型砂水分在線檢測系統設計

史先傳,馮蘇杭,顧玉凱,殷 帥,許議元

(常州大學機械與軌道交通學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

在鑄造生產中，型砂是常用的造型材料。型砂含水率是影響其性能的關鍵因素之一。水分過多或者過少，都會導致生產的鑄件質量低、廢品率高等問題[1-3]。因此，配置高質量的型砂過程中，檢測含水率是一項非常重要的步驟。

根據資料，目前檢測型砂水分方法可分為直接法和間接法。直接法需要取樣測定，精度較高。其結果可作為實際含水率。但直接法比較消耗時間，不能滿足現代鑄造高效自動化生產的要求。間接法則通過檢測與水分變化密切相關的物理量來確定含水率，速度較快，可在線檢測[4-5]。間接法測型砂水分一般有電阻法[6]、電容法[7]、微波法[8]和紅外光譜法[9]等方法。其中：微波法能測高含水量型砂,但需要溫度和密度補償,而且儀器結構復雜、成本較高；紅外光譜法不與型砂直接接觸，反應較快,但受型砂粒度影響很大,而且工業粉塵也會影響檢測結果；電阻法和電容法則在實際應用中較多。其中：電阻法結構簡單，反應較快，但受型砂溫度和組分影響，容易產生測量誤差；電容法受溫度、型砂組分影響較小，穩定性較強，速度也在可以接受范圍之內。然而，國內目前基于電容法設計的水分檢測系統大部分采用模擬電路，抗干擾能力較弱。

針對此問題，本文基于電容法，設計了一種新型型砂水分在線檢測系統。系統采用數字電路，抗干擾能力強，能準確、快速地檢測型砂水分，并且能以4～20 mA工業標準電流方式輸出水分信號，供上位機讀取，以便節省檢測時間、提高鑄件生產效率、降低廢品率。

1 檢測原理與方案

1.1 電容法水分檢測等效模型建立

型砂主要由原砂、粘土、水、煤粉等按一定比例混合而成。在這些組分中，含水率是影響其介電常數的主要因素，因此可以利用變介電常數平行極板電容傳感器來檢測型砂水分。其方法為：將2個電極平行插在型砂中，固定其距離和相對面積，則電容量只取決于極板間的介電常數，且與介電常數成正比；而介電常數與含水率大致呈線性關系，所以通過檢測2個電極之間的電容，可以間接獲得含水率的大小。

電容法型砂水分檢測等效模型如圖1所示。

圖1 電容法型砂水分檢測等效模型Fig.1 Equivalent model of molding sand moisture detection by capacitance method

在高頻交流激勵源下，型砂與極板組成的電容傳感器可以等效為1個電阻和1個電容并聯，如圖1虛線框所示部分。因為不易直接檢測2個電極之間電容的大小，所以采取采樣電阻法將電容信號轉變為電壓信號采集。

當施加高頻交變電壓信號Ui，則在采樣電阻RS兩端輸出交變的電壓信號UO可表示為：

(1)

式中：f為輸入電壓頻率；RX、CX分別為電容傳感器等效電阻和電容。

其中，電阻RX的阻值較大，且在高頻信號下，可以忽略RX的影響。當輸入電壓信號Ui的幅值和頻率都固定不變，且采樣電阻RS為固定阻值時，輸出的電壓信號UO僅隨CX的容值變化而變化，也就是UO僅與型砂含水率相關聯。因此，通過測量電壓UO的大小，可以間接獲得型砂含水率。

1.2 系統總體方案設計

為了準確、快速地檢測和輸出型砂水分信號，系統采用模塊化設計，以32位ARM微控制器STM32F103RCT6為核心控制器。核心控制器主要集成了激勵源發生模塊、電容信號采集模塊、顯示模塊和工業標準電流輸出模塊。激勵源發生模塊產生的正弦交流信號通過電容傳感器接口施加到被測型砂和采樣電阻。采樣電阻產生的壓降經過電容信號采集模塊處理后，以數字量傳給微控制器，再由工業電流輸出模塊輸出4～20 mA電流，可供上位機讀取。采集電壓和輸出電流讀數則通過顯示模塊進行數碼顯示，以便觀察和調節參數。系統總體設計如圖2所示。

圖2 系統總體設計框圖Fig.2 Overall system design block diagram

2 硬件設計

2.1 激勵源發生模塊設計

激勵源發生模塊電路如圖3所示。

圖3 激勵源發生模塊原理圖Fig.3 Schematic diagram of excitation source generation module

合適的激勵源是保證水分信號采集準確性的重要前提。本設計選擇低功耗、具有串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)的直接數字頻率合成器(direct digital synthesizer,DDS)AD9833產生正弦信號。微控制器通過SPI總線向AD9833發送命令和數據。芯片輸出電壓先經過電容C1濾除高頻雜波，再由電容C2隔直流，可產生振幅±0.6 V、頻率100 kHz的正弦信號。由于此時信號幅值太小，不利于后續電壓采集，所以先由運放OPA227組成的同相比例放大電路進行第一次放大，再由運放OPA551組成的同相比例放大電路進行第二次放大，從而得到高電壓和高電流輸出，以保證激勵源的穩定性。2次放大后，可得幅值大約為±10 V、頻率為100 kHz的正弦信號。

2.2 電容傳感器接口設計

電容傳感器接口電路如圖4所示。

圖4 電容傳感器接口電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of capacitance sensor interface circuit

本設計中，正弦交流激勵信號由電容傳感器接口施加到被測型砂和采樣電阻。其中：P1為交流信號輸出端子，可通過傳輸線連接插入型砂的電極，為平行極板電容器提供輸入電壓；采樣電阻RS1則產生響應電壓，供后續電路采集；雙向穩壓管D1起到防止電壓過高，穩定激勵源的作用。

2.3 電容信號采集模塊設計

采樣電阻產生的電壓為正弦波，微控制器無法直接讀取。因此，本設計先對交流電壓進行帶通濾波處理，以去除高頻和低頻噪聲；然后，經過有效值轉換電路將采集交流電變為直流，再由增益調節電路對直流電壓進行調零和放大；最后，由模擬/數字(analog/digital,A/D)采集電路將電壓模擬量轉變為數字量，再由微控制器讀取。

2.3.1 濾波及有效值轉換電路設計

由于采樣電阻輸出的原始電壓信號微弱，本設計先將交流電壓U1進行反相比例放大，以最大程度保留原始信號，再由無限增益多路反饋帶通濾波器進行濾波處理。濾波及有效值轉換電路如圖5所示。

圖5 濾波及有效值轉換電路圖Fig.5 Circuit diagram of filtering and RMS conversion

此時，濾波電路的傳遞函數為：

(2)

式中：f0為中心頻率；KP為電壓增益；Q為品質因數。

令C=C3=C4，則該濾波器的中心頻率f0、電壓增益KP、品質因數Q為：

(3)

由于本設計中采樣電阻輸出電壓頻率為100 kHz，所以中心頻率f0設為100 kHz；濾波前已經實現放大功能，則增益KP設為1、品質因數Q取5。

為了將濾波后的交流信號U1轉變為直流信號U2，設計了基于AD8436的有效值轉換電路。AD8436是一款低功耗、真有效值直流轉換器，可以精確地計算出任何包含直流的交流分量復雜輸入波形的真有效值，并將其轉換成直流輸出信號。

2.3.2 幅值調節及A/D采集電路設計

幅值調節電路有以下2個作用。

①空載調零。

由減法運算電路可得運放UA7輸出電壓U5為：

U5=U4-U3

(4)

式中：U4為采樣電阻的電壓經有效值轉換后的電壓；U3為數模轉換器AD5683輸出的電壓，其范圍為0～5 V可調。

由于寄生電容等影響，當沒有待檢測型砂時，也會采集到電壓。該電壓讀數很大，容易影響測量精度。因此，檢測前需要空載調零。通過調節U3的大小，使得U4=U3。此時，電壓U5為0。則微控制器讀取的A/D轉換值也為0。即：當無待測型砂時，對應含水率為0%。

②A/D數字量調節。

由同相比例運算電路以及電壓跟隨器電路，可得運放UA9的輸出電壓U6為：

(5)

式中：R17和R19為定值；R18為數字電位器輸出阻值。

型砂電容一般只有皮法級，導致采集電壓讀數較小。為了提高測量精度，通過改變R17的阻值，可以調節電壓U7的大小，從而使A/D采集數字量增大到合適的讀數。

幅值調節及A/D采集電路如圖6所示。

圖6 幅值調節及A/D采集電路圖Fig.6 Amplitude adjustment and A/D acquisition circuit diagram

A/D采集電路基于模數轉換器(analog-to-digital converter,ADC)AD7895-10。AD7895-10具有12位ADC、雙極性輸入和高速串行SPI接口等特點，只要單電源+5 V供電，就能采樣±10 V的電壓，能滿足本設計對A/D轉換精度和速度要求。為了保證轉換精度，采用AD780提供+2.5 V外部基準電壓作為參考，采集到的電壓經過一階低通濾波后，開始進行A/D轉換。

2.4 工業標準電流輸出模塊設計

型砂水分信號采集完成后，為了準確、可靠地輸出信號供上位機讀取，將信號轉變為工業標準電流形式輸出，使之不易受鑄造廠內工業噪聲干擾、適合遠距離傳輸[10]，本文設計了基于數模轉換器(digital-to- analog converter,DAC)AD5410的4～20 mA電流輸出模塊。AD5410是一款低成本、高精度、全集成、具有SPI的12位電流源DAC芯片，能夠提供可編程電流源輸出。微控制器通過SPI總線向AD5410發送命令和數據，可產生4～20 mA電流，經過穩壓后由P2接口輸出。晶體管Q1則起到減小片內輸出晶體管中的電流、降低功耗的作用。

4～20 mA電流輸出電路如圖7所示。

圖7 4～20 mA電流輸出電路圖Fig.7 Schematic diagram of 4～20 mA current output circuit

2.5 顯示模塊設計

顯示模塊可觀察采集到的電壓讀數和輸出電流讀數，便于參數調節。本設計中，顯示模塊主要由數碼管驅動芯片MAX7219、1個4位共陰極數碼管和1個3位共陰極數碼管組成。MAX7219具有SPI總線接口，最多能同時驅動8位7段共陰極數碼管。與直接用微控制器驅動數碼管相比，該方法占用端口少，節省了微控制器I/O口資源。由于只驅動7位數碼管，所以MAX7219芯片引腳DIG0～DIG6分別控制7位數碼管的位選狀態、Seg A～Seg G控制數碼管的段選狀態、Seg DP控制小數點顯示狀態。2個數碼管中，4位數碼管可顯示微控制器讀取的采集電壓的A/D轉換值，范圍為0～2 047；3位數碼管則顯示輸出電流讀數，范圍為4～20 mA。

數碼顯示電路原理如圖8所示。

圖8 數碼顯示模塊原理圖Fig.8 Schematic diagram of digital display module

3 軟件設計

型砂水分在線檢測系統軟件設計基于Keil5平臺，采用C語言進行程序編寫。其中主要包括正弦信號發生程序、A/D采集及數字濾波程序和D/A轉換程序。

3.1 系統工作流程

系統首先上電15 min，等待穩定和完成初始化，包括通用輸入/輸出口(general purpose input/output,GPIO)、SPI、嵌套向量中斷控制器(nested vectoredinterrupt controller,NVIC)和定時器等外設進行初始化設置。然后，系統根據數碼管顯示的數據進行參數調節，包括空載調零和采集電壓的數字量調節。調節完成后，系統通過型砂實際含水率與電壓數字量進行標定，并在標定完成后開始檢測型砂水分。最后，系統將檢測到的型砂水分信號以4～20 mA電流輸出，供上位機讀取。型砂水分在線檢測系統工作流程如圖9所示。

圖9 系統工作流程圖Fig.9 Flowchart of system work

3.2 正弦信號發生程序

STM32微控制器通過SPI串行通信方式設定AD9833的波形和頻率，使其輸出所需頻率的正弦波。輸出頻率可表示為：

(6)

式中：fOUT為AD9833輸出波形頻率，即正弦信號頻率；F為載入所選頻率寄存器的值；fMCLK為外接有源晶振頻率。

AD9833數據寫入流程如圖10所示。

圖10 AD9833數據寫入程序流程圖Fig.10 Flowchart of AD9833 data writer

正弦波發生程序流程為：首先，初始化AD9833，即先將RESET置1，防止初始化時產生虛假的DAC輸出；然后，設置控制寄存器中的D15D14=00，B28位置1，表示一次性連續寫入28位數據；當設定所需頻率，根據式(6)可以得出寫入頻率寄存器的32位16進制值，分別提取14個最低有效位(least significant bit,LSB)和14個最高有效位(most significant bit,MSB)，將提取的數據寫入到頻率寄存器0；寫入完成后，使RESET置0，AD9833復位并進入工作狀態，輸出正弦波形。

3.3 A/D采集及數字濾波程序

A/D采集及數字濾波程序是軟件設計的重點研究部分。其中：A/D采集程序主要實現將采集的電壓模擬量轉換為數字量，再由微控制器讀取；數字濾波程序用于在進行數據采集時，消除遇到的脈沖干擾和隨機誤差，可提高測量精度和穩定性[11-12]。

A/D采集程序根據A/D轉換芯片AD7895-10工作原理，配置SPI和TIM3定時器中斷程序。其中：SPI用于AD7895-10與微控制器數據傳輸；TIM3中斷程序則處理A/D數據轉換，2 ms中斷1次。當TIM3第一次中斷產生啟動A/D轉換；第二次則通過SPI總線向AD7895寫入數據，等待轉換；第三次中斷產生讀取A/D轉換值；轉換結束后清除TIM3中斷標志位，等待下一次轉換的到來。

A/D采集流程如圖11所示。

圖11 A/D采集流程圖Fig.11 Flowchart of A/D acquisition

數字濾波程序采用去極值平均濾波法，連續對A/D轉換值進行N次采集，然后去除其中最大值和最小值，再對剩余(N-2)個數據求出平均值作為最終采樣電壓讀數。其算法可表示為：

(7)

式中：Y為經過濾波處理后的輸出值；Xi為第i次采集的A/D轉換值；Xmax、Xmin分別為A/D轉換值中的最大值和最小值。

數字濾波流程中，N取10。數字濾波流程如圖12所示。

圖12 數字濾波流程圖Fig.12 Flowchart of digital filtering

3.4 D/A轉換程序

AD5410的寄存器寬度為24位，由8個地址位和16個數據位組成。其中：0x01為數據寄存器地址；0x55為控制寄存器地址；0x56為復位寄存器地址。微控制器可通過軟件模擬SPI總線對芯片進行數據讀寫。首先，向復位寄存器依次寫入0x00、0x01，使其復位；然后，向控制寄存器寫入0x10、0x05，使其電流輸出模式為4～20 mA。其中，輸出的電流模擬量可表示為：

(8)

式中：IOUT為模擬電流輸出值；D為載入DAC代碼的十進制等效值；VAD為微控制器讀取電壓的A/D轉換值。

因為A/D轉換芯片AD7895的讀數范圍是-2 048～+2 047，而D/A轉換芯片AD5410的讀數范圍是0～4 095，所以D的取值為2倍的A/D轉換值。

4 試驗與結果分析

4.1 水分標定

微控制器讀取的電壓數字量需要與型砂實際含水率進行標定，得出水分與電壓數字量的關系。標定試驗中，試驗材料為鑄造廠提供的型砂，試驗器材為SFY型砂水分測定儀、自制的型砂水分檢測儀。

本試驗中，將SFY型砂水分測定儀測得的型砂含水率作為實際值進行參考，根據含水率與電壓大致成線性關系，采用兩點標定法。

空載時，將采集電壓數字量調0，對應含水率為0%；以1%的含水率，將電壓數字量調至500，則水分與電壓關系如式(9)所示。

(9)

式中：W為型砂含水率；VAD為采集電壓數字量，取值范圍為0～2 047。

4.2 水分測試

型砂水分標定試驗完成后，需要進一步驗證系統測試值的精度是否符合要求。仍然以SFY型砂水分測定儀測得的型砂含水率為實際值、自制的型砂水分在線檢測儀測得的含水率為測試值，通過再測幾組含水率不同的型砂，對比得出實際含水率與測試含水率之間的誤差值，同時記錄響應時間。水分測試結果如表1所示。

表1 水分測試結果

試驗結果表明：在6組對比數據中，系統水分測試值與實際值之間最大絕對誤差為0.08%，平均誤差為0.05%，檢測響應時間不超過3 s。

5 結論

為快速、準確地檢測型砂水分，本文開發了一種以STM32F103RCT6微控制器為核心的數字式型砂水分在線檢測系統。本文詳細介紹了該系統的硬件和軟件設計方法。該系統具有空載調零和電壓數字量可調功能，能靈活適應不同鑄造廠的環境。通過水分標定試驗，本文給出了水分與電壓數字量關系。水分測試結果表明，該系統測試值與實際值的絕對誤差控制在0.1%以內，動態響應時間不超過3 s，能滿足現代鑄造對型砂水分檢測的準確性和快速性要求。