1總體設計思想
配料是冶金、建材、化工等行業的典型生產工藝,近年來,采用失重秤配料方式的配料係統逐漸盛行,主要是該方式較之傳統的皮帶秤配料方式具有計量準確、維護簡便的優點[1]。一般采用STD總線工控機或PC總線工控機對多台配料秤進行集中控製。由於配料生產現場往往距控製室較遠,強、弱模擬信號混雜,必須采取較完善的屏蔽抗幹擾措施才能保證係統的穩定運行。集中控製對主機及其測控電路要求較高,整個係統的通用性和靈活性較差,成本較高。實際上每台配料秤可視為一個獨立的生產單元,用單片微機就地對一台秤實施測量與控製,若幹台控製器經數字通信接口聯網組成分布式微機係統,可大大簡化線路結構,便於係統製造與安裝維護,能顯著提高係統的性能價格比和組成靈活性。
基於上述觀點,有必要研製測控一體化的配料控製器做為分布式配料自動化係統的基本單元。
根據失重秤結構原理(見圖1),由上料、稱上重、下料、稱下重4段為一個周期,循環工作,上重減下重為本次下料量。每台秤有3隻秤重傳感器及上料、下料電振機各一隻。

故控製器輸入為三路稱重傳感器,輸出為二路電振機驅動信號。所設計配料控製器由檢測變換電路、單片機數字電路、可控矽控製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、模數轉換器及橋壓電源組成,它完成三路秤重信號的檢測與轉換任務。
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隻秤重傳感器信號疊加,采用單獨放大後再做電流加法的方法,這樣不僅解決了傳感信號的並聯問題,而且可單獨調節每路增益,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)輸出經可情況(其它兩路增加僅是線性疊加,不影響分析結果)。對於第一路有:Iin=V1/Rw1,V1=(R3/R1)·△V,△V=(△R/R)·E(2)式中V1為放大器輸出電壓,R6為增益調節電阻,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成線性比例關係,與橋壓E無關,所以從理論上徹底消除了橋壓變化對測量結果的影響,同理也消除了壓頻轉換芯片基準電壓變化的影響,可大大提高電路工作的穩定性,達到用低價芯片實現高性能測量的目的。
LM331的Vr為1.9v,當傳感器和滿度頻率選定後,根據式(1)～(4),可計算出各元件的具體參數。
3單片機數字電路設計
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、抗幹擾性能較好、運行速度快,有15根可編程I/O線,2個16位定時計數器,經仔細設計可滿足配料控製器的測控要求。
為提高係統的可靠性,配上新型X25045可編程芯片。該芯片集成了看門狗定時器、電壓監視複位電路和512字節的E2PROM,與AT89C2051單片機配合可謂相得益彰,特別是用於配料控製時,E2PROM正好存儲若幹係統運行參數,如配料給定K8凯发登录入口,料鬥自重等。
3.2數字通訊接口設計
AT89C2051單片機帶有串行數據接口,必須擴展串行收發器電路。由於工業現場環境較差,因此選擇美國TI公司的抗雷擊RS-485收發器SN75LBC184,該芯片內集成有4隻瞬時過壓保護二極管,可承受功率高達400W的靜態脈衝電壓,並具有自動熱關斷和ESD保護功能。該芯片符合RS-485標準,總線可掛接64個節點,與單片僅需3線聯接。
3.3數字顯示與鍵輸入電路設計
數字顯示要求有5位數字,顯示瞬時K8凯发登录入口、累計K8凯发登录入口等參數。采用莫托羅拉公司的MC14489專用芯片,該芯片為串行輸入、動態掃描顯示方式,可直接驅動控製5個7段LED數碼管。該芯片主要特點是外接元件極少(隻有一隻電阻控製亮度),占用CPU資源少、特別適合I/O腳較少的單片機擴展數字顯示電路用。控製器設計為可單獨工作,需要參數輸入。為簡化硬件,采用軟件控製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口讀入鍵狀態即可。
4可控矽控製電路設計
失重秤有上料、下料電振機各一台,采用單相可控矽半波整流電路驅動。利用單片機的內定時器中斷和外部中斷功能可以用軟件來實現可控矽的數字觸發;其原理為在單片機INTO腳引入同步脈衝信號,當此信號產生中斷時,即將予先算出的觸發延時值送入定時器內,待計數到時產生定時器中斷;相應輸出口位置發出觸發脈衝,這樣便實現了可控矽的數字觸發控製。采用低價格的塑封單向可控矽其觸發靈敏度較高,用光耦代替傳統的脈衝變壓器隔離性能好、體積小且功耗小。可控矽觸發電路的電源采用簡單的電阻降壓、穩壓二極管限幅,半波整流電路直接從工頻電源獲取,這樣觸發電流回路、可控矽主回路、同步信號回路(仍由光耦取得過零信號)三者均能協調一致,大大簡化了可控矽控製電路的設計,整體結構緊湊,並便於嵌入現場設備中安裝,實現機電一體化。
5結語
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,充分發揮各器件的功能,可設計出高性能價格比的新型配料控製器。由若幹台配料控製器和一台PC機組成的分布式配料生產自動化係統,具有高性能、低成本、易安裝維護的優點。

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