物位檢測是參數檢測技術中的重要部分之一,基於荷重傳感器的料倉物位測量裝置利用了電子秤的原理, 將物料的重量轉化成高度, 係統采用了性能穩定的應變電阻片作為傳感器, 將位移信號轉化為電阻信號, 再通過精確度極高的錳銅電阻和精密電壓源轉化為電壓信號, 送入單片機進行處理後得到料倉中物料的準確高度。具體設計如下: ① 采用三個荷重傳感器, 進行三路采樣輸入, 以保證較高的測量精度。② 采用專用鍵盤設定報警值、 密度值, 以及查看當前參數。③ 設置上、下限報警、 域值、 料倉物料的密度值, 運行中通過鍵盤進行設定和修改、 查看等操作。④ 料位測量範圍為 0~ 5 m, 對應的重量變化範圍為 0~ 5 000 kg 之間。

1  係統硬件設計

係統硬件部分主要包括荷重傳感器檢測電路、A/ D 轉換采樣電路、 數據顯示電路、 E 2 PROM 掉電保護電路、 LED 狀態指示及聲光報警電路、 D/ A 轉換電路、 鍵盤電路等。

係統單片機采用 89C51, 該芯片內含 4 K 的程序存儲器, 不需再進行程序存儲器的擴展; A/ D 轉換器采用 ADC7933, 它是 ANALOG DEVICE 公司製造的四通道並行 10 bit A/ D 轉換器, 具有轉換速度快, 運算精度高、 功耗小, 噪聲低等優點, 比較適合多路采樣係統; 係統中有一些參數需要通過鍵盤來輸入和保存, 如: 上、 下限報警值、 料倉物料密度值、標定值等, 這些參數都需要提供掉電保護, 用以保證再次開機時使用相同的參數, 因此就需要有掉電保護電路, 可選用常見的93C46 芯片來保存參數; 係統的 D/ A 轉換器采用美國國家半導體公司生產的10 位 D/ A 轉換芯片 DAC1020 , 因其內部沒有輸入寄存器, 所以須增設鎖存器才能與89C51 接口, 由於 89C51 字長為 8 位, 所以必須分兩次操作才能把一個 10 位 數 據 送 入 DAC1020 內 進 行 轉 換。DAC1020 的輸出經運算放大器和複合三級管放大轉換成 4~ 20 mA. DC 輸出; 串行輸出采用 RS232C串口通信標準, 由於 89C51 的串行通訊接口 TXD( P3. 1) 輸出電平為 T TL 電平, 所以必須通過 1488電平轉換芯片進行 TT L ) RS232 標準電壓轉換, 才能直接與串口設備相連, 波特率選擇為 9 600/ s, 單片機工作於工作方式 2, 1 位起始位, 8 位數據位, 1位奇偶校驗位, 1 位停止位, 每包 2 個物位數據, 高位在前, 低位在後, 其它電路的設計比較常見, 讀者可參考相關資料。

2  物位檢測原理與數據處理係統

2. 1  荷重傳感器

荷重傳感器由電阻應變片組成, 當應變電阻片受力時, 其電阻值在一定範圍之間變化, 且位移隨著電阻值的變化而變化, 表 1 為一組實測的應變電阻片位移與應變電阻之間的特性參數, 由圖可見, 應變電阻片為非線性特性。為了提高測量精度, 該裝置中使用了三個傳感器, 分別安裝在料倉同一平麵上的三個對稱位置, 料倉由承重彈簧支撐, 傳感器安裝在承重彈簧中間, 料倉的物位變化時承重彈簧產生相應的位移, 傳感器的電阻發生變化, 這樣在料倉中每一側的物料重量都可均勻計算在整個料倉的物料重量中。
 

2. 2  檢測電路

荷重傳感器的檢測電路由 3 個應變電阻片R 1 . 、 R 2 . 、 R 3 . 和錳銅電阻 R 1 、 R 2 、 R 3 , 調滿度電位器W 1 、 W 2 、 W 3 , 調零電位器 W 4 、 W 5 、 W 6 和運放 A 1 、A 2 、 A 3 等組成的 3 組檢測電路組成。3 組電路的編號分別為 1、 2、 3。料倉料位從最低變到最高時, R ₁ . 、 R ₂ . 、 R ₃ . 從 3. 57 kΩ 變到 120 kΩ, 裝置使用前, 通過調滿度電位器 W ₁ 、 W ₂ 、 W ₃ 和調零點電位器 W ₄ 、 W ₅ 、 W ₆ 分別對 3 個檢測電路進行量程和零點調整。

2. 3  檢測電路的信號處理

放大器 A 1 、 A 2 、 A 3 的放大倍數均為 1, 對於放大電路 1 有:
 

式中: R ₁’——為應變電阻阻值, 其變化範圍為 3. 57kΩ 變到 120 kΩ;

R ₁—— 為分壓電阻, 其值第 1 路檢測電路中的 R ₁ + W ₁ , R ₁ 為錳銅電阻。

放大器 A ₁ 輸入信號的上限值為 5 V, 因此, 當料倉料位在上限值時, 應變電阻片的阻值為 120kΩ, 此時 R 1 的阻值可由下式:
   同理, 對於放大電路 2 和 3 有:

R ₂ = R ₃ = 168 kΩ

由此, 即可獲得每個傳感器所對應的料倉重量的電壓信號, 將這 3 個電壓信號求和, 即可獲得料倉總的重量, 再根據物料的比重即可換算出料倉的物位。對於第 1路檢測電路, 可由式(1)和表 1得出輸出電壓 U 01 和應變片位移之間的關係。 輸出電壓與位移即料倉料位之間非線性關係, 為了提高測量精度, 需進行非線性處理。
       此采用分段線性化法進行非線性處理, 將分為 4 段, 分別為 1、 2、 3、 4 段, 按最大測量重量5000 kg 計算, 分段點分別為 0 kg、 1 000 kg、 2 300kg、 3 600 kg、 5 000 kg, 在分段點之間用直線代替原有特性曲線, 對料倉料位進行計算。具體做法是, 在裝置使用前分別在分段點上對裝置進行標定, 可獲得分段點 0 kg、 1 000 kg、 2 300 kg、 3 600kg、 5 000 kg 對應的輸出電壓分別為 V 0 、 V 1 、 V 2 、V 3 、 V 4 , 由此可算出各段直線的斜率K, 以第 2 段為例, 其斜率為:
    當料倉重量 x 在 1 000~ 2 300 kg 之間時, 測量電路的輸出電壓為:

V ₀₁ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

同樣, 可算出另外 2 路測量電路當料倉重量 x 在1 000~ 2 300 kg 之間時的輸出電壓 V ₀₂ 、 V ₀₃ :

V ₀₂ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

V ₀₃ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

用同樣的方法, 可求出在其他各段的測量電路的輸出電壓。這樣就完成了對特性曲線的線性化處理。標定工作完成後, 專用計算機將標定後得到的數據K ₁ 、K ₂ 、 K ₃ 、 K ₄ 、 V ₀ 、 V ₁ 、 V ₂ 、 V ₃ 、 V ₄ 存入 E ² PROM或計算機硬盤中, 以備其它程序使用。增加分段數可進一步提高測量精度。

2. 4  數據采集與處理係統

數據采集與處理係統單元由 A/ D 轉換、 專用計算機組成。係統每次執行采樣操作, AD轉換器對 3路測量電路依次采樣, 每一路均采樣 4 次, 然後計算平均值( 數字濾波) , 並將結果存儲在相應內存中, 設3 路數字濾波後的采樣電壓為 U 1 , U 2 , U 3 , 每次三路采樣完畢後均先計算三路采樣電壓平均值 U, 由軟件先判斷 U 的分段區間, 從而用該段對應的 K i 值計算料倉的重量G, 即:
   

式中: U _{i- 1} ——標定點對應電壓值, i= 1, 2, 3, 4;

G _{i- 1}—— 標定點上的重量值, i= 1, 2, 3, 4,

以重量變化範圍 0~ 5 000 kg 之間為例, 對應的重量值為: 0 kg、 1 000 kg、 2 300 kg、 3 600 kg、 5 000kg。這樣, 可得出的重量值 G, 再根據料倉的形狀,由程序換算出對應的料位高度。

3  係統軟件設計

軟件設計采用模塊化結構, 主要由初始化程序、中斷采樣程序、 數據存儲程序、 數據處理子程序、 報警程序子程序、 顯示程序子程序、 LED 指示燈處理程子程序、 串行輸出子程序、 DA 模擬信號輸出子程序、鍵盤掃描及鍵處理子程序等組成, 在此不在贅述。

4  誤差分析

該裝置的誤差主要有以下幾個方麵:

① 曲線擬合誤差。經測量計算, 曲線擬合誤差為 σ₁ = 1. 33%。② A/ D 轉換器的轉換誤差。采用10 bitA/ D 轉換器, 其轉換誤差為: σ₂ = 1/ 1024·2=0. 05%。③ 數據處理程序的舍入誤差。舍入誤差為: σ₃ = 0. 005/ 5= 0. 001%。

經分析, 以上三個誤差可以認為是互不相關的,因此, 該裝置的總的不確定度可由下式給出:
    

5  結  論

綜上所述, 采用荷重傳感器通過測量料倉重量求出料倉物位, 在對料倉物位檢測過程中, 采用分段線性化法進行非線性處理, 提高了測量精度, 利用該設計, 可以設計出測量精度較高、 結構合理、 功能齊全的物位測量裝置, 在實際應用中有較高的實用價值。

參考文獻:

[ 1]  胡漢才. 單片機原理及其接口技術( 第 2 版) [ M] . 清華大學出版社, 2005.

[ 2]  李華. MCS -51 係列單片機實用接口技術[ M] . 北京航空航天大學出版社, 2003.

[ 3]  AD7933/ 7934 ANALOG DEVICE[ S]1 DAT ASHEET.

[ 4]  吳勤勤. 控製儀表及裝置[ M ] . 化學工業出版社, 2001.

[ 5]  餘發山. 單片機原理及應用技術[ M] . 中國礦業大學出版社.

[ 6]  陳偉人. MCS -51 係列單片機實用子程序集錦[ M] . 清華大學出版社, 2003.

[ 7]  張載鴻. 微型機( PC 係列) 接口控製教程[ M] . 清華大學出版社, 1992 .

[ 8]  李錫雄, 陳婉兒. 微型計算機控製技術[ M] . 科學出版社, 1999.

[ 9]  倪遠平, 羅毅平. 計算機控製技術[ M] . 重慶大學出版社, 1997.

[ 10]  徐愛鈞. 智能化測量控製儀表原理與設計[ M] . 北京航空航天大學出版社, 1995.

[ 11]  駱德漢. 智能化儀表鍵盤/ 顯示器設計技術[ J] . 自動化與儀表, 1990, 3.

[ 12]  李友善. 自動控製理論[ M ] . 國防工業出版社 1984.

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