WH31型智能礦漿濃度儀的設計

摘 要：礦石礦漿的濃度和細度是選礦時重要的參考指標和判斷依據。在采礦應用中，準確及時地檢測出礦漿的濃度以及礦石的比重對后續的磨礦和浮選等一系列作業有著至關重要的意義。研制的WH31型智能礦漿濃度儀基于張力傳感器和C8051F351單片機，應用3.5英寸TFT_LCD顯示測量參數，能夠同時測出礦漿濃度、細度以及礦石的比重，具有精度高、人機界面友好、操作方便、可以自動增益校準的特點。適合在礦山現場或實驗室使用，也適用于冶金，化工，建筑等行業不溶固體(在水介質中)濃度和細度的測定。

關鍵詞：張力傳感器; 礦漿濃度; TFT_LCD; 自動增益校準; C8051F351

中圖分類號：

TN06-34; TP23

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

-0114

-02

Design of WH31 Intelligent Slurry Consistency Test Instrument

CHEN Wen-hui1， LI Jun-xue2， ZHU Qing-fa1， LI Li-zhe3

(1. School of Electronics and Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China;

2．Shaanxi People′s Broadcasting Station， Xi’an 710061， China;

3. School of Automation， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China)

Abstract： In the mining application， detecting the pulp density and the ore proportion exactly and timely is significant to the following rubbing and the floatation process. The WH31 intelligent consistency slurry test instrument based on the tension sensor and the C8051F351 single chip MCU is introduced， which can display the measured parameter using 3.5 inch TFT_LCD， and detect the pulp density， degree of fineness and the ore proportion simultaneously. It has advantages of high precision， friendly man-machine contact surface， convenient control system and automatic gain control calibration， which can be used in many industries.

Keywords： tension sensor; slurry consistency; TFT_LCD; automatic gain calibration; C8051F351

基金項目：2011年西北工業大學本科畢業設計(論文)重點扶持項目資助

0 引 言

濕式選礦工藝過程都是在一定的礦漿濃度下進行的，礦漿濃度對選礦工藝有重要影響，是選礦過程中需要經常測試、調節和控制的重要參量。

本文研制的WH31型礦漿濃度測量儀是基于張力傳感器和C8051F351的智能測試系統，主要具有如下功能：

TFT實時顯示重量、濃度、細度和比重；

增益自動校準；

用戶輸入數據保存。

1 總體設計

系統結構由傳感器和信號調理電路，C8051F351的接口電路，TFT-LCD顯示驅動電路三部分組成。總體設計框圖如圖1所示。

6 kg張力傳感器采集的電壓信號經過高精度儀表放大器INA126放大后，送入單片機內部進行A/D轉換得出物品的質量，再結合數字鍵盤輸入的礦漿體積和礦石比重，即可計算出礦漿濃度，并在3.5英寸TFT-LCD上顯示。系統中的E2PROM(24LC64)用于存放增益系數、用戶輸入的體積和比重值。

圖1 系統總體結構框圖

2 硬件電路設計

WH31型礦漿濃度測量儀的主控芯片采用Silicon labs公司的C8051F351單片機，8 KB FLASH，256 B RAM+512 B的SRAM，內置24位Δ-Σ高精度ADC，內核完全兼容Intel 8051。在該系統設計中，ADC采樣信號幾乎可以認為是直流，對字輸出率也沒有很高的要求，故單片機內部的24位Δ-Σ高精度ADC是最佳選擇，實際只使用其16位，就可完全滿足測量精度的要求。

在一個電子產品中，電源的好壞往往對產品的性能起著決定性作用，一個好的電源系統是任何一個電子產品硬件設計人員都優先著重考慮的問題。該系統設計使用蓄電池和交流同時供電，優先選用交流。在整個電路系統中，需要3.3 V(數字電路部分)和19 V(TFT_LCD背光)電源，蓄電池供電的電壓實測為3.8~4.6 V，應用AMS1117-3.3作為整機電路的穩壓芯片，由于AMS1117-3.3正常工作的最小壓差是1 V，故在電源電壓低于4.3 V的情況下就不能得到很好的3.3 V電壓，雖然數字電路部分在低至2.7 V的情況下還可正常工作，但是電壓的稍微波動對傳感器和運放的影響卻是致命的。

在整個電源系統設計中花費時間和精力最多的是得到穩定的3.3 V電壓給傳感器和運放供電。升壓是必不可少的部分，但一般升壓型DC-DC芯片都是開關型的，噪聲較大，為減小噪聲，在后級使用了線性降壓穩壓芯片，即最終的“一升一降”的方法。升壓芯片采用SIPEX公司的SP6641AEK-5.0，將不太穩定的電源電壓升至5 V，然后再使用線性降壓穩壓芯片AMS1117-3.3將電壓穩定在3.3 V。SP6641系列是SIPEX公司推出的一款性價比較高的、針對電池應用的穩壓芯片系列，此系列有多種規格的輸出電壓值和電流值，最低工作電壓為0.9 V，效率最高87%，最大輸出電流為1 A，具有關斷功能。基于后級的線性降壓穩壓芯片AMS1117-3.3的效率考慮，采用了輸出電壓是5 V的SP6641AEK-5.0，將SP6641AEK-5.0的控制關斷引腳連接到單片機的P0_2口，用以待機模式下的關閉運放。其設計原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器和運放供電穩壓電路

使用DC-DC升壓芯片MC33063產生19 V電壓來提供給TFT-LCD作為背光電源。MC33063是目前比較常用的背光升壓芯片，輸入電壓為3.0~40 V，輸出從1.25~40 V可調，最大輸出電流為1.5 A，空閑電流典型值為35 μA，工作頻率為100 Hz~100 kHz，具有關斷功能，具有溫度自動補償功能，僅用少量的外圍元件就可以實現升壓、降壓功能，且只需要改變兩個反饋電阻的取值比例就可以方便地改變輸出電壓，其設計原理圖如圖3所示。

圖3 TFT-LCD背光升壓電路

MC33063的輸出電壓完全取決于R3和R4兩個電阻的比值，計算公式如下：

3 軟件設計

軟件采用Keil C51編寫，用JTAG在Keil uv3環境下在線仿真，設計總流程框圖如圖4所示。

圖4 軟件設計框圖

軟件初始化部分包括對系統晶振、ADC、MCU端口、鍵盤、E2PROM等一系列的初始化操作，自檢正常后進入到測量主菜單。在主菜單下通過各選擇按鍵進入相應的測量子菜單。在程序中設置一個菜單中轉站，可以有效防止由于程序各測量子菜單和測量主菜單之間的相互調用造成的內存溢出而導致程序紊亂的現象。

濃度是通過測出的礦漿凈重以及手動輸入的體積和比重數據這三個物理量進行計算而得到的。細度的值跟礦石的比重、篩前及篩后的濃度值有關，在濃度菜單下可以用“校準”鍵來標記“篩前濃度”和“篩后濃度”，標記完成后，程序計算出細度值，并自動跳轉到細度子菜單下顯示出細度值。比重測量與干料的質量和體積有關，系統可自動記憶并顯示出干料的質量，通過計算可得到礦石的比重值。