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1總體設計思想
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量準確、維護簡便的優(yōu)點[1]。一般采用STD總線工控機或PC總線工控機對多臺配料秤進行集中控制。由于配料生產(chǎn)現(xiàn)場往往距控制室較遠,強、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)定運行。集中控制對主機及其測控電路要求較高,整個系統(tǒng)的通用性和靈活性較差,成本較高。實際上每臺配料秤可視為一個獨立的生產(chǎn)單元,用單片微機就地對一臺秤實施測量與控制,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,能顯著提高系統(tǒng)的性能價格比和組成靈活性。
基于上述觀點,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,輸出為二路電振機驅(qū)動信號。所設計配料控制器由檢測變換電路、單片機數(shù)字電路、可控硅控制電路及電源電路四大部分組成。
2檢測變換電路設計
檢測變換電路設計由稱重傳感器、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。
2.1稱重傳感器與放大電路設計
采用高精度S型電阻應變式拉力傳感器,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,而且可單獨調(diào)節(jié)每路增益,以補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)換芯片基準電壓變化的影響,可大大提高電路工作的穩(wěn)定性,達到用低價芯片實現(xiàn)高性能測量的目的。
LM331的Vr為1.9v,當傳感器和滿度頻率選定后,根據(jù)式(1)～(4),可計算出各元件的具體參數(shù)。
3單片機數(shù)字電路設計
3.1單片機的選擇
采用ATMEL公司推出的高性能單片機AT89C2051,該機體積小、抗干擾性能較好、運行速度快,有15根可編程I/O線,2個16位定時計數(shù)器,經(jīng)仔細設計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器、電壓監(jiān)視復位電路和512字節(jié)的E2PROM,與AT89C2051單片機配合可謂相得益彰,特別是用于配料控制時,E2PROM正好存儲若干系統(tǒng)運行參數(shù),如配料給定流量,料斗自重等。
3.2數(shù)字通訊接口設計
AT89C2051單片機帶有串行數(shù)據(jù)接口,必須擴展串行收發(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只瞬時過壓保護二極管,可承受功率高達400W的靜態(tài)脈沖電壓,并具有自動熱關(guān)斷和ESD保護功能。該芯片符合RS-485標準,總線可掛接64個節(jié)點,與單片僅需3線聯(lián)接。
3.3數(shù)字顯示與鍵輸入電路設計
數(shù)字顯示要求有5位數(shù)字,顯示瞬時流量、累計流量等參數(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7段LED數(shù)碼管。該芯片主要特點是外接元件極少(只有一只電阻控制亮度),占用CPU資源少、特別適合I/O腳較少的單片機擴展數(shù)字顯示電路用?？刂破髟O計為可單獨工作,需要參數(shù)輸入。為簡化硬件,采用軟件控制人機對話或輸入方式,僅需3鍵(AN1加鍵、AN2減鍵、AN3模式鍵)由單片機I/O口讀入鍵狀態(tài)即可。
4可控硅控制電路設計
失重秤有上料、下料電振機各一臺,采用單相可控硅半波整流電路驅(qū)動。利用單片機的內(nèi)定時器中斷和外部中斷功能可以用軟件來實現(xiàn)可控硅的數(shù)字觸發(fā);其原理為在單片機INTO腳引入同步脈沖信號,當此信號產(chǎn)生中斷時,即將予先算出的觸發(fā)延時值送入定時器內(nèi),待計數(shù)到時產(chǎn)生定時器中斷;相應輸出口位置發(fā)出觸發(fā)脈沖,這樣便實現(xiàn)了可控硅的數(shù)字觸發(fā)控制。采用低價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。可控硅觸發(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計,整體結(jié)構(gòu)緊湊,并便于嵌入現(xiàn)場設備中安裝,實現(xiàn)機電一體化。
5結(jié)語
采用高性能單片機及新型邏輯電路芯片,通過精心設計測控電路,充分發(fā)揮各器件的功能,可設計出高性能價格比的新型配料控制器。由若干臺配料控制器和一臺PC機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、易安裝維護的優(yōu)點。

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