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1總體設(shè)計(jì)思想
配料是冶金、建材、化工等行業(yè)的典型生產(chǎn)工藝,近年來,采用失重秤配料方式的配料系統(tǒng)逐漸盛行,主要是該方式較之傳統(tǒng)的皮帶秤配料方式具有計(jì)量準(zhǔn)確、維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)[1]。一般采用STD總線工控機(jī)或PC總線工控機(jī)對多臺配料秤進(jìn)行集中控制。由于配料生產(chǎn)現(xiàn)場往往距控制室較遠(yuǎn),強(qiáng)、弱模擬信號混雜,必須采取較完善的屏蔽抗干擾措施才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。集中控制對主機(jī)及其測控電路要求較高,整個(gè)系統(tǒng)的通用性和靈活性較差,成本較高。實(shí)際上每臺配料秤可視為一個(gè)獨(dú)立的生產(chǎn)單元,用單片微機(jī)就地對一臺秤實(shí)施測量與控制,若干臺控制器經(jīng)數(shù)字通信接口聯(lián)網(wǎng)組成分布式微機(jī)系統(tǒng),可大大簡化線路結(jié)構(gòu),便于系統(tǒng)制造與安裝維護(hù),能顯著提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比和組成靈活性。
基于上述觀點(diǎn),有必要研制測控一體化的配料控制器做為分布式配料自動化系統(tǒng)的基本單元。
根據(jù)失重秤結(jié)構(gòu)原理(見圖1),由上料、稱上重、下料、稱下重4段為一個(gè)周期,循環(huán)工作,上重減下重為本次下料量。每臺秤有3只秤重傳感器及上料、下料電振機(jī)各一只。

故控制器輸入為三路稱重傳感器,輸出為二路電振機(jī)驅(qū)動信號。所設(shè)計(jì)配料控制器由檢測變換電路、單片機(jī)數(shù)字電路、可控硅控制電路及電源電路四大部分組成。
2檢測變換電路設(shè)計(jì)
檢測變換電路設(shè)計(jì)由稱重傳感器、測量放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及橋壓電源組成,它完成三路秤重信號的檢測與轉(zhuǎn)換任務(wù)。
2.1稱重傳感器與放大電路設(shè)計(jì)
采用高精度S型電阻應(yīng)變式拉力傳感器,其輸出靈敏度為2mv/v,橋壓可取5～10v。3只秤重傳感器信號疊加,采用單獨(dú)放大后再做電流加法的方法,這樣不僅解決了傳感信號的并聯(lián)問題,而且可單獨(dú)調(diào)節(jié)每路增益,以補(bǔ)償傳感器靈敏度誤差和懸掛位置偏差的影響。三路放大器(A1～A3)輸出經(jīng)可情況(其它兩路增加僅是線性疊加,不影響分析結(jié)果)。對于第一路有:Iin=V1/Rw1,V1=(R3/R1)·△V,△V=(△R/R)·E(2)式中V1為放大器輸出電壓,R6為增益調(diào)節(jié)電阻,R3和R1為放大器比例電阻,
△V為傳感器輸出電壓,R為傳感器橋臂電阻;△R為電阻變化值;E為橋壓。將(2)式代入(1)式可得:
fout=(R9Iin)/(1.1R5C5Vr)=(R9R3)/
(1.1R5C5R1Rw1)·(E/Vr)·(△R/R)(3)
令K1=(R9R3)/(1.1R5C5R1Rw1R),K2=1+(R11/R10),E=K2Vr代入(3)式可得:
fout=K1K2△R=K△R    (4)
上式表明,輸出頻率與稱重信號△R成線性比例關(guān)系,與橋壓E無關(guān),所以從理論上徹底消除了橋壓變化對測量結(jié)果的影響,同理也消除了壓頻轉(zhuǎn)換芯片基準(zhǔn)電壓變化的影響,可大大提高電路工作的穩(wěn)定性,達(dá)到用低價(jià)芯片實(shí)現(xiàn)高性能測量的目的。
LM331的Vr為1.9v,當(dāng)傳感器和滿度頻率選定后,根據(jù)式(1)～(4),可計(jì)算出各元件的具體參數(shù)。
3單片機(jī)數(shù)字電路設(shè)計(jì)
3.1單片機(jī)的選擇
采用ATMEL公司推出的高性能單片機(jī)AT89C2051,該機(jī)體積小、抗干擾性能較好、運(yùn)行速度快,有15根可編程I/O線,2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器,經(jīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)可滿足配料控制器的測控要求。
為提高系統(tǒng)的可靠性,配上新型X25045可編程芯片。該芯片集成了看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)視復(fù)位電路和512字節(jié)的E2PROM,與AT89C2051單片機(jī)配合可謂相得益彰,特別是用于配料控制時(shí),E2PROM正好存儲若干系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),如配料給定流量,料斗自重等。
3.2數(shù)字通訊接口設(shè)計(jì)
AT89C2051單片機(jī)帶有串行數(shù)據(jù)接口,必須擴(kuò)展串行收發(fā)器電路。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較差,因此選擇美國TI公司的抗雷擊RS-485收發(fā)器SN75LBC184,該芯片內(nèi)集成有4只瞬時(shí)過壓保護(hù)二極管,可承受功率高達(dá)400W的靜態(tài)脈沖電壓,并具有自動熱關(guān)斷和ESD保護(hù)功能。該芯片符合RS-485標(biāo)準(zhǔn),總線可掛接64個(gè)節(jié)點(diǎn),與單片僅需3線聯(lián)接。
3.3數(shù)字顯示與鍵輸入電路設(shè)計(jì)
數(shù)字顯示要求有5位數(shù)字,顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量等參數(shù)。采用莫托羅拉公司的MC14489專用芯片,該芯片為串行輸入、動態(tài)掃描顯示方式,可直接驅(qū)動控制5個(gè)7段LED數(shù)碼管。該芯片主要特點(diǎn)是外接元件極少(只有一只電阻控制亮度),占用CPU資源少、特別適合I/O腳較少的單片機(jī)擴(kuò)展數(shù)字顯示電路用?？刂破髟O(shè)計(jì)為可單獨(dú)工作,需要參數(shù)輸入。為簡化硬件,采用軟件控制人機(jī)對話或輸入方式,僅需3鍵(AN1加鍵、AN2減鍵、AN3模式鍵)由單片機(jī)I/O口讀入鍵狀態(tài)即可。
4可控硅控制電路設(shè)計(jì)
失重秤有上料、下料電振機(jī)各一臺,采用單相可控硅半波整流電路驅(qū)動。利用單片機(jī)的內(nèi)定時(shí)器中斷和外部中斷功能可以用軟件來實(shí)現(xiàn)可控硅的數(shù)字觸發(fā);其原理為在單片機(jī)INTO腳引入同步脈沖信號,當(dāng)此信號產(chǎn)生中斷時(shí),即將予先算出的觸發(fā)延時(shí)值送入定時(shí)器內(nèi),待計(jì)數(shù)到時(shí)產(chǎn)生定時(shí)器中斷;相應(yīng)輸出口位置發(fā)出觸發(fā)脈沖,這樣便實(shí)現(xiàn)了可控硅的數(shù)字觸發(fā)控制。采用低價(jià)格的塑封單向可控硅其觸發(fā)靈敏度較高,用光耦代替?zhèn)鹘y(tǒng)的脈沖變壓器隔離性能好、體積小且功耗小?？煽毓栌|發(fā)電路的電源采用簡單的電阻降壓、穩(wěn)壓二極管限幅,半波整流電路直接從工頻電源獲取,這樣觸發(fā)電流回路、可控硅主回路、同步信號回路(仍由光耦取得過零信號)三者均能協(xié)調(diào)一致,大大簡化了可控硅控制電路的設(shè)計(jì),整體結(jié)構(gòu)緊湊,并便于嵌入現(xiàn)場設(shè)備中安裝,實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。
5結(jié)語
采用高性能單片機(jī)及新型邏輯電路芯片,通過精心設(shè)計(jì)測控電路,充分發(fā)揮各器件的功能,可設(shè)計(jì)出高性能價(jià)格比的新型配料控制器。由若干臺配料控制器和一臺PC機(jī)組成的分布式配料生產(chǎn)自動化系統(tǒng),具有高性能、低成本、易安裝維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。

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