一種礦用電鏟動態稱重計量系統的硬件研究

程秀玲 單水維

摘 要：礦用電鏟動態稱重計量系統的硬件由傳感器、信號預處理電路、A/D轉換、輸入輸出接口、AT89C52及外圍電路等組成，該硬件系統的作用包含對拉力F的測量、對角度α和線位移r的測量，并且帶有保護電路、限位報警電路及LCD顯示。

關鍵詞：拉力F；角度α；線位移r；保護電路；限位報警電路

礦用電鏟動態稱重硬件系統所檢測的參數為提升鋼繩拉力F、鏟桿的長度r及角度α三個參數，下邊詳細講述采用了何種傳感器取得輸入信號，信號經過了何種變換進入單片機，以及單片機有哪些外圍電路。

一、 系統框圖及擴展芯片

圖1為系統框圖，其中單片機采用的是AT89C52芯片，AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含8KB的可反復擦寫的只讀存儲器和256B的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內配置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多復雜系統控制應用的場合。

圖1 系統框圖

AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時/計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本。

二、 拉力F的測量

我們采用的測力傳感器是應變式傳感器，應變式傳感器是把應變片或應變敏感材料粘貼或附著在彈性敏感元件上，然后以適當的方式組成電橋，將力轉換成電信號的轉換元件。現在比較常用的是電阻應變式稱重傳感器。這種傳感器主要包括兩個部分：一個是彈性敏感元件—利用它把被測的力值轉換為彈性體的應變值；另一個是電阻應變計—它作為傳感器元件將彈性體的應變，同步轉換為電阻值的變化。

電阻應變式測力傳感器的基本工作原理是當被測力作用在其上時，黏附在彈性體上的惠斯登電橋就產生不平衡輸出，該輸出信號正比于被測力。在電阻應變式稱重傳感器中，惠斯登電橋完成了將力信號轉變成電壓變量的重要功能。該電壓信號可以直接接入數字顯示儀表，也可以和其他傳感器的信號進行串聯或并聯后輸出，實際應用中十分靈活、方便。

電阻應變式測力傳感器（稱重傳感器）的工作過程可以分為下述3個相互關聯的階段。第一階段，被測負荷作用在彈性體上，使彈性體產生相應的彈性變形；第二階段，通過粘貼在彈性體上的電阻應變計，使彈性體的彈性變形轉換為電阻應變計的阻值變化（增大或者減小）；第三階段，再通過惠斯登測量電路將電阻應變計電阻的變化，轉換為電信號（電壓或電流）輸出。由此可以看出，電阻應變式測力傳感器是由彈性體、電阻應變計和惠斯登電橋3個主要部分組成的。

三、 角度α和線位移r的測量

在此設計中我使用的是增量型光電編碼器測量角位移，使用增量光電編碼器測量角度、位移等，準確無誤的計數起著決定性作用。由于在控制系統中，電機既可以正轉，又可以反轉，所以要求計數器既能實現加計數，又能實現減計數。相應的計數方法可以用軟件實現，也可以用硬件實現。使用軟件方式對光電編碼器的脈沖進行方向判別和計數降低了系統控制的實時性，尤其當使用光電編碼器的數量較多時，且其可靠性也不及硬件電路。硬件計數在執行速度上有軟件計數不可比擬的優勢，對編碼器中輸出的兩路脈沖進行計數主要分兩個步驟：首先要對編碼器輸出的兩路脈沖進行鑒相，即判別電機是正轉還是反轉；其次是進行加減計數，正轉時加計數，反轉時減計數。

線位移的測量可分為模擬式測量和數字式測量，對于大范圍的測量常采用數字式。這里采用了光柵傳感器，光柵位移傳感器是基于莫爾條紋現象來測量的，可以測量長度、角度等物理量，由于光柵位移傳感器具有精度高、測量范圍大、易于測量自動化和數字化、無須A/D轉換，特別適合靜態和動態情況下的實時測量和大位移測量，因此廣泛應用于各類精密的自動控制系統中進行速度測量、空間位置測量等。光電元件將光強轉換成電信號輸出，在經過放大器和整形電路后變成方波信號，由于被測物體移動的方向不定，無法判別移動方向，所以也要加上辨向電路。

r和α的測量使用的均是數字式傳感器，由于兩個信號處理電路相同，都是對輸出信號進行計數和辨向。

四、 保護電路

工控系統在運行時，通常都會遇到各種各樣的現場干擾，微機控制系統干擾、電源的波動引起的程序飛車和數據丟失，常造成系統的各種誤動作或死機，直接影響著系統的正常運行。抗干擾能力是衡量工控系統性能的一個重要指標。看門狗（Watchdog）電路是自行監測系統運行的重要保證，幾乎所有的工控系統都包含看門狗電路。

看門狗電路一般有軟件看門狗和硬件看門狗兩種。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統需要出讓一個定時器資源，這在系統中很難辦到，尤其是在此設計中，三個定時器資源全部用上。而且若系統軟件運行不正常，可能導致看門狗系統也癱瘓。硬件看門狗是真正意義上的“程序運行監視器”。

五、 限位報警電路

增加限位報警功能是針對電鏟發生“勺桿射出”的故障所設的。

安太堡露天煤礦1996年購進了3臺BE395-BI型電鏟，自投入運行以來，曾有兩臺電鏟發生“勺桿射出”故障，導致了一系列相關部件的損害和設備較長時間停機，給礦山造成很大的經濟損失。經分析認為，兩起故障的發生，都是由于操作司機和檢修人員對限位系統的認識模糊不清，直到故障發生后，也不知道故障發生的原因。

以下將提出限位系統的正確設定程序，以達到指導操作司機和維修人員正確認識和操作限位系統，保證電鏟安全運行之目的。

限位報警功能包括電鏟的提升和推拉限位報警，報警器件是一個蜂鳴器和兩個發光二極管。

推拉限位包括鏟桿的推壓限位和回拉限位。推壓限位的設定：把鏟桿推壓至鏟桿尾部距扶柄后處約1米處，進行設定。回拉限位的設定：回拉鏟桿使鏟桿的回拉極限點距扶柄前部約1.5米處，進行設定。

當長度傳感器測量的長度值r大到推壓限位時或小到回拉限位時，即T1所計算的脈沖個數超過某個極限值時報警功能起用，報警時與之對應的發光二極管被點亮，即8255的PC1口線變低使其對應的發光二極管LED1被點亮，同時經過與門使得蜂鳴器的電路接通，則蜂鳴器響，最后實現了聲光報警的功能。

提升限位系統包括鏟斗的提升限位和下放限位，即角度傳感器測得的角度α大到90°+β或小到10°時，同理，T0所計算的脈沖個數越過某個極限值時達到報警條件，則8255的PC2口控制的發光二極管LED2被點亮，且蜂鳴器響。

在進行上述工作之前，必須準確的算出提升鋼繩和鏟桿的長度和位置，這就要求首先給AT89C52設定好這些參數。參數一旦設定完成后，一般不需要調整和重新設定，但在個別情況下（如提升大繩和勺桿的長度改變）則要調整。

六、 LCD顯示

液晶顯示器LCD以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、壽命長、超薄輕巧等諸多其他顯示器件無法比擬的優點，在儀器儀表、電子設備和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用。常用液晶顯示模塊的種類有筆段式、字符式和圖形式等，可方便地用于各種嵌入式系統的液晶顯示。字符式液晶顯示模塊SMC1602B是長沙太陽人電子有限公司的8位并行接口、內藏控制器HD44780的背光式兩行液晶顯示模塊。

本項目主要介紹了礦用電鏟硬件系統的組成，該系統穩定性高、性價比高，能很好地實現礦用電鏟的動態稱重。

參考文獻：

[1]張國慶.電子式微量在線稱重檢測技術研究[D].武漢理工大學，2005.

[2]施昌顏.動態稱重測力技術的現狀和發展趨勢[J].計量學報，2001.

[3]夏新春.汽車動態稱重的研究[D].中國農業大學，2005.3.

[4]凌杰.公路動態稱重系統的設計理論研究[D].長安大學，2001.

[5]楊忠.車輛動態稱重系統的設計[J].科技與經濟，2004.

作者簡介：

程秀玲，副教授，內蒙古自治區包頭市，內蒙古包頭輕工職業技術學院自動化學院；

單水維，工程師，內蒙古自治區包頭市，內蒙古第一機械制造集團有限責任公司。