磁斑傳輸膠帶測(cè)速裝置

高新華　王世良　賈偉璐　于順杰

（山東黃金集團(tuán)昌邑礦業(yè)有限公司，昌邑 261308）

磁斑傳輸膠帶測(cè)速裝置

高新華王世良賈偉璐于順杰

（山東黃金集團(tuán)昌邑礦業(yè)有限公司，昌邑 261308）

本文介紹一種新型傳輸膠帶測(cè)速裝置。該裝置利用鐵磁橡膠的良好導(dǎo)磁性和柔軟性，在傳輸膠帶邊沿上按一定幾何規(guī)則植入磁斑，當(dāng)磁斑通過(guò)開(kāi)口鐵芯時(shí)可以檢測(cè)到信號(hào)幅值變化，再經(jīng)過(guò)電路和單片機(jī)處理，最終可得到膠帶的線(xiàn)速度和傳輸長(zhǎng)度。

膠帶線(xiàn)速度磁斑信號(hào)發(fā)生程控

膠帶輸送被廣泛地應(yīng)用到各種工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。近年來(lái)隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)控制和計(jì)量系統(tǒng)都需要準(zhǔn)確檢測(cè)傳輸膠帶的線(xiàn)速度。目前，膠帶測(cè)速裝置主要依靠膠帶和測(cè)速滾輪之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，所用測(cè)速傳感器主要有磁阻脈沖式、光電脈沖式兩類(lèi)，傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)二次儀表的簡(jiǎn)單處理最后得到膠帶線(xiàn)速度。對(duì)于檢測(cè)精度要求不高的場(chǎng)合，有時(shí)直接將膠帶驅(qū)動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成膠帶線(xiàn)速度。

現(xiàn)有的膠帶測(cè)速技術(shù)利用滾輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，當(dāng)滾輪（或膠帶）有打滑現(xiàn)象時(shí)，不能反應(yīng)傳輸膠帶的真實(shí)線(xiàn)速度。本文介紹一種新型非接觸式膠帶測(cè)速裝置，姑且名曰“磁斑傳輸膠帶測(cè)速裝置”。

1　傳感器構(gòu)成

磁斑膠帶測(cè)速裝置如圖1所示。

圖1　膠帶測(cè)速裝置示意圖

本裝置要求出廠(chǎng)的傳輸膠帶進(jìn)行一項(xiàng)改革，即在膠帶的邊沿每隔一定的距離（比如50mm）鑲嵌一塊“磁斑”，可用柔軟且便于粘接的橡膠磁鐵和鐵磁膠制作。傳感器為一開(kāi)口鐵芯，采用中頻正弦波電源勵(lì)磁；膠帶邊沿按照一定的幾何規(guī)則鑲嵌有“磁斑”，膠帶通過(guò)磁靴之間運(yùn)行，并且要求磁靴的長(zhǎng)度要小于磁斑之間的中心距離。當(dāng)磁斑正好處于磁靴之間時(shí)，由于磁靴之間的磁阻明顯減小，鐵芯中通過(guò)的磁通強(qiáng)度增大，導(dǎo)致信號(hào)線(xiàn)圈的輸出電壓增大；非磁斑區(qū)域通過(guò)磁靴時(shí)，輸出信號(hào)雖然頻率不變，但是其幅值相對(duì)要小。勵(lì)磁和信號(hào)電壓波形如圖2所示，其中t0表示磁斑進(jìn)入磁靴的時(shí)刻，可見(jiàn)信號(hào)電壓的幅值明顯增大了。

為了降低工頻干擾，增強(qiáng)信號(hào)靈敏度，應(yīng)采用中頻電源勵(lì)磁；鑒于膠帶所輸送物料的導(dǎo)磁性和設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)干擾源的不同，勵(lì)磁電源的頻率最好可以程控調(diào)節(jié)。將信號(hào)電壓濾波放大后，稍加處理即可送單片機(jī)處理。

圖2　信號(hào)電壓波形示意圖

2　電氣原理

本裝置電氣原理如圖3和圖4所示。圖中時(shí)鐘信號(hào)CP在兩個(gè)電路中共用，它是由單片機(jī)編程輸出的，其頻率可程控。CD4018為可預(yù)置1/N計(jì)數(shù)器，將其反碼輸出端與反饋輸入端DS連接，可實(shí)現(xiàn)1/10分頻，U2和U3串聯(lián)即可完成對(duì)CP時(shí)鐘的1/100分頻。查看CD4018的波形圖可知，U3隨著CP1計(jì)數(shù)脈沖由1～5逐個(gè)增加，—逐次由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，在5～10計(jì)數(shù)階段—?jiǎng)t逐次由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，輸出端—的電壓變化通過(guò)電阻R1～R5的分壓疊加，即可得到一個(gè)按正弦曲線(xiàn)分布的8次階梯狀電壓Ur。MAX291是一種8階低通巴特沃斯型開(kāi)關(guān)電容濾波器，通過(guò)程控CP時(shí)鐘的頻率確定該濾波器的截止頻率，截止頻率可調(diào)范圍為0.1Hz～25kHz，時(shí)鐘頻率和截止頻率的比率是100：1，所以采用U2和U3進(jìn)行1/100分頻。階梯電壓Ur經(jīng)過(guò)U4濾波之后，其輸出電壓接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，高次諧波基本消除。LM386常用為音頻放大器，其頻帶寬度為300kHz，我們用之為中頻功率放大器，以驅(qū)動(dòng)傳感器勵(lì)磁線(xiàn)圈，適當(dāng)調(diào)整電源電壓VCC，輸出功率可達(dá)3W。

圖3　勵(lì)磁電路

圖4　信號(hào)處理電路

如圖4所示，信號(hào)電壓Ui亦采用MAX291濾波，并且采用同一個(gè)時(shí)鐘控制，兩個(gè)電路濾波芯片程序相同、時(shí)鐘同步可以取得更好的濾波效果。濾波后的信號(hào)電壓經(jīng)U7A同相放大，即可得到圖2中的電壓u2，應(yīng)將其幅值調(diào)整為小于且接近5V。二極管D1將信號(hào)電壓u2進(jìn)行半波整流，得到圖2中的電壓u3，這個(gè)電壓送單片機(jī)內(nèi)嵌的電壓比較器進(jìn)行比較，可在磁斑經(jīng)過(guò)磁靴的時(shí)刻引發(fā)中斷。U7B比較器對(duì)信號(hào)電壓u2進(jìn)行過(guò)零比較，將信號(hào)電壓u2轉(zhuǎn)變?yōu)榉禐?V的正負(fù)脈沖方波，經(jīng)D2檢波，得到脈沖信號(hào)u4，將u4連接單片機(jī)CCP0單元（Pin20），以便在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻開(kāi)啟脈沖捕捉中斷，探測(cè)脈沖頻率。

3　單片機(jī)配置

STC15W408AS為國(guó)產(chǎn)增強(qiáng)型8051單片機(jī)，1T（單時(shí)鐘/機(jī)器周期），速度比普通8051快8～12倍；內(nèi)嵌8k Flash程序存貯器，1k E2PROM可記錄系統(tǒng)參數(shù)，512字節(jié)SRAM；支持ISP/IAP技術(shù)，無(wú)需編程器和仿真器；內(nèi)嵌高精度RC時(shí)鐘和電壓管理/復(fù)位裝置 /看門(mén)狗，工作頻率3～35MHz，無(wú)需外部晶振和復(fù)位電路；支持 10bit高速ADC，集成了 3路 CCP/PCA模塊；該單片機(jī)雖然只是SOP20/DIP20封裝，但是硬件功能十分強(qiáng)勁。

此種單片機(jī)只有2個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，本系統(tǒng)中設(shè)置定時(shí)器Timer0工作在16位自動(dòng)重裝模式，對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻輸出（PIN16），建議設(shè)置單片機(jī)主頻為22.1184MHz，若設(shè)置寄存器 （RL_TH0，RL_TLO）為65531 （&HFFFB），則輸出CP頻率為2211.84kHz，勵(lì)磁頻率則為22.1184kHz。另一個(gè)定時(shí)器Timer2可用作單片機(jī)串口波特率發(fā)生器。

單片機(jī)內(nèi)嵌一個(gè)高精度電壓比較器，比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)可引發(fā)中斷服務(wù)。該比較器正輸入端（PIN9）連接電壓u3，負(fù)輸入端（PIN7）連接一個(gè)數(shù)字電位器U8。U8只需要在調(diào)試階段進(jìn)行數(shù)值設(shè)定，可以先啟用 ADC7（PIN6）對(duì) u3電壓關(guān)鍵區(qū)段進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，取得u3電壓關(guān)鍵值，再借助P3. 6和P3.7兩管腳軟件模擬SPI總線(xiàn)，來(lái)完成U8輸出電壓值UK的設(shè)置，即程控比較器閾值。參見(jiàn)圖2，從t0時(shí)刻開(kāi)始磁斑進(jìn)入磁靴，u3電壓立即升高，到t1時(shí)刻達(dá)到比較器閾值Uk，此時(shí)單片機(jī)發(fā)生比較器中斷。在這個(gè)中斷服務(wù)程序中，我們需要立即開(kāi)啟CCP/PCA1 16位軟件定時(shí)器，來(lái)讀取和記錄（t1，t5）之間的時(shí)間間隔Δt。設(shè)單片機(jī)主頻22.1184MHz，ΔL為 50mm，如果膠帶運(yùn)行速度小于1.4m/s，兩個(gè)磁斑之間的時(shí)間間隔Δt≥ 35.55ms，則需要CCP/PCA1若干次中斷服務(wù)來(lái)完成計(jì)時(shí)。顯然，膠帶線(xiàn)速度即為ΔL/Δt，比較器每中斷1次，膠帶通過(guò)ΔL距離。

在比較器中斷服務(wù)程序中，我們還可以開(kāi)啟CCP/PCA0（PIN20）通道為16位上升沿捕獲模式來(lái)測(cè)量信號(hào)電壓的頻率，即在圖2表示的t3和 t4時(shí)刻發(fā)生PCA0捕捉中斷，讀取（t3，t4）之間的時(shí)間間隔即為信號(hào)電壓的周期，這個(gè)周期和我們發(fā)出的CP時(shí)鐘周期應(yīng)正好相差100倍，據(jù)此可以判定裝置收到的信號(hào)電壓是否“合法”，否則進(jìn)行報(bào)警處理。STC15W408AS單片機(jī)還有1路CCP/PCA2，我們也設(shè)置為16位軟件定時(shí)器，以便系統(tǒng)定時(shí)進(jìn)行各項(xiàng)例行任務(wù)。

這個(gè)僅僅20腳的單片機(jī)還有1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)UART串口和一個(gè)同步串行SPI接口，可以直接連接上位單片機(jī)或彩色液晶觸摸屏，也可以設(shè)置一個(gè)支持現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的Modbus接口，限于篇幅不作進(jìn)一步討論。

4　結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)膠帶測(cè)速裝置采用比較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳感器直接與膠帶摩擦接觸，其主要部件處于旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，容易損壞，安裝維護(hù)困難。本裝置采用新技術(shù)新材料，機(jī)械、電氣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要按一定幾何規(guī)則在膠帶邊沿鑲嵌“磁斑”，克服了傳統(tǒng)測(cè)速裝置摩擦滾輪打滑帶來(lái)的負(fù)面影響，最大計(jì)量誤差乃兩個(gè)“磁斑”之間的距離ΔL，具有良好的市場(chǎng)前景。

Speed Measuring Device on Magnetic Spot Transmission Belt

GAO Xinghua，WANG Shiliang，JIA Weilu，YU Shunjie
（ChangyiGoldGroupShandongMiningCo.，Ltd.，Changyi 261308）

This paper introduces a new type of transmission belt speed measuring device.The device uses magnetic rubber of good magnetic permeability and softness，on the edge of the belt transmission according to certain rules of geometry magnetic implants spot，when the magnetic spot goes through the open core，it can be detected signal amplitude changes，through the processing circuit and the single chip microcomputer and ultimately get a line of tape speed and the transmission length.

tape，line speed，magnetic spot，signal generator，SPC