基于單片機的哈氏可磨性指數測定儀的研究

陳定昭

（廈門大學 物理科學與技術學院，福建 廈門 361005）

基于單片機的哈氏可磨性指數測定儀的研究

陳定昭

（廈門大學 物理科學與技術學院，福建 廈門 361005）

本文基于單片機設計了一款哈氏可磨性指數測定儀。主要對哈氏可磨性指數測定儀的測量原理進行了介紹，在此基礎上，對整個硬件系統進行了完成的方案設計，硬件系統包括人機界面卡和控制板卡，并對其中的重要模塊給出了設計原理圖。產品完成設計后，進行了軟硬件調試和樣機裝配，達到設計要求。

單片機；哈氏可磨儀；指數測定；硬件設計

哈氏可磨性指數測定儀簡稱哈式可磨儀，主要由上碗機構、蝸輪箱、傳動齒輪、研磨環和研磨碗、電機以及智能轉速控制器組成[1-2]，是根據磨碎定律（即磨碎煤粉所消耗的能量與煤粉產生的新表面積成正比），把制好的一定粒度范圍的煤樣放在哈式可磨性指數測定儀里磨碎，然后篩分、稱重、對照、校準圖表、查出可磨性指數[3-8]。測定結果用哈式可磨性指數表示，指數越大，表明越容易磨碎[9-10]。

1 系統設計方案

根據哈式可磨儀系統構成，方案設計硬件分解為兩個部分：1）人機界面模塊部分：可將人機界面，塊整體做成一個公共模塊，主要是液晶接口、鍵盤接口、打印機接口、時鐘模塊。2）控制模塊部分：主要是電機控制和保護模塊、轉速計數模塊、研磨碗上下定位模塊、聲光提示與定位狀態顯示模塊[11-13]。總的系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

MCU控制模塊考慮到數據庫的設計，單片機需選擇程序存儲容量和數據RAM容量相對比較大的，如P89C669或者P89C668等[14-15]，當然也可采用比較廉價的ARM芯片作為主控芯片。可在具體的硬件設計方案中體現。文中的設計是建立在P89C669或者P89C668單片機基礎上，晶振采用頻率為16 MHz的無源晶振。復位電路采用MAX813，為防止軟件下載過程中單片機復位，通過二極管連接到串口接收端在下載程序時進行喂狗。

圖2 復位電路

2 人機界面卡模塊設計

人機界面可細分為薄膜按鍵接口模塊、液晶接口模塊、打印機接口模塊、數據存儲模塊、實時時鐘模塊、單片機模塊等幾個部分。整個人機界面可以做成一個公共模塊。

圖3 人機界面卡模塊框圖

1）薄膜按鍵模塊

本儀器設計按鍵個數為21個（具體設計可根據需要修改），可設計一個3*8的薄膜按鍵接口模塊。設計保持簡單易操作的原則，盡量保留可拓展的部分。接盤接口電路如題4所示。

圖4 鍵盤接口電路

2）液晶模塊

軟件界面大概有5個界面：菜單界面、試驗設置界面、參數校正界面、計算界面、數據查詢界面，根據顯示界面的顯示行數與字數的要求，選用合適的液晶屏，設計符合的硬件驅動電路。液晶模塊接口電路如圖5所示。

3）打印機模塊

圖5 液晶接口模塊

設計采用WH-A5系列微型嵌入式熱敏打印機，接口類型均有串口和并口兩種類型，并且相對應的接口一致。此外了解到由于WH-A5系列打印機的打印頭比WH-A7系列打印機的打印頭的機械壽命長，價格平均貴100元左右，在外觀上，WH-A5系列打印機面為平面，而WH-A7系列打印機有一定的弧面，根據儀器結構的考慮來選用。

4）數據存儲模塊

圖6 打印機驅動模塊圖

根據哈氏可磨性指數測定儀的保存數據量為500到600條數據記錄，在設計時保存600條試驗數據，方便用戶查詢。每條實驗數據所占用的空間大約為30個字節，600條數據所需的空間在20 K左右，設計時如采用EERROM，則數據的存取速度太慢，設計采用Flash存儲器AT45D011來設計實現（容量為128 kB，256 kB、512 kB和1 MB容量的價格一樣），容量為1MB，SPI通訊方式，電源電壓為+5 V。

5）實時時鐘模塊

實時顯示當前日期，為保存試驗數據做實時記錄，方便用戶查詢。設計采用PCF8563實現。可用可充電電池TL5186為PCF8563供電，容量為400 mah，在掉電的情況，也可使得PCF8563正常工作達10年之久。

3 控制卡模塊

控制卡模塊有電機控制和保護模塊、轉速計數模塊、研磨碗上下定位模塊、通訊模塊、聲光提示與定位狀態顯示模塊等組成。

控制卡的設計原理框圖如圖7所示。

圖7 控制卡模塊框圖

1）電機控制和保護模塊

因為研磨碗的上下定位與電機的轉速無太大精確要求，不存在高低壓的影響，而研磨碗的轉速電機則需要根據技術指標中的20 r/min±1 r來選擇電機，確保在高低壓試驗過程中，電機的旋轉精度滿足技術要求。本設計中選用兩個交流電機，一個交流電機控制研磨碗的升降，另外一個電機控制旋轉，電機的功率在200 W左右，選用ACS120來控制實現，電機的保護則采用TVS管P6KE440CA。

2）轉速計數模塊

采用旋轉編碼器來計數。根據每分鐘的轉數計數（20 r/m）和精度要求，選擇編碼器的型號為：E6C2-CWZ6C 30P/R；電源電壓DC5～24 V，NPN型集電極開路輸出，輸出三相（A相：正轉脈沖計數；B相：反轉脈沖計數，Z相：轉數計數）消耗的電流在70 mA。電路圖如圖8所示。

3）研磨碗上下定位模塊

研磨碗的上下定位采用霍爾傳感器來實現，設計特定的定位模塊。接口必須方便簡單。

4）單片機模塊

單片機選用P89V51RD2，具有64 kB的片內Flash程序存儲器和1 024字節的數據RAM，無需擴展外部程序和數據空間。下載方便。晶振：晶振采用頻率為16 MHz的無源晶振。復位電路采用MAX813，為防止軟件下載過程中單片機復位，通過二極管連接到串口接收端在下載程序時進行喂狗。

5）通訊模塊

采用串口通訊。用4052來擴展兩路串口。一路用于下載和通訊，另外一路留作備用。

6）聲光提示與定位狀態顯示模塊

研磨碗的上定位狀態提示與下定位狀態提示，以及電源指示燈等采用LED在儀器面板上顯示。定位確定后采用蜂鳴器提示。

圖8 編碼器電路

4 結 論

文中主要對哈氏可磨性指數測定儀的測量原理進行了介紹，在此基礎上，對整個硬件系統進行了完成的方案設計，硬件系統包括人機界面卡和控制板卡，并對其中的重要模塊給出了設計原理圖。產品完成設計后，進行了軟硬件調試和樣機裝配，達到設計要求。

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Research of the instrument for measuring the grinding index of the grinding index based on single chip microcomputer

CHEN Ding-zhao
（School of Physical Science and Technology，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

Based on single chip microcomputer，this paper designs a measuring instrument for the.Of Hastelloy grinding index determination instrument for measuring principle are introduced in this paper，based on，the hardware of the whole system were completed scheme design，the hardware system includes man-machine interface card and control board，and the design principle diagram of the important modules is given.After the completion of the product design，hardware and software debugging and prototype assembly，to meet the design requirements.

single chip microcomputer；instrument；index measurement；hardware design

TN108.7

：A

：1674－6236（2017）13-0122-04

2016-06-18稿件編號：201606121

陳定昭（1996—），男，湖南長沙人。研究方向：電子科學與電子技術。