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矿用电子皮带秤

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         矿用电子皮带秤

  1、系统总体结构设计

  矿用电子皮带秤设计时需要解决安全防爆、称量精度、调零标定效率低和防误动作 4 种问题。根据矿井实际需求和常见电子皮带秤的配置,本安型防爆电子秤总体框。

  矿用电子皮带秤主要由电阻应变式称重传感器、速度传感器、接线盒与称重显示仪表四大部分组成.皮带秤称重显示仪表是电子皮带秤系统中最为关键的部件,是利用电子技术方法测量、显示和控制物料质量的仪表。不仅完成信号采集处理、数据显示、数据通讯等工作,还实时传输数据到井上监控室进一步统计、保存和打印,具有毛重、去皮、净重、峰值、峰谷处理等功能 。

         矿用电子皮带秤

  矿用皮带秤仪表内部主要由重量采集电路、速度采集电路、单片机电路、485 通讯电路、数据存取电路、液晶显示电路、键盘输入电路、红外遥控电路等部分组成,完整的皮带秤称重显示仪表设计框图见图 2.

  2、硬件电路设计

  1)器件选择

  整个仪表的控制核心是 Cortex 内核的 STM32F103VB 单片机芯片,主要完成对各外接设备的控制.通讯方面采用的是RS-485通讯方式.这种通信接口可很方便地将许多设备组成一个控制网络,由于使用了差分电平传输信号,具有结构简单、价格低廉、控制方便、 通信距离和数据传输率适当等特点,很适合在工业环境下应用.接口芯片为具有瞬变电压抑制功能的差分收发器 SN75LBC184,具有比普通的 RS-485 芯片更强的抗雷电和承受高达 8kV 静电放电的冲击的能力.在一些比较恶劣的环境里, 不外加任何保护元件可直接与传输线相接.在总线上可以连接 64 个收发器而且可以有效扼制电磁干扰,可以满足绝大多数矿井的要求 。仪表的红外接收头选用的是 TL1838A2.在 ADC 方面采用 Crystal 公司的低噪声高集成度 CS5532 的△-∑A/D 转换器,其性能可以达到 24 位, 适合应用于测量称重仪表、过程控制等领域 。图形液晶显示模块为青云创新LCM192642,可以随时调节和显示各种参数,方便于查询和记录.

  2)通讯模块设计

  为提高仪表的抗干扰性,单片机与 SN75LBC184 之间的隔离使用的是可控制的光电隔离器TLP521.其类型为晶体管输出,电路之间的信号传输,使前端与负载完全隔离, 目的在于增加安全性,减少电路干扰并简化电路设计.DIR 管脚输出低电平(或高电平) ,光敏三极管导通(或截止) ,选中RS485 芯片的 RE 端(或 DE 端) ,允许接收(或发送) .RS-485 接口芯片 SN75LBC184 的 R 端和 D 端的接收发送原理与 DIR 端相同 。

  3)红外设计

  红外遥控是一种无线、非接触控制技术,应用到仪表上能够有效防止非工作人员对仪表进行操作.其原理是将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号,再送后置放大器经放大后用于计算机控制系统中,具有抗干扰能力强,传输可靠,低功耗,低成本,易实现等显著优点 。红外遥控解码器采用的是TL1838A,能输出具有 NEC 帧格式的高频脉冲信号, 拥有更多的性能和更好的灵敏度.红外遥控接收电路原理。

  4)模拟量采集模块设计

  模拟量采集模块使用斩波稳定增益可编程仪表放大器 CS5532, 串行接口有 4 根控制线: CS (片选端) 、SDI(串行数据入端) 、SDO(串行数据出端)和 SCLK(串行移位时钟端).CS5532的 SCLK端口、 SDI 端口、 SDO 端口分别与单片机 PD1 端口、PD2 端口、PD0 端口相连接,完成输出串行时钟、写入数据和读取数据的功能.CS5532 不同的字速率与增益的结合,可使其 RMS 噪声、无噪声分辨率以及内部数字滤波器特性存在差异,需要根据实际情况进行匹配。

  5)本安防爆技术应用

  矿用电子皮带秤在普通电子皮带秤的基础上采取相应的防爆型式,结合本安防爆技术成为适用于煤矿井下恶劣环境的一款本安计量监测设备,能够在有爆炸性气体或粉尘的危险环境内安全工作,而不会引起爆炸危险,是本安防爆技术在电子衡器称重领域的创新应用。

  矿用防爆电子皮带秤仪表使用齐纳式安全栅电路,由快速熔断器 FU、限流电阻 R 1 和两组齐纳限压二极管组成,见图 4.左边是非本安端,右边是本安端,可以限制输入的电能量,可防止非本安电路的危险能量窜入本安电路,起到安全保护作用 [8] .该电路具有原理简单、电路实现容易,价格低廉等优点,但要考虑线缆和现场设备的蓄能问题,注意线缆和现场设备容抗和感抗,而且电路要本安接地,接地电阻应小于 1 Ω.

  3、软件编程

  矿用皮带秤系统应用程序各种功能的实现需要通过软件编程来实现,为提高电子皮带秤的称量精度,整体实现非常复杂, 编程任务量大,是电子皮带秤实现的关键部分.由于系统电路涉及到许多硬件,对软件合理运行提出了更高的要求,需要引入一套合理的管理机制来合理的规划和利用系统硬件资源,以减轻研发人员的工作量 [9] .系统软件给出了主程序设计,然后针对个别模块的软件设计进行了阐述,并给出了程序的流程图.主程序流程图见图 5,中断程序子程序。

  上位机通过 RS-232 通讯接口对井下电子皮带秤称重显示仪表发送请求命令,根据上位机的具体要求,仪表识别请求命令后发送或修改相应的参数值,实现了井上监控室对井下仪表的远程监控.通讯程序流程见图 7.CS5532 有 2 种模式:单次转换和连续转换,本系统选择连续转换工作模式.CS5532有多种字速率和增益可供选择,为避免其 RMS 噪声、无噪声分辨率及相应滤波特性存在差异,需要根据实际情况进行适当匹配.这里 CS5532 对通道 1进行 A/D 转换,增益设为 32,字速率选为 50 HZ.。

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