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本文介紹電子重力式給煤機稱重系統(tǒng)的傳感器和相關(guān)電路的設(shè)計，包括：應(yīng)變片式重力傳感器，自跟蹤橋路電源，重力信號的采集、調(diào)理、放大及A/D轉(zhuǎn)換電路，ADC7705與微機的硬件接口及軟件。稱重系統(tǒng)設(shè)計的目標為確保給煤的稱重計量精度達到3‰。

電子重力式給煤機主要用于火力發(fā)電廠的供煤系統(tǒng)中,承擔向鍋爐連續(xù)、定量、均勻供煤的任務(wù)，給煤機稱重控制系統(tǒng)實現(xiàn)在運行過程中對燃煤進行精確計量，并根據(jù)人工設(shè)定值和燃燒控制系統(tǒng)的反饋信息控制給煤率，使輸送入鍋爐的燃煤與所需燃料相適應(yīng)，從而達到理想的管理效果和經(jīng)濟效益。控制器工作的基本原理是測量皮帶上單位長度的煤重q（公斤/米）和皮帶的行進速度V（米/秒），兩者相乘得出實際的給煤率。控制器不斷將實際的給煤率與設(shè)定的給煤率相比較后經(jīng)PID運算，自動調(diào)節(jié)輸送皮帶速度，達到精確的給煤率。

由此可見，燃煤的精確計量對本稱重系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用，所以，在給煤機稱重儀表系統(tǒng)中，不但對稱重傳感器本身進行精心選擇，而且還對傳感器的橋電源和A/D轉(zhuǎn)換器進行了精心設(shè)計。

1.重力式給煤機中的應(yīng)變片式稱重傳感器

稱重傳感器實際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置，它的性能在很大程度上決定了給煤機控制器的準確性和穩(wěn)定性。由于應(yīng)變片式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出精度較高、線性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用此類型號的傳感器。

金屬電阻應(yīng)變片是利用金屬電阻絲在張力作用下伸長變細、電阻增加的原理制成的。將該片貼在被測物體上，當被測物體受外力作用伸縮時，其電阻值也作相應(yīng)變化。應(yīng)變片被接成橋式電路后，應(yīng)變片電阻的變化就轉(zhuǎn)換成電壓的變化。為了增加電橋的輸出，本傳感器橋路設(shè)計成4枚應(yīng)變片都受力作用的形式。假如電橋平衡時R1=R2=R3=R4＝R時，那么橋的輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為：

ΔUo＝ΔR×Ui/R

由于電阻應(yīng)變片式傳感器受溫度影響較大，為了改善其溫度特性，傳感器中除采用本身溫度自補償應(yīng)變片外，還在不受力方向上各貼二片零點補償Rw1、Rw2和靈敏度補償片R01、R02。零點補償是在橋中接入電阻溫度系數(shù)和電橋中應(yīng)變片溫度系數(shù)相反的電阻元件，使橋路電阻溫度影響相互抵消，減少電橋零點隨溫度的變化。靈敏度補償是在對橋中串接兩個與電橋溫度系數(shù)相同的電阻，減少橋輸出電壓隨溫度的變化。

2.自跟蹤式傳感器電橋電源

由于應(yīng)變片式傳感器電橋輸出信號電壓非常小，因而要求供橋的電壓也要很穩(wěn)定，為此稱重系統(tǒng)采用對稱型，并且有良好跟蹤性能的電源。

IC1為同相放大器，把高精度穩(wěn)壓集成電路LM431輸出的2.5V基準電壓放大2倍，經(jīng)N2驅(qū)動，N1限流輸出穩(wěn)定的+5V電壓，作為橋的正電源。IC2為反相1倍放大器，把IC1輸出的+5V電壓反相，再經(jīng)P2驅(qū)動，P1限流輸出-5V電壓，作為橋的負電源。橋的正負電源電壓絕對值相等、符號相反，所以該電路有效地抑制電橋中點電壓的漂移，為傳感器提供穩(wěn)定的電源，提高了傳感器輸出信號的精度。

3．重力式給煤機稱重系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器

電阻應(yīng)變片式傳感器其輸出電壓一般為毫伏級，傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法是在A/D轉(zhuǎn)換前增加一級高精度的測量放大器，這樣就增加了成本，稱重系統(tǒng)也較為復(fù)雜。本系統(tǒng)采用AD7705作為橋路信號的調(diào)理、放大和A/D轉(zhuǎn)換電路，AD7705的2個全差分輸入通道正好滿足稱重控制系統(tǒng)使用兩個稱重傳感器測量皮帶上的重量的需要。

AD7705是ADI出品的適用于低頻測量儀器的A/D轉(zhuǎn)換器。它具有完整的模擬前端，能將從傳感器接收到的很弱的輸入信號經(jīng)信號調(diào)理、放大和A/D轉(zhuǎn)換，直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出，而無需外部儀表放大器。AD7705采用的∑-Δ的ADC，實現(xiàn)16位無誤碼的良好性能，器件還包括自校準和系統(tǒng)校準選項，以消除器件本身或稱重控制系統(tǒng)中的增益和偏移誤差。AD7705采用串行總線與微控制器或DSP系統(tǒng)連接，通過軟件編程可以對增益、信號極性、輸入通道、數(shù)據(jù)輸出更新率、數(shù)字濾波器的第一個凹口作出設(shè)置。

AD7705片內(nèi)主要包括五個寄存器它們是：通信寄存器、設(shè)置寄存器、時鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、測試寄存器。

通信寄存器，8位，管理通道選擇，決定下一個操作是讀操作還是寫操作，以及下一次讀或?qū)懩且粋€寄存器。所有與器件的通信必須從寫入通信寄存器開始。

設(shè)置寄存器，8位，決定校準模式、增益設(shè)置、單/雙極性輸入以及緩沖模式。

時鐘寄存器，8位，包括濾波器選擇位和時鐘控制位。

數(shù)據(jù)寄存器，16位，儲存了最近一次A/D采樣的轉(zhuǎn)換結(jié)果，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個寄存器讀出。

AD7705的串行接口包括5個信號：即/CS、SCLK、DIN、DOUT和/DRDY。DIN線用來向片內(nèi)寄存器傳輸數(shù)據(jù)，而DOUT線用來訪問寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時鐘輸入，所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號有關(guān)。/DRDY線作為狀態(tài)信號，以提示數(shù)據(jù)是否準備好，數(shù)據(jù)輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)字時，/DRDY變?yōu)榈碗娖?。在?shù)據(jù)輸出寄存器數(shù)據(jù)更新前，若/SRDY變?yōu)楦唠娖剑瑒t提示這個時候不讀數(shù)據(jù)，以免在寄存器更新過程中讀數(shù)據(jù)。/CS用來選擇器件。

由于7705是串行A/D，與微處理器接口十分方便。89C51集成度高、速度快，其布爾操作和對I/O口的位操作功能可以良好地和7705配合使用。給煤機稱重控制系統(tǒng)中AD7705與單片機89C51的接口電路。7705串行時鐘信號SCLK由單片機產(chǎn)生，通過P20輸出，因只用一片AD7705，使片選CS接地。同時將7705的輸出狀態(tài)/DRDY線與89C51的外中斷輸入口INT0相連，用中斷方法對/DRDY線的監(jiān)控，當數(shù)據(jù)寄存器何時被更新后，/DRDY線的下降沿產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取采樣值。

AD7705串行接口輸入/輸出還便于光電隔離，最簡單情況下，單片機可只用三個I/0口和三個光電耦合器可方便解決兩通道A/D轉(zhuǎn)換接口。

89C51與AD7705的接口

89C51單片機應(yīng)用位操作指令對A/D轉(zhuǎn)換AD7705的操作，89C51讀AD7705數(shù)據(jù)寄存器（兩字節(jié)）匯編程序如下：

RDDAT:SETBSCLK;讀AD7705數(shù)據(jù)-->DATH,DATL

RAD11:MOVR3,#10H

RAD10:CLRSCLK

SETBSCLK

MOVC,DOUT

ACALLRLD2BT;DATH,DATL兩字節(jié)左移一位

DJNZR3,RAD10

SETBSCLK

RET

RLD2BT:MOVA,DATL;DATH,DATL兩字節(jié)左移一位

RLCA

MOVDATL,A

MOVA,DATH

RLCA

MOVDATH,A

RET

89C51向AD7705寫寄存器（一字節(jié)）匯編程序如下：

WRITE:SETBSCLK;寫AD7705寄存器

MOVR1,#08H;A-->AD7705

WRTER:CLRSCLK

RLCA

MOVDIN,C

SETBSCLK

DJNZR1,WRTER

RET

對AD7705的設(shè)置寄存器、時鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器的讀/寫操作，必須首先對通信寄存器寫入相應(yīng)的代碼，指明操作對象和操作類型，然后才能對其進行操作。

系統(tǒng)上電后，CPU先通過寫入32BIT的“1”對AD7705進行軟件復(fù)位；然后對AD7705兩個通道初始化，本稱重系統(tǒng)包括：根據(jù)設(shè)計要求，寫時鐘寄存器時指明AD7705的主頻為2.4576MHZ、設(shè)置輸出更新率為50HZ；寫設(shè)置寄存器時設(shè)置增益為64，雙極性工作方式，緩沖模式及濾波同步,啟動某通道自校正后進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于兩個通道初始化程序完全一樣，只寫一個通道的初始化子程序框圖。

在INT0中斷服務(wù)程序中，讀取正在轉(zhuǎn)換通道的A/D值，多次測量數(shù)據(jù)處理后，切換啟動另一通道A/D轉(zhuǎn)換。為了增加稱重系統(tǒng)的可靠性，防止AD7705接口迷失而造成系統(tǒng)不能正常工作，程序中定時檢測是有否A/D轉(zhuǎn)換標志，如果一秒內(nèi)沒有新的A/D轉(zhuǎn)換，就軟件復(fù)位AD7705，重新初始化AD7705。

精心設(shè)計的給煤機控制器稱重系統(tǒng)已經(jīng)得到成功地應(yīng)用，保證燃煤的精確計量，使重力式給煤機在火力發(fā)電廠的供煤系統(tǒng)中,承擔向鍋爐連續(xù)、定量、均勻供煤的任務(wù)。

 

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