【正文】 域。 本系統(tǒng)采用創(chuàng)捷 PQ20系列外置式 ProfibusDP從站橋接模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線接口擴(kuò)展，該模塊提供用戶利用 RS232/RS485串行通訊端口和 Profibus總線系統(tǒng)通訊功能的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)關(guān)設(shè)備。單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)將在下一章中詳細(xì)闡述 。 C語(yǔ)言在功能上、可讀性、可維護(hù)性、結(jié)構(gòu)性上都明顯優(yōu)于匯編語(yǔ)言，因而易學(xué)易用。 單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)主要功能，將系統(tǒng)軟件分為 4個(gè)主要功能模塊：主程序模塊、 AD7730轉(zhuǎn)換模塊、脈沖計(jì) 數(shù)模塊及串行通信模塊。系統(tǒng)的上位機(jī)軟件功能全面，用戶可以直觀的獲取計(jì)量信息，也可對(duì)當(dāng)前計(jì)量狀態(tài)做全面評(píng)估，杜絕了計(jì)量中的不真實(shí)現(xiàn)象。除了支持 C51語(yǔ)言外，它也可以直接進(jìn)行匯編語(yǔ)言的設(shè)計(jì)與編譯。對(duì)于C51語(yǔ)言的開發(fā)，目前有很多成熟的開發(fā)環(huán)境，本系統(tǒng)采用 Keil C51 集成開發(fā)環(huán)境。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 27 本章小結(jié) 本章對(duì)傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹，主要包括單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇，數(shù)據(jù)采集電路和通信接口的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)總線接口的擴(kuò)展。每一個(gè)線段可以連入的最大設(shè)備數(shù)目為 32，每個(gè)線段的最大長(zhǎng)度為 1200米。我國(guó)的相應(yīng)組織 PROFIBUS 專業(yè)委員會(huì) CPO（ Chinese Profibus User Organization）成立于 1997年，下設(shè)的“ PROFIBUS產(chǎn)品演示及認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室”和“ PROFIBUS 技術(shù) 中心”負(fù)責(zé)產(chǎn)品認(rèn)證和技術(shù)支持。 A、 B 兩相信號(hào)的脈沖表示碼盤軸所轉(zhuǎn)的角度，當(dāng) A相超前 B相 90o時(shí)表示碼盤正轉(zhuǎn)，當(dāng) B相超前 A相 90o時(shí)表示碼盤反轉(zhuǎn)。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 25 通過 ISP技術(shù)，電路板上空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，即使將芯片焊接在電路板上，只要留出和上位機(jī)接口的這個(gè)串口，就可以實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部?jī)?chǔ)存器的改寫，而無(wú)需再取下芯片。圖中 J1 為標(biāo)準(zhǔn) RS232C 總線 9針插頭。 RS232C規(guī)定的邏輯電平電壓范圍與 CMOS和 TTL電平不同，規(guī)定在 +3~+l5V之間為邏輯電平“ 0”， 3V~15V之間為邏輯電平“ 1”。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 23 串行通信又分為同步通信和異步通信兩種方式。當(dāng)加在 RDY引腳上的電壓為低電平時(shí)，單片機(jī)可讀取 AD7730數(shù)據(jù)寄存器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。當(dāng)加在 AD7730的時(shí)鐘邏輯引腳 POL 為高電平時(shí)，可執(zhí)行功能寄存器寫入操作，單片機(jī)可在 SCLK時(shí)鐘下降沿時(shí)將寄存器對(duì)應(yīng)的值按位寫入 AD7730 的串行數(shù)據(jù)輸入引腳 DIN，在 SCLK時(shí)鐘為上升沿時(shí)，將寫入的數(shù)據(jù)鎖存到輸入移位寄存器中。 10mV、177。本系統(tǒng)采用 AD7730轉(zhuǎn)換懸梁式稱重傳感器輸出的模擬量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)送入單片機(jī)進(jìn)一步處理。 AD7730是由美國(guó) ADI公司生產(chǎn)的 24位無(wú)失碼、雙通道差分模式高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，有效分辨率為 21位，線性誤差177。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù) 用。 8KB片內(nèi) Flash，可擦 /寫 1000次以上； 256字節(jié)片內(nèi) RAM；全靜態(tài)邏輯，工作頻率范圍 0~24MHz； 32個(gè)可編程 I/O口 ；三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密；一個(gè)全雙工串行口；三個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器；支持在線編程 ISP（ In System Programmable）功能。速度數(shù)據(jù)采集部分，首先將測(cè)速傳感器輸出 的脈沖信號(hào)進(jìn)行光電隔離，然后由單片機(jī)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)。光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器體積小、安裝簡(jiǎn)便、精度高、應(yīng)用范圍廣，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制， 連接計(jì)算機(jī)和相應(yīng)顯示設(shè)備后可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)測(cè)量角位置。 測(cè)速傳感器選擇 綜合各方面因素考慮， 本系統(tǒng)測(cè)速傳感器選用歐姆龍 E6B2CWZ6C增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器屬于接觸式軸光電編碼器。根據(jù)光柵圓盤的光柵形式可將光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器分為增量式光 電編碼器和絕 對(duì)式光電編碼器。 按速度信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的實(shí)現(xiàn)原理分類，可分為光 電式測(cè)速傳感器和磁 電式測(cè)速傳感器。按傳感器采集速度信息的方式，可分為接觸式測(cè)速傳感器和非接觸式測(cè)速傳感器。 ％ 推薦激勵(lì)電壓 10~12V DC 零點(diǎn)平衡 177。 ，表示當(dāng)傳感器受到額定載荷重量時(shí)，每 1V激勵(lì)電壓下，產(chǎn)生 177。固本系統(tǒng)的稱重傳感器選用寧波柯力電氣制造公司的懸梁式傳感器，該傳感器是電阻應(yīng)變片式傳感器的一種。傳感河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 12 器的量程主要根據(jù)秤架自重、造成的最大偏載、安裝傳感器數(shù)量和動(dòng)態(tài)計(jì)量等標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮來選擇。 具備了以上幾個(gè)特性的稱重傳感器，在實(shí)際使用時(shí)還要 考慮多方面因素。 稱重傳感器的選擇 傳輸 帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)使用的稱重傳感器要具備以下幾個(gè)特征： (1)具有較高的穩(wěn)定應(yīng)，能在投料或輸送時(shí)造成的沖擊或振動(dòng)下正常工作，而且各項(xiàng)系數(shù)漂移量較小。 擴(kuò)散型壓力 電阻式稱重傳感器所采用的壓電材料是半導(dǎo)體單晶硅。 稱重傳感器的分類 目前使用的稱重傳感器種類繁多，可按工作原理分類為：壓力 電荷式、壓力 電阻式、壓力 電磁式和電阻應(yīng)變式稱重傳感器。為保證研究的普遍意義和實(shí)用價(jià)值，本系統(tǒng)選擇單托輥秤架作為研究對(duì)象，并通過算法有效消除了水平張力對(duì)計(jì)量結(jié)果的影響。 小結(jié) 本部分提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，闡述了傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和計(jì)量 原理。傳輸帶的瞬時(shí)速度可以通過接觸式和非接觸式兩種方式獲得，再經(jīng)過一定的算法來減小誤差。 3系統(tǒng)器件簡(jiǎn)介 主要包 括稱架和傳感器類型，系統(tǒng)微處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇。需要電子稱重設(shè)備與計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)相連，共同組成一個(gè)綜合化生產(chǎn)控制系統(tǒng)。例如稱重傳感器與秤架集成化的靜動(dòng)態(tài)便攜式電子輪軸秤，其集成化結(jié)構(gòu)由厚質(zhì)硬鋁合金板制成，主要原理是通過固溶熱處理來強(qiáng)化硬鋁合金板，在合金板 4個(gè)角通過 銑槽或鉆孔的方式安裝 4個(gè)懸梁式稱重傳感器，或者在合金板的地面通過銑槽或鉆孔的方式安裝多個(gè)剪切梁式稱重傳感器。 國(guó)內(nèi)外稱重技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 隨著傳感器制作工藝和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，加之引入模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 4 建立數(shù)學(xué)模型、人工智能、阻尼振動(dòng)理論等技術(shù)，稱重計(jì)量系統(tǒng)向著功能自適應(yīng)、智能化信息處理方向發(fā)展。由于這兩種測(cè)量技術(shù)都是非接觸式測(cè)量，所以激光 核子傳輸帶稱重裝置具有：裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷、不受機(jī)械性能影響、后期維護(hù)簡(jiǎn)便、能準(zhǔn)確測(cè)量瞬時(shí)重量等顯著優(yōu)點(diǎn)。而且這種動(dòng)態(tài)稱重裝置適用于大量散狀物料較長(zhǎng)時(shí)間累積流量的連續(xù)計(jì)量，測(cè)量瞬時(shí)重量的精度不高，難以滿足某些對(duì)物料瞬時(shí)重量要求較高的使用場(chǎng)合。 (4)傳感器和微機(jī)結(jié)合式動(dòng)態(tài)稱重裝置 隨著近十年來傳感器制造工藝和微機(jī)智能技術(shù)的崛起，為動(dòng)態(tài)稱重裝置的性能大幅度提高創(chuàng)造了有力條件。 1880年第一臺(tái)動(dòng)態(tài)稱重裝置獲得計(jì)量許可。 意義 傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備是對(duì)傳輸帶傳送的散狀固體物料或粉料進(jìn)行連續(xù)稱量的設(shè)備，有著應(yīng)用行業(yè)面廣、使用目的廣泛等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了物料儲(chǔ)存、運(yùn)輸和稱量的一體化。并且系統(tǒng)功能完善，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示和保存打印，系統(tǒng)擴(kuò)展了現(xiàn)場(chǎng)總線接口，很好的滿足了工業(yè)自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化的需求。所以改善現(xiàn)有稱重裝置、開發(fā)研究功能齊全的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是勢(shì)在必行的。但是，我國(guó)自行研制的相關(guān)產(chǎn)品普遍功能單一，精度不高。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠有效提高動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的計(jì)量精度，誤差在 %以內(nèi)。所以新型動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)不但要能快速、準(zhǔn)確提供計(jì)量數(shù)據(jù)，還需要消除人 為和環(huán)境造成的誤差，提高計(jì)量精度，并且應(yīng)具備計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)管理等功能。 國(guó)內(nèi)外 發(fā)展現(xiàn)狀 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 2 國(guó)內(nèi)外稱重技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的發(fā)展可分為以下四個(gè)階段： (1)動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)起源 世界上最早的動(dòng)態(tài)稱重裝置出現(xiàn)在 19世紀(jì)末期的西方國(guó)家，用于輸送機(jī)對(duì)散狀固體物料動(dòng)態(tài)自動(dòng)稱重。第二代動(dòng)態(tài)稱重裝置在計(jì)量精度和計(jì)量過程簡(jiǎn)化上都有了很大程度的提高，但是仍然 存在計(jì)量精度較低和缺乏誤差糾正等缺陷。所以這種動(dòng)態(tài)稱河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 3 重裝置計(jì)量精度不穩(wěn)定，維護(hù)工作繁瑣，需要每隔一段時(shí)間對(duì)裝置各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到所需精度。 (3)激光 — 核子傳輸帶稱重裝置 激光 核子傳輸帶稱 重裝置工作原理是利用伽馬射線輻射測(cè)量傳輸帶上物料的密度，利用激光圖像分析來測(cè)量物料的堆積體積，進(jìn)而計(jì)算出傳輸帶上物料的重量。所以目前相關(guān)產(chǎn)品的性能 和品種，不能滿足中國(guó)現(xiàn)在和未來的巨大市場(chǎng)需求，這就為傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備的研究開辟的廣闊前景。 (2)集成化 對(duì)于一些特定結(jié)構(gòu)的稱重裝置，如專用稱重裝置、小型電子秤、靜態(tài)電子軌道秤以及便攜式靜動(dòng)態(tài)輪軸秤等產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)稱重傳感器與鋼軌，稱重傳感器與秤架，稱重傳感器與軌道秤臺(tái)的集成化。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化和管理一體化的進(jìn)程的不斷推進(jìn)，稱重裝置應(yīng)具備：稱重、計(jì)價(jià)、提供各項(xiàng)相關(guān)信息、出入庫(kù)管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等各項(xiàng)功能。詳細(xì)說明了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。物料的瞬時(shí)重量需要連續(xù)采樣或者周期采樣計(jì)量區(qū)段傳輸帶托輥所受到的壓力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是基于累加法計(jì)量物料流量和累計(jì)重量。 單托輥秤架因其安裝方便，維護(hù)量低，信號(hào)響應(yīng)速度快等明顯優(yōu) 點(diǎn)，占據(jù)了市場(chǎng)份額的 50%以上，但在秤架設(shè)計(jì)中沒有消除傳輸帶張力對(duì)稱重結(jié)構(gòu)的影響，需要設(shè)計(jì)算法來消除誤差。而且目前幾乎所有的領(lǐng)域應(yīng)用的稱重裝置都使用了不同種類和規(guī)格的稱重傳感器。 半導(dǎo)體應(yīng)變式稱重傳感器的基本結(jié)構(gòu)類 似于電阻應(yīng)變式稱重傳感器，不同點(diǎn)是利用半導(dǎo)體壓電材料代理電阻應(yīng)變式稱重傳感器的金屬材料制成電阻應(yīng)變片，雖然也容易損壞，但與金屬材料相比具有靈敏度高和體積小等優(yōu)點(diǎn)?；菟诡D橋式測(cè)量電路要求四個(gè)組成電阻的阻值相差量很小。因?yàn)樵趥鬏斶^程中，物料分布是不均勻的，作用力偏離重心的情況是不可避免的。選用的傳感器的不重復(fù)性、非線性和滯后三項(xiàng)指標(biāo)的均方根的值要略高于系統(tǒng)需求精度。由于懸梁式稱重傳感器是基于電阻應(yīng)變?cè)韺⒘禺a(chǎn)生的應(yīng)變力轉(zhuǎn)換成與其線性關(guān)系的電信號(hào)，而且承載方式為平面載重，抗偏載和抗側(cè)向能力強(qiáng)。該傳感器的靈敏度為 177。 ％ 極限過載 200% 蠕變（ 30分鐘） 177。 測(cè)速傳感器分類 單就數(shù)字測(cè)速傳感器而言，其分類方式也很多。但實(shí)際使用中還有很多未能解決的問題，目前主要體現(xiàn)為測(cè)量穩(wěn)定性差、影響結(jié)果因素多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高等方面，所以尚未廣泛使用。與其它種類測(cè)速傳感器相比，有性價(jià)比高、可靠性好、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但是磁 電式測(cè)速傳感器對(duì)環(huán)境要就較嚴(yán)格，傳輸帶的震動(dòng)等狀況會(huì)導(dǎo)致傳感器工作異常，造成測(cè)量數(shù)據(jù)損失。故光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器又稱為光 電編碼器。 ㎡ 允許最高轉(zhuǎn)數(shù) 6000r/min 軸允許力 徑向： 30N軸向： 20N 環(huán)境濕度范圍 35～ 85%RH（不結(jié)露） 絕緣電阻 30MΩ以上（ DC500V兆歐表） 耐電壓 AC500V 50/60Hz 震動(dòng)耐久 10～ 500HZ、在 Hz 保護(hù)回路 負(fù)載短路保護(hù) 環(huán)境溫度范圍 運(yùn)動(dòng)： 10~+70℃保存： 25~+85℃ 沖擊耐久 1000m/s2X、 Y、 Z方向 保護(hù)結(jié)構(gòu) IEC 規(guī)格 IP50 連接方式 導(dǎo)線引出式 材質(zhì) 外殼： ABS本體：鋁軸： SUS420J2 質(zhì)量 約 100g 輸出容量 30V DC以下 35mA 以下 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 17 4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件概述 數(shù)據(jù)采集電路是系統(tǒng)的主要硬件部分，將稱重傳感器 0~20mV的輸出信號(hào)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 24位精度的數(shù)字信號(hào)，即 000000H~FFFFFFH 中的一個(gè)值，然后送入單片機(jī)。它是一種低功耗、高性能的微處理芯片。對(duì) P0 端口寫 “1” 時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 此外， 和 分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的觸發(fā)輸入（ ）。 在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信 號(hào)。固本系統(tǒng)采用精度為 24位的 AD7730 芯片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。 ∑ △ 技術(shù)將量化噪聲移到了系統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換頻帶之外，所以 AD7730 抗干擾能力強(qiáng)，適用于低頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)模數(shù)轉(zhuǎn)換。 其內(nèi)部的雙路差分模擬輸入通道，可以通過設(shè)置相應(yīng)的功能寄存器的方式達(dá)到量程編程控制，傳感器的量程可設(shè)置為四種單極性模擬信號(hào)以及四種雙極性模擬信號(hào)范圍，分別為： 0~+10mV、 0~+20mV、 0~+40mV、 0~+80mV、177。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 21 通過串行口寫 AD7730 的功能寄存器時(shí)，首先要寫輸入移位寄存器。單片機(jī)使用查詢方式來控制 AD7730芯片，單片機(jī)的 、 、 、 引腳分別連接AD7730的 SCLK、 CS、 DOUT、 DIN引腳。本系統(tǒng)對(duì)傳輸?shù)乃俣纫蟛桓?，而且在?shí)際環(huán)境中可能需要傳輸較遠(yuǎn)距離，綜合功能和成本考慮使用串行通信方式。雖然 RS232C設(shè)計(jì)了 2