉(zhuǎn)變?yōu)榕c瞬時(shí)物料重量成正比的數(shù)字量Np(t)，送給微機(jī).與此同時(shí)皮帶線速度V(t)由磁電感應(yīng)式速度/電脈沖測(cè)速傳感器檢出，然后經(jīng)放大，整形后也送入微機(jī)，兩信號(hào)在微機(jī)中先進(jìn)行數(shù)字濾波，然后作如下算法處理

式中W(t)——瞬時(shí)輸送量(kg/s);

m(t)——單位長(zhǎng)度皮帶上的瞬時(shí)物料重量(kg/s);

P(t)——作用于秤上的載荷量(kg);

L——秤體上的皮帶長(zhǎng)度(m);

V(t)——瞬時(shí)皮帶線速度(m/s);

Np(t)——經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單位長(zhǎng)度皮帶上瞬時(shí)物料重量所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量；

NV(t)——瞬時(shí)皮帶線速度經(jīng)磁電感應(yīng)式速度電脈沖轉(zhuǎn)換器檢出的脈沖頻率；

K——標(biāo)準(zhǔn)物料對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)（頻率/kg）；

N0(t)——皮帶秤的系統(tǒng)零值.

單位長(zhǎng)度皮帶上的瞬時(shí)物料重量可用下式計(jì)算：

經(jīng)公式(1-1)處理后的數(shù)據(jù)，在單片機(jī)的控制管理下，可向用戶提供總輸送量和其它的顯示或打印數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以向遠(yuǎn)方傳遞控制信息和其它的模擬或數(shù)字信號(hào).微機(jī)皮帶秤的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示.

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

通過圖1可知，本文設(shè)計(jì)的皮帶秤系統(tǒng)檢測(cè)壓力和速度兩路模擬信號(hào)，具體檢測(cè)重量信號(hào)采用的是電阻應(yīng)變式壓力傳感器，其輸出信號(hào)為毫伏級(jí)，故需要進(jìn)行放大，該信號(hào)通過三運(yùn)放構(gòu)成的精密差動(dòng)放大電路進(jìn)行放大、濾波后送入單片機(jī)8031.另一路速度信號(hào)由電磁式速度傳感器檢出，將該信號(hào)接入8031內(nèi)部的計(jì)數(shù)器計(jì)得每分鐘的脈沖個(gè)數(shù)，即可得轉(zhuǎn)速信號(hào).這兩路信號(hào)在8031中進(jìn)行運(yùn)算并得出物料的瞬時(shí)流量信號(hào)，通過8255芯片擴(kuò)展的顯示器可完成實(shí)時(shí)顯示.

2 檢測(cè)單元及放大整形電路的設(shè)計(jì)

2.1 稱重傳力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微機(jī)皮帶秤的稱重傳力機(jī)構(gòu)由前、后承重杠桿，無摩擦絞支點(diǎn)，承重托輥和計(jì)算箱等組成，如圖2所示.當(dāng)皮帶上有物料通過時(shí)，物料首先經(jīng)皮帶將載荷力傳遞給承重托輥.由于承重托輥直接支承在承重杠桿上，而前后承重杠桿的端部又可作微小轉(zhuǎn)動(dòng)的無摩擦支點(diǎn)承在地基上，因此承重托輥上的載荷力最后分別在兩個(gè)承重杠桿的另一端（秤體中部）綜合，并由傳力簧片傳遞到計(jì)量箱內(nèi).

計(jì)量箱位于秤體中部的皮帶下方，它分為有平衡結(jié)構(gòu)和無平衡結(jié)構(gòu)兩種.計(jì)量箱的作用是將傳力簧片送來的載荷力傳遞給力-電式荷重傳感器變?yōu)殡娦盘?hào)送出.

圖2 傳力機(jī)構(gòu)

2.2 荷重傳感器的原理及選用

荷重傳感器的種類很多，有壓磁式荷重傳感器及電阻應(yīng)變式荷重傳感器等.本設(shè)計(jì)中采用電阻應(yīng)變式荷重傳感器.

圖3 電阻應(yīng)變式荷重傳感器原理圖

皮帶秤中荷重傳感器容量可按下式選擇：

式中Qmax——最大瞬時(shí)輸出量(t/h)；

v——皮帶速度(m/s)；

a——承重托輥間距(m)；

η——秤體的傳力系數(shù)；

α——傳感器安全系數(shù)取1.2～1.3.

秤體的傳力系數(shù)η根據(jù)秤體結(jié)構(gòu)的不同而定.圖2秤體有平衡結(jié)構(gòu)時(shí)，

式中d1——傳力吊桿到平衡支點(diǎn)的距離；

d2——傳感器力作用點(diǎn)到平衡杠桿支點(diǎn)的距離.

圖4 測(cè)速傳感原理

2.3 測(cè)速傳感器的設(shè)計(jì)與選用

皮帶秤中皮帶線速度的檢測(cè)常采用磁電感應(yīng)式速度/電脈沖傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示.測(cè)速傳感器由與皮帶接觸的測(cè)速輪，連接軸，測(cè)速齒輪，測(cè)速頭組成，測(cè)速頭由繞在磁鋼上的線圈構(gòu)成，工作時(shí)置于返程皮帶上的測(cè)速輪在皮帶的摩擦帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)測(cè)速齒輪同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在測(cè)速齒輪的周圍均勻的銑了幾個(gè)槽齒，當(dāng)測(cè)速頭與凸齒相對(duì)時(shí)，磁通最大，凹齒與測(cè)速頭相對(duì)時(shí)磁通最小，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，周期變化的磁通在線圈中將感應(yīng)出周期變化的電壓，其頻率f正比于皮帶的線速度V.

式中n——測(cè)速齒輪的齒數(shù)；

V——皮帶線速度(m/s)；

D——測(cè)速齒輪直徑(m).

公式(2-3)中的f一般要求在1000Hz以上，以保證與荷重傳感器有同等的精度，當(dāng)f確定后，根據(jù)公式(2-3)即可找出符合要求的其它參數(shù)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù).電脈沖輸出方式的測(cè)速傳感器，具有抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)和容易被數(shù)字電路所接收等優(yōu)點(diǎn)，因此選用它作為本設(shè)計(jì)的測(cè)速傳感器，其輸出信號(hào)為0.5V～2V，50Hz～2000Hz的正弦波信號(hào).

2.4 放大電路的分析與設(shè)計(jì)

經(jīng)荷重傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬電壓信號(hào)，其信號(hào)幅度很小，是毫伏級(jí)，由于A/D轉(zhuǎn)換器的接受的是0～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓.所以需要對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大處理.

2.4.1 放大電路的設(shè)計(jì)

圖5 放大電路的設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)單的差動(dòng)放大電路在抗干擾方面存在一定缺陷，在本設(shè)計(jì)中采用的是三個(gè)運(yùn)算放大器組成的增益可調(diào)的高輸入阻抗差動(dòng)式運(yùn)算電路（如圖5所示），可有效地抑制共模干擾.電路中A1和A2都是同相輸入放大器.如果兩個(gè)運(yùn)算放大器特性相同，則其等效輸入阻抗相近，因而輸入信號(hào)UI1和UI2的負(fù)載效應(yīng)也一致.電路中A3是差動(dòng)放大輸出電路.可變電阻R1跨接在A1和A2的反相輸入端，R2和R3分別為兩個(gè)反饋電阻.根據(jù)理想運(yùn)算放大器條件，可得到：

式中，Uom為加在兩個(gè)輸入信號(hào)源與共端的共模電壓信號(hào).根據(jù)歐姆定律，很容易得到下列平衡方程組：

式中，Uo1和Uo2分別為A1和A2的輸出電壓值，聯(lián)解上述四個(gè)方程組，經(jīng)過整理可以得到：

把Uo1和Uo2送入A3中，很容易得到運(yùn)算方程：

如果選R2=R3，則變?yōu)椋?/p>

顯而易見，圖5所示的放大電路對(duì)差動(dòng)信號(hào)的增益為(1+2R2/R1)Rf/R，當(dāng)UI1=UI2=UIc時(shí)，由于UA=UB=UIc，R1中電流為零，Uo1=Uo2=UIc，輸出電壓Uo=0.可見，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào).差模放大倍數(shù)數(shù)值愈大，共模抑制比愈高.

荷重傳感器的測(cè)量電路輸出的電壓滿度值為20mV，而放大電路的輸出應(yīng)為0～5V，故Au=5/0.02=250.故我們?nèi)1=1K Ω，R2=2K Ω，Rf=50K Ω，R=1K Ω，可滿足設(shè)計(jì)要求.

2.5 速度信號(hào)放大整形電路的設(shè)計(jì)

圖6為轉(zhuǎn)速信號(hào)的放大整形電路，圖中D201為齊納二極管，作保護(hù)作用.運(yùn)算放大器接成反相放大器，增益為10倍，放大的目的是提高輸入信號(hào)的斜率以避免整形電路的誤動(dòng)作，D202和D203將對(duì)放大器輸出限幅并將負(fù)的部分去掉，經(jīng)處理后的信號(hào)接入施密特觸發(fā)器進(jìn)行脈沖整形，最后送入8031的計(jì)數(shù)器輸入端計(jì)得脈沖數(shù)并通過工程運(yùn)算即得轉(zhuǎn)速.

圖6 轉(zhuǎn)速信號(hào)放大整形電路

3 單片機(jī)的應(yīng)用與擴(kuò)展

3.1 8031單片機(jī)結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

單片機(jī)內(nèi)部最核心的部分是CPU，它是單片機(jī)的大腦和心臟.CPU的主要功能是產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制存儲(chǔ)器、輸入/輸出端口的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及位操作處理等.圖7為8031單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.

圖7 8031單片機(jī)的內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)中測(cè)速傳感器輸出的速度信號(hào)經(jīng)整形后送入8031進(jìn)行計(jì)數(shù)，選擇803l內(nèi)部定時(shí)器T1為方式1，產(chǎn)生50ms的定時(shí)中斷，將秒單位送秒計(jì)數(shù)器.選擇8031內(nèi)部定時(shí)器T0為方式1，把T0作為外部中斷請(qǐng)求輸入線，即T0引腳發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，1分鐘定時(shí)時(shí)間到，停止計(jì)數(shù)，同時(shí)讀出T0計(jì)數(shù)值，送轉(zhuǎn)速信號(hào)暫存單元.由上述可知：T0，Tl均工作于方式 1，T1定時(shí)，C/T＝0，T0計(jì)數(shù)，C/T=1,選擇GATE＝0，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的運(yùn)行控制位TRX由軟件置位式清“0”，故T0、T1的方式控制字為15H.

3.2 8255A的結(jié)構(gòu)及功能

8255A是Intel86系列微處理機(jī)的配套并行接口芯片，它可為86系列CPU與外部設(shè)備之間提供并行輸入/輸出的通道.由于它是可編程的，可以通過軟件來設(shè)置芯片的工作方式.所以，用8255A連接外部設(shè)備時(shí)，通常不用再附加外部電路，給使用者帶來很大方便.本設(shè)計(jì)就是采用8255芯片來擴(kuò)展鍵盤和顯示器的.

3.2.1 8255與單片機(jī)8031的連接

8255與單片機(jī)8031的連接電路如圖8所示.

圖8 8031單片機(jī)與8255的連接

本設(shè)計(jì)成功的設(shè)計(jì)了一個(gè)用8031單片機(jī)進(jìn)行控制的皮帶秤系統(tǒng)，它可廣泛地應(yīng)用于各工礦企業(yè)的散狀物料輸送環(huán)節(jié).檢測(cè)環(huán)節(jié)選用了電阻應(yīng)變式荷重傳感器以及簡(jiǎn)單實(shí)用的電磁式速度傳感器，可靠而實(shí)用的實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料重量及傳送速度的檢測(cè).兩路信號(hào)經(jīng)過各自的放大處理電路進(jìn)入單片機(jī)8031，并由8255芯片來實(shí)現(xiàn)了鍵盤和顯示器的接口擴(kuò)展，基本實(shí)現(xiàn)了皮帶秤系統(tǒng)的整機(jī)功能.

〔1〕田沛.智能化檢測(cè)儀表[M].北京：華北電力學(xué)院出版社，1993.

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