前言

雙繩無功抓斗廣泛應(yīng)用于港口 、碼頭、車站、礦山及貨場, 在煤炭 、礦石 、沙石等散物轉(zhuǎn)運過程中, 是一種普遍采用的裝卸機械。目前較多采用皮帶秤或地中衡來間接解決抓斗的計量問題, 有些地方甚至沿用測量船舶吃水線方法來估算 。這些方法都存在著明顯的不足, 倘若能在抓斗裝卸貨物的同時自動完成稱重, 顯然是一種可取的方法, 但它工作環(huán)境差, 作業(yè)時抓斗擺動大, 需要 2 只力傳感器, 還要抗強沖擊力等問題給設(shè)計帶來困難, 本文采用多微處理器技術(shù)和動態(tài)稱重算法研制了一種新型實用的無線動態(tài)稱重儀, 取得了良好的效果。

2 硬件電路框圖和功能

根據(jù)雙繩無功抓斗裝卸機械的結(jié)構(gòu), 無線動態(tài)抓斗秤設(shè)計成兩部分:前端的數(shù)據(jù)采集裝置和后臺的數(shù)據(jù)接收及智能儀表。數(shù)據(jù)采集裝置有 2 個, 分別安裝在固定抓斗的每根繩索處, 用于采集各自繩索的受力情況;數(shù)據(jù)接收及智能儀表安裝在操作室內(nèi), 以便操作者監(jiān)視和人機對話。兩者間距離遠,且抓斗機械臂前后伸縮、左右移動范圍大, 采用FSK 無線通訊方式。

( 1) 數(shù)據(jù)采集裝置

為防止抓斗裝載貨物時產(chǎn)生的沖擊力和塵埃, 數(shù)據(jù)采集裝置必須有抗震措施、密封性好、功耗低, 能自動開關(guān)電源。電路框圖如圖 1 所示, 主要包括力傳感器和模擬電路、AD 轉(zhuǎn)換器和CPU 以及 FSK 調(diào)制和發(fā)送三部分。

力傳感器和模擬電路, DS -3t 力傳感器在 +5V 電源下輸出 0 ～ 1mV 模擬信號, 經(jīng) AD620 儀表放大器放大 100 倍后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器和喚醒電路。喚醒電路由比較器和單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成, 用于產(chǎn)生 CPU 的復(fù)位信號 RST 。另外, 電源由蓄電池供電, 采用具有低壓檢測功能的低壓差線性調(diào)壓器 MAX883 。AD 轉(zhuǎn)換器和 CPU, 根據(jù)計量精度的要求, AD7710 模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部編程設(shè)置為 :分辨率 16Bit, 內(nèi)部放大 2 倍, 低通濾波器的截止頻率 80Hz, 并選擇偏置標定方式以消除力傳感器、AD620 及 AD7710 所造成的零點誤差, 轉(zhuǎn)換結(jié)果通過 SPI 接口以中斷方式 、串行輸出給CPU, CPU 將數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理, 采用串行口方式 3, 以 1200bps 發(fā)送給調(diào)制解調(diào)器, 每個數(shù)據(jù)的傳送包括 3 幀內(nèi)容:1 幀控制字, 2 幀數(shù)據(jù), 控制字和數(shù)據(jù)通過方式 3 中的可編程位 TB8 來 區(qū)分, “1”表示控制字, “0”表示數(shù)據(jù) 。FSK 調(diào)制和發(fā)射, 調(diào)制解調(diào)器 M SM 7512 將CPU 送來的串行數(shù)據(jù)調(diào)制成 FSK 信號, 由無線發(fā)送模塊以 94.5M Hz 的頻率發(fā)射出去, 考慮到功耗采用單工同步發(fā)射。

主要功能有:

①信號放大和采集。

②零點自動校正 。

③數(shù)據(jù)預(yù)濾波和 FSK 調(diào)制發(fā)射 。

④工作模式識別以及欠壓, 超載等報警。

( 2) 數(shù)據(jù)接收和智能儀表

前端兩個數(shù)據(jù)采集裝置異步地向后臺不斷發(fā)射數(shù)據(jù), 為了能有效地進行數(shù)據(jù)接收、FSK解調(diào)和處理, 采用獨立的兩套數(shù)據(jù)接收和處理模塊, 將處理結(jié)果經(jīng) 8155 接 口 芯 片 輸 出 給 主 CPU3, 它們之間的數(shù)據(jù) 通訊采用查詢方式, 。 其 中 另 一 片8155 芯片作鍵盤和打印 機接 口, 顯 示 接 口 由 CPU3 P1 口的 3 根 I/O 線分別作數(shù)據(jù) 、消隱和串 行時鐘, 數(shù)據(jù)存儲器采用 EEPROM 芯片, 并可保存三天的數(shù)據(jù), 留出 CPU3 的串行口用于 以后擴展 。主要功能有:

①數(shù)據(jù)的接收和 FSK 解調(diào) 。

②數(shù)據(jù)校驗 、濾波、非線性補償及動態(tài)稱重計算。

③數(shù)據(jù)顯示 、打印、存儲和報警 。

④鍵處理, 包括日期設(shè)定 、去皮 、置零、清除、查詢和累計等。

3 動態(tài)稱重算法

在動態(tài)條件下, 由于抓斗提取時的振動, 運動過程中的擺動, 鏈鉤上下的沖擊, 電氣設(shè)備的啟停等多種原因都將帶來干擾, 稱重信號實際上是在被稱貨物重量信號上迭加了一個交變諧波干擾信號, 且振幅較大, 如何消除或減少振動的干擾是解決問題的關(guān)鍵, 動態(tài)信號的 處理方法有多種[ 1 ～ 4] , 在動態(tài)干擾不大或準確度要求不高時, 可以采用多次采樣取平均值, 但在動態(tài)干擾大, 而且準確度要求高時, 必須采用更好的處理方法。 根據(jù)實驗結(jié)果, DS 力傳感器的輸出信號如圖 3 所示, t0 ～ t1 空秤零點階段, t1 ～ t2 逐漸上秤階段, t 2 ～ t 3 上秤平移階段, t3 ～ t4 卸物后返回階段, t4 以后為第二 輪上秤開始階段 。動態(tài)稱重算法是在 u( t) 中自動識別出抓斗 t2 ～ t 3 的稱重階段, 采用多次 采用取加權(quán)平均值, 并以適當?shù)男Ｕ椒ǐ@取被稱貨物的重量。

首先對 u( t) 信號作快速采樣, 中位值濾波得到有效測量數(shù)據(jù) u( k) , 即連續(xù)采樣 m 次( m ≥3) , 并從大到小順序排列, 從首尾各舍掉 1/3 個大數(shù)和小數(shù), 再將剩余的 1/3 個大小居中 的數(shù)據(jù)進行平均 。然后對 u( t) 的 n 次測量值 u( k -n +1) , u( k -n +2) , …, u( k) , 采用增加 一個新數(shù)據(jù)u( k) , 去掉一個老數(shù)據(jù)u( k -n) , 再進行平均的移動加權(quán)平均值濾波得到n 時刻 u( t) 信號的輸出 U— ( k) , 即 圖 3 傳感器的輸出信號 U— ( k) =∑n -1 i=0Ai ×u( k -i) , k =0, 1, 2 … ( 1) 式中 Ai 為權(quán)系數(shù), 且 ∑n -1 i =0Ai =1 。 后將 U— ( k) 轉(zhuǎn)換為重量值 M ( k) , 即 M ( k) =K1K2U— ( k) ( 2) 式中 K1 —質(zhì)量/電壓轉(zhuǎn)換系數(shù);K2 —校 正系數(shù)。 兩只傳感器的M ( k) 之和就等于此時所稱的 貨物重量, 當檢測到已卸下貨物, 再將上秤平移 階段所得到的貨物重量再作一次中位值濾波可獲得較高的測量準確度。 濾波點數(shù)主要取決于干擾程度和系統(tǒng)的靈敏度, 從調(diào)試看, 前端數(shù)據(jù)采集裝置采用 5 點 中位置濾波;稱重階段采用 16 點加權(quán)移動取平均值平滑度較好, 但靈敏度不夠, 倘若在 獲得的數(shù)據(jù) u( k +1) 與上一時刻值 U— ( k) 比較相差大于 0.05( 由精度確定) 時, 就用 u( k +1) 去刷新 u( k) 至 u( k -15) 的 16 個數(shù)據(jù)就能獲得滿意的動態(tài)性能。

另外, 采樣率是一個重要的參數(shù), 它主要由干擾信號和動態(tài)性能決定, 但受發(fā)射速率的限制,

據(jù)調(diào)試結(jié)果, 可根據(jù)主要干擾脈沖的周期和數(shù)字濾波器的點數(shù)來選取, 一般應(yīng)大于50Hz。

軟件設(shè)計

由于整個系統(tǒng)采用多 CPU 結(jié)構(gòu), 編制程序較多, 限于篇幅僅介紹其中的部分程序設(shè)計。數(shù)據(jù)采集裝置中的 CPU 有兩種低功耗模式:省電模式和閑置模式。省電模式下 CPU可以由內(nèi)、外中斷激活, 閑置模式僅由復(fù)位信號 RST 激活, 其軟件的設(shè)計除完成數(shù)據(jù)的讀入、處理和發(fā)射外, 應(yīng)結(jié)合硬件使整個數(shù)據(jù)采集裝置的功耗降至更低 。因此 CPU 與外界的 聯(lián)系都采用中斷方式而使其在大部分時間處于省電模式, 一旦識別出抓斗停止工作就切斷 發(fā)射模塊電源, 置AD7710 和 MSM7512 為低功耗, CPU 進入閑置模式使其處于待機狀態(tài)等,待下次喚醒, 智 能 儀 表 中 CPU1 和 CPU2 的程序除傳感器的校正參數(shù)不同外基本一樣, 主要做數(shù)據(jù)的接收和有關(guān)動態(tài)算法上的多字節(jié)乘除運算及與 CPU3的接口程 序, 其中接收端只有在收到控制字后, 方能接收后面緊隨的2 幀數(shù)據(jù), 否則認為 是無效數(shù)據(jù).CPU3 的主程序做鍵處理以及數(shù)據(jù)的存儲和故障報警, 每隔 0.5 秒由 T0 定時中斷從數(shù)據(jù)接收模塊中讀取每只傳感器的處理結(jié)果, 并計算出此時抓斗所抓貨物的重量, T0 中 斷程序框圖所示 。

結(jié) 語

本文從硬件 、軟件和動態(tài)算法三方面介紹了無線動態(tài)抓斗秤的設(shè)計, 經(jīng)實驗調(diào)試, 具有準確度高、穩(wěn)定性好, 便于安裝 、使用和維護 。既可在線動態(tài)稱重, 也可用于靜態(tài)計量, 提高了工作效率, 減輕了勞動強度, 減少計量異議, 方便生產(chǎn)計量統(tǒng)計 。其主要性能指標有:

( 1) 大稱量 5t, 包括抓斗自重 。

( 2) 分度值 2kg 。

( 3) 準確度 :靜態(tài) <0.1/100, 動態(tài)<2/100

( 4) 輸出方式:LED 顯示和打印制表 。

( 5) 其它:數(shù)據(jù)采集裝置需 +6V 蓄電池供電, 平均功耗 30mW ;采樣頻率 80Hz 。

在建立了高精度 、寬范圍熱力參數(shù)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上, 結(jié)合單片機運算速度快 、指令豐 

富和多功能等優(yōu)點, 研制的智能化熱力參數(shù)測量儀實現(xiàn)了熱力參數(shù)的智能化快速檢測。儀

器小巧輕便、反應(yīng)靈敏、安裝方便、通用性強, 評為新產(chǎn)品和國家重點推廣產(chǎn)品, 可望成為熱力系統(tǒng)的更新?lián)Q代設(shè)備 。