礦用電子皮帶秤

　　1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　礦用電子皮帶秤設(shè)計(jì)時(shí)需要解決安全防爆、稱量精度、調(diào)零標(biāo)定效率低和防誤動作 4 種問題。根據(jù)礦井實(shí)際需求和常見電子皮帶秤的配置，本安型防爆電子秤總體框。

　　礦用電子皮帶秤主要由電阻應(yīng)變式稱重傳感器、速度傳感器、接線盒與稱重顯示儀表四大部分組成.皮帶秤稱重顯示儀表是電子皮帶秤系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件，是利用電子技術(shù)方法測量、顯示和控制物料質(zhì)量的儀表。不僅完成信號采集處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通訊等工作，還實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到井上監(jiān)控室進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)、保存和打印，具有毛重、去皮、凈重、峰值、峰谷處理等功能 。

　　礦用皮帶秤儀表內(nèi)部主要由重量采集電路、速度采集電路、單片機(jī)電路、485 通訊電路、數(shù)據(jù)存取電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路、紅外遙控電路等部分組成，完整的皮帶秤稱重顯示儀表設(shè)計(jì)框

　　2、硬件電路設(shè)計(jì)

　　1)器件選擇

　　整個儀表的控制核心是 Cortex 內(nèi)核的 STM32F103VB 單片機(jī)芯片，主要完成對各外接設(shè)備的控制.通訊方面采用的是RS-485通訊方式.這種通信接口可很方便地將許多設(shè)備組成一個控制網(wǎng)絡(luò)，由于使用了差分電平傳輸信號，具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、控制方便、 通信距離和數(shù)據(jù)傳輸率適當(dāng)?shù)忍攸c(diǎn)，很適合在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用.接口芯片為具有瞬變電壓抑制功能的差分收發(fā)器 SN75LBC184，具有比普通的 RS-485 芯片更強(qiáng)的抗雷電和承受高達(dá) 8kV 靜電放電的沖擊的能力.在一些比較惡劣的環(huán)境里， 不外加任何保護(hù)元件可直接與傳輸線相接.在總線上可以連接 64 個收發(fā)器而且可以有效扼制電磁干擾，可以滿足絕大多數(shù)礦井的要求 。儀表的紅外接收頭選用的是 TL1838A2.在 ADC 方面采用 Crystal 公司的低噪聲高集成度 CS5532 的△-∑A/D 轉(zhuǎn)換器，其性能可以達(dá)到 24 位， 適合應(yīng)用于測量稱重儀表、過程控制等領(lǐng)域 。圖形液晶顯示模塊為青云創(chuàng)新LCM192642，可以隨時(shí)調(diào)節(jié)和顯示各種參數(shù)，方便于查詢和記錄.

　　2)通訊模塊設(shè)計(jì)

　　為提高儀表的抗干擾性，單片機(jī)與 SN75LBC184 之間的隔離使用的是可控制的光電隔離器TLP521.其類型為晶體管輸出，電路之間的信號傳輸，使前端與負(fù)載完全隔離， 目的在于增加安全性，減少電路干擾并簡化電路設(shè)計(jì).DIR 管腳輸出低電平(或高電平) ，光敏三極管導(dǎo)通(或截止) ，選中RS485 芯片的 RE 端(或 DE 端) ，允許接收(或發(fā)送) .RS-485 接口芯片 SN75LBC184 的 R 端和 D 端的接收發(fā)送原理與 DIR 端相同 。

　　3)紅外設(shè)計(jì)

　　紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，應(yīng)用到儀表上能夠有效防止非工作人員對儀表進(jìn)行操作.其原理是將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再送后置放大器經(jīng)放大后用于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，具有抗干擾能力強(qiáng)，傳輸可靠，低功耗，低成本，易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn) 。紅外遙控解碼器采用的是TL1838A，能輸出具有 NEC 幀格式的高頻脈沖信號， 擁有更多的性能和更好的靈敏度.紅外遙控接收電路原理。

　　4)模擬量采集模塊設(shè)計(jì)

　　模擬量采集模塊使用斬波穩(wěn)定增益可編程儀表放大器 CS5532， 串行接口有 4 根控制線： CS (片選端) 、SDI(串行數(shù)據(jù)入端) 、SDO(串行數(shù)據(jù)出端)和 SCLK(串行移位時(shí)鐘端).CS5532的 SCLK端口、 SDI 端口、 SDO 端口分別與單片機(jī) PD1 端口、PD2 端口、PD0 端口相連接，完成輸出串行時(shí)鐘、寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的功能.CS5532 不同的字速率與增益的結(jié)合，可使其 RMS 噪聲、無噪聲分辨率以及內(nèi)部數(shù)字濾波器特性存在差異，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行匹配。

　　5)本安防爆技術(shù)應(yīng)用

　　礦用電子皮帶秤在普通電子皮帶秤的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的防爆型式，結(jié)合本安防爆技術(shù)成為適用于煤礦井下惡劣環(huán)境的一款本安計(jì)量監(jiān)測設(shè)備，能夠在有爆炸性氣體或粉塵的危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)安全工作，而不會引起爆炸危險(xiǎn)，是本安防爆技術(shù)在電子衡器稱重領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

　　礦用防爆電子皮帶秤儀表使用齊納式安全柵電路，由快速熔斷器 FU、限流電阻 R 1 和兩組齊納限壓二極管組成，見圖 4.左邊是非本安端，右邊是本安端，可以限制輸入的電能量，可防止非本安電路的危險(xiǎn)能量竄入本安電路，起到安全保護(hù)作用 [8] .該電路具有原理簡單、電路實(shí)現(xiàn)容易，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但要考慮線纜和現(xiàn)場設(shè)備的蓄能問題，注意線纜和現(xiàn)場設(shè)備容抗和感抗，而且電路要本安接地，接地電阻應(yīng)小于 1 Ω.

　　3、軟件編程

　　礦用皮帶秤系統(tǒng)應(yīng)用程序各種功能的實(shí)現(xiàn)需要通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，為提高電子皮帶秤的稱量精度，整體實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜， 編程任務(wù)量大，是電子皮帶秤實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分.由于系統(tǒng)電路涉及到許多硬件，對軟件合理運(yùn)行提出了更高的要求，需要引入一套合理的管理機(jī)制來合理的規(guī)劃和利用系統(tǒng)硬件資源，以減輕研發(fā)人員的工作量 [9] .系統(tǒng)軟件給出了主程序設(shè)計(jì)，然后針對個別模塊的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，并給出了程序的流程圖.主程序流程圖見圖 5，中斷程序子程序。

　　上位機(jī)通過 RS-232 通訊接口對井下電子皮帶秤稱重顯示儀表發(fā)送請求命令，根據(jù)上位機(jī)的具體要求，儀表識別請求命令后發(fā)送或修改相應(yīng)的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了井上監(jiān)控室對井下儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控.通訊程序流程見圖 7.CS5532 有 2 種模式：單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)選擇連續(xù)轉(zhuǎn)換工作模式.CS5532有多種字速率和增益可供選擇，為避免其 RMS 噪聲、無噪聲分辨率及相應(yīng)濾波特性存在差異，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)匹配.這里 CS5532 對通道 1進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，增益設(shè)為 32，字速率選為 50 HZ.。

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