基于嵌入式微處理的重錘式物位測量系統(tǒng)

0電容式物位測量儀表由于木制木片倉、水泥儲存罐和糧食倉庫的料位，且材料位置平坦，因此木片倉的料位很高。例如，木片倉的料位高度通常為40.60m，因此很難測量材料位置。超聲物位測量依賴于聲脈沖回波幅度,若回波信號不良,測量難以實現(xiàn),比較適合于液位測量。電容式物位測量儀表,通常用于導電介質的物位測量,然而,木片倉中的木片不勻,介電常數(shù)不一,影響因素多,利用電容式物位儀表進行測量效果不佳?；诤芍貍鞲衅鞯牧蟼}物位測量裝置,在料倉相對獨立時,效果較好。若料倉與其他設備有連接,則對測量結果影響很大。例如某造紙廠中的木片倉原采用荷重傳感器測量料位,在底部設有應變片傳感器,但由于木片倉后來裝有螺旋輸送裝置,且有很多管道相連,致使測量誤差加大,無法使用。測量系統(tǒng)未改造前,操作人員經(jīng)常采用重錘,人工在木片倉頂部探測物位,勞動強度高,效率低,且不便于自動控制。由此根據(jù)用戶要求,設計了基于嵌入式混合信號微處理器C8051F350的重錘式物位測量系統(tǒng)。1倉頂部行程開關點如圖1所示,測量系統(tǒng)包括同步電機、旋轉編碼器、繩輪組、重錘、支架等機械部分和微處理器測量部分組成。測量時,重錘在料倉頂部行程開關處(原點),在微處理器控制下,由同步電機驅動做周期性的上下往復運動。重錘下降時,微處理器檢測測重傳感器輸出的繩線張力信號大小,并記錄旋轉編碼器A脈沖的數(shù)量,當張力傳感器信號由大到小,超過規(guī)定閾值時,記下A脈沖的總數(shù),根據(jù)脈沖當量,即可計算出料位的高度。然后,同步電機反轉,重錘重新升至料倉頂部行程開關原點處,至下次循環(huán)測量周期。1.1旋轉編碼脈沖參數(shù)設置同步電機和步進電機相比,結構簡單,價格低廉,不需要專用驅動器。與旋轉編碼器結合起來能滿足測量要求。故選用同步電機。選用的同步電機轉速為nM=50rad/m,繩輪直徑d=80mm,旋轉編碼器每一轉A脈沖的個數(shù)為100.則脈沖當量為δ=πd/100=2.513mm(1)盡管計算的脈沖當量較小,但由于重錘接觸物料出現(xiàn)較小傾斜和繩線偏移,實際測試誤差在50mm左右。為使繩輪機構將繩線均勻纏繞在繩輪上,采取螺母絲杠同步機構,讓鋼絲繩通過絲杠螺母中的導孔后,纏繞在繩輪上。1.2脈沖h設被測料倉高為H,重錘移動距離為l,則料位高度為h=H-l(2)設在重錘在下降過程中A脈沖的總數(shù)為nA,根據(jù)脈沖當量δ,可知料位高度為h=H-nAδ(3)1.3測量周期計算重錘上升下降移動的最大距離為2H,若無停歇測量,其測量周期T為T=2H/(πdnM/60)(4)如料倉高40m,可計算出測量周期T約為6min.1.4旋轉編碼器信號重錘式物位測量系統(tǒng)應有以下輸入量:測重傳感器的繩線張力信號,模擬量;行程開關觸點信號,開關量;旋轉編碼器的Z、A脈沖和方向判別信號,開關量。輸出量為同步電機驅動控制信號,開關量。另外,測量系統(tǒng)采用三線串行接口DM12864M圖形點陣液晶,顯示料位高度、繩線張力、工作情況(上升、下降或停止)及出錯報警信息。并通過5個按鍵進行參數(shù)設置和其他操作。2模/數(shù)轉換電路采用C8051F350作為微處理器。C8051F350是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MPU.片上帶有24位Sigma-Delta模/數(shù)轉換器(ADC),包含可編程增益放大器和抽取濾波器,在較強干擾的工作環(huán)境,其A/D仍可精確地進行轉換。省卻片外A/D轉換器,簡化了外圍接口電路,降低產(chǎn)品成本。8KB在片F(xiàn)LASH存儲器,既可作為程序存儲,也可作現(xiàn)場參數(shù)的設置存儲。由此設計的重錘式物位測量系統(tǒng)電路原理如圖2所示。2.1重錘接觸的檢測測重傳感器稱重范圍為50N,DC4～20mA輸出。重錘質量為1.5kg,由于測重傳感器與定滑輪相連,則其感受的繩線的張力為其2倍,即3kg.繩線鋼絲繩直徑Φ=1mm,若考慮繩線質量,設測量總高度為l=40m時,則繩索為其2倍長,即80m.則繩線產(chǎn)生的質量為wg=2l(d2)2π×7.8×103=0.49wg=2l(d2)2π×7.8×103=0.49kg(1)工作中,重錘由同步電機帶動,勻速上升下降,傳感器的最大受力為38.22N.當重錘接觸物料,其重量被物料支承,測重傳感器此時僅受繩線重量,即4.082N,所以容易判別重錘是否接觸料位面。傳感器接口電路如圖3所示。由于測重傳感器輸出DC4～20mA的電流環(huán),其接口電路只需將電流變換為電壓信號,然后進行適當放大即可。因C8051F350內有2.5V參考電壓,所以采用R1(125Ω)電阻直接與傳感器信號相連,當信號滿度為20mA時,其電壓等于參考電壓,可以獲得最大的分辨率。后經(jīng)R2C1組成的阻容濾波,將信號送至由OP07形成的電壓跟隨器至MPU的A/D轉換器進行采樣。2.2同步電機驅動同步電機相對步進電機價格低廉,且不需要專用的驅動器。在電路中,使用MPU的2個輸出引腳,分別作為同步電機正轉和反轉驅動引腳,通過過零觸發(fā)光耦觸發(fā)可控硅,驅動同步電機轉動。驅動接口電路如圖4所示。2.3旋轉編碼器的信號旋轉編碼器的信號輸出形式為集電極開路輸出,為了減少干擾,采用光電隔離電路將信號引入MPU.其中采用了D觸發(fā)器作為方向判別電路。電路中的標號RZ、RA和RB分別為旋轉編碼器的Z、A和B脈沖的輸入信號。行程開關接口電路同樣也采用圖5的光電隔離電路。Z(RZO)脈沖采用中斷INT0引入信號,A脈沖信號接中斷INT1引腳。行程開關觸點信號接P0.3,利用定時器Timer2定時讀取,判斷重錘是否接近料倉頂部原點處。3系統(tǒng)程序的實現(xiàn)重錘式物位測量系統(tǒng)軟件負責各單元功能模塊的控制,實現(xiàn)數(shù)值標定,如繩輪直徑和測量循環(huán)周期的設定以及測量數(shù)據(jù)的實時顯示等功能。程序完成初始化設置以后,首先判斷重錘是否在料倉頂部行程開關原點處,否則,重錘上升至原點處。然后讀取工作狀態(tài):停止、手動或自動狀態(tài)。若無按鍵操作,系統(tǒng)根據(jù)存儲中的狀態(tài)