前言

雙繩無功抓斗廣泛應用于港口 、碼頭、車站、礦山及貨場, 在煤炭 、礦石 、沙石等散物轉運過程中, 是一種普遍采用的裝卸機械。目前較多采用皮帶秤或地中衡來間接解決抓斗的計量問題, 有些地方甚至沿用測量船舶吃水線方法來估算 。這些方法都存在著明顯的不足, 倘若能在抓斗裝卸貨物的同時自動完成稱重, 顯然是一種最可取的方法, 但它工作環境差, 作業時抓斗擺動大, 需要 2 只力傳感器, 還要抗強沖擊力等問題給設計帶來困難, 本文采用多微處理器技術和動態稱重算法研制了一種新型實用的無線動態稱重儀, 取得了良好的效果。

2 硬件電路框圖和功能

根據雙繩無功抓斗裝卸機械的結構, 無線動態抓斗秤設計成兩部分:前端的數據采集裝置和后臺的數據接收及智能儀表。數據采集裝置有 2 個, 分別安裝在固定抓斗的每根繩索處, 用于采集各自繩索的受力情況;數據接收及智能儀表安裝在操作室內, 以便操作者監視和人機對話。兩者間距離遠,且抓斗機械臂前后伸縮、左右移動范圍大, 采用FSK 無線通訊方式。

( 1) 數據采集裝置

為防止抓斗裝載貨物時產生的沖擊力和塵埃, 數據采集裝置必須有抗震措施、密封性好、功耗低, 能自動開關電源。電路框圖如圖 1 所示, 主要包括力傳感器和模擬電路、AD 轉換器和CPU 以及 FSK 調制和發送三部分。

力傳感器和模擬電路, DS -3t 力傳感器在 +5V 電源下輸出 0 ～ 1mV 模擬信號, 經 AD620 儀表放大器放大 100 倍后送至模數轉換器和喚醒電路。喚醒電路由比較器和單穩態電路構成, 用于產生 CPU 的復位信號 RST 。另外, 電源由蓄電池供電, 采用具有低壓檢測功能的低壓差線性調壓器 MAX883 。AD 轉換器和 CPU, 根據計量精度的要求, AD7710 模數轉換器內部編程設置為 :分辨率 16Bit, 內部放大 2 倍, 低通濾波器的截止頻率 80Hz, 并選擇偏置標定方式以消除力傳感器、AD620 及 AD7710 所造成的零點誤差, 轉換結果通過 SPI 接口以中斷方式 、串行輸出給CPU, CPU 將數據經預處理, 采用串行口方式 3, 以 1200bps 發送給調制解調器, 每個數據的傳送包括 3 幀內容:1 幀控制字, 2 幀數據, 控制字和數據通過方式 3 中的可編程位 TB8 來 區分, “1”表示控制字, “0”表示數據 。FSK 調制和發射, 調制解調器 M SM 7512 將CPU 送來的串行數據調制成 FSK 信號, 由無線發送模塊以 94.5M Hz 的頻率發射出去, 考慮到功耗采用單工同步發射。

主要功能有:

①信號放大和采集。

②零點自動校正 。

③數據預濾波和 FSK 調制發射 。

④工作模式識別以及欠壓, 超載等報警。

( 2) 數據接收和智能儀表

前端兩個數據采集裝置異步地向后臺不斷發射數據, 為了能有效地進行數據接收、FSK解調和處理, 采用獨立的兩套數據接收和處理模塊, 將處理結果經 8155 接 口 芯 片 輸 出 給 主 CPU3, 它們之間的數據 通訊采用查詢方式, 。 其 中 另 一 片8155 芯片作鍵盤和打印 機接 口, 顯 示 接 口 由 CPU3 P1 口的 3 根 I/O 線分別作數據 、消隱和串 行時鐘, 數據存儲器采用 EEPROM 芯片, 并可保存三天的數據, 留出 CPU3 的串行口用于 以后擴展 。主要功能有:

①數據的接收和 FSK 解調 。

②數據校驗 、濾波、非線性補償及動態稱重計算。

③數據顯示 、打印、存儲和報警 。

④鍵處理, 包括日期設定 、去皮 、置零、清除、查詢和累計等。

3 動態稱重算法

在動態條件下, 由于抓斗提取時的振動, 運動過程中的擺動, 鏈鉤上下的沖擊, 電氣設備的啟停等多種原因都將帶來干擾, 稱重信號實際上是在被稱貨物重量信號上迭加了一個交變諧波干擾信號, 且振幅較大, 如何消除或減少振動的干擾是解決問題的關鍵, 動態信號的 處理方法有多種[ 1 ～ 4] , 在動態干擾不大或準確度要求不高時, 可以采用多次采樣取平均值, 但在動態干擾大, 而且準確度要求高時, 必須采用更好的處理方法。 根據實驗結果, DS 力傳感器的輸出信號如圖 3 所示, t0 ～ t1 空秤零點階段, t1 ～ t2 逐漸上秤階段, t 2 ～ t 3 上秤平移階段, t3 ～ t4 卸物后返回階段, t4 以后為第二 輪上秤開始階段 。動態稱重算法是在 u( t) 中自動識別出抓斗 t2 ～ t 3 的稱重階段, 采用多次 采用取加權平均值, 并以適當的校正方法獲取被稱貨物的重量。

首先對 u( t) 信號作快速采樣, 中位值濾波得到有效測量數據 u( k) , 即連續采樣 m 次( m ≥3) , 并從大到小順序排列, 從首尾各舍掉 1/3 個大數和小數, 再將剩余的 1/3 個大小居中 的數據進行平均 。然后對 u( t) 的 n 次測量值 u( k -n +1) , u( k -n +2) , …, u( k) , 采用增加 一個新數據u( k) , 去掉一個老數據u( k -n) , 再進行平均的移動加權平均值濾波得到n 時刻 u( t) 信號的輸出 U— ( k) , 即 圖 3 傳感器的輸出信號 U— ( k) =∑n -1 i=0Ai ×u( k -i) , k =0, 1, 2 … ( 1) 式中 Ai 為權系數, 且 ∑n -1 i =0Ai =1 。 最后將 U— ( k) 轉換為重量值 M ( k) , 即 M ( k) =K1K2U— ( k) ( 2) 式中 K1 —質量/電壓轉換系數;K2 —校 正系數。 兩只傳感器的M ( k) 之和就等于此時所稱的 貨物重量, 當檢測到已卸下貨物, 再將上秤平移 階段所得到的貨物重量再作一次中位值濾波可獲得較高的測量準確度。 濾波點數主要取決于干擾程度和系統的靈敏度, 從調試看, 前端數據采集裝置采用 5 點 中位置濾波;稱重階段采用 16 點加權移動取平均值平滑度較好, 但靈敏度不夠, 倘若在 獲得的數據 u( k +1) 與上一時刻值 U— ( k) 比較相差大于 0.05( 由精度確定) 時, 就用 u( k +1) 去刷新 u( k) 至 u( k -15) 的 16 個數據就能獲得滿意的動態性能。

另外, 采樣率是一個重要的參數, 它主要由干擾信號和動態性能決定, 但受發射速率的限制,

據調試結果, 可根據主要干擾脈沖的周期和數字濾波器的點數來選取, 一般應大于50Hz。

軟件設計

由于整個系統采用多 CPU 結構, 編制程序較多, 限于篇幅僅介紹其中的部分程序設計。數據采集裝置中的 CPU 有兩種低功耗模式:省電模式和閑置模式。省電模式下 CPU可以由內、外中斷激活, 閑置模式僅由復位信號 RST 激活, 其軟件的設計除完成數據的讀入、處理和發射外, 應結合硬件使整個數據采集裝置的功耗降至更低 。因此 CPU 與外界的 聯系都采用中斷方式而使其在大部分時間處于省電模式, 一旦識別出抓斗停止工作就切斷 發射模塊電源, 置AD7710 和 MSM7512 為低功耗, CPU 進入閑置模式使其處于待機狀態等,待下次喚醒, 智 能 儀 表 中 CPU1 和 CPU2 的程序除傳感器的校正參數不同外基本一樣, 主要做數據的接收和有關動態算法上的多字節乘除運算及與 CPU3的接口程 序, 其中接收端只有在收到控制字后, 方能接收后面緊隨的2 幀數據, 否則認為 是無效數據.CPU3 的主程序做鍵處理以及數據的存儲和故障報警, 每隔 0.5 秒由 T0 定時中斷從數據接收模塊中讀取每只傳感器的處理結果, 并計算出此時抓斗所抓貨物的重量, T0 中 斷程序框圖所示 。

結 語

本文從硬件 、軟件和動態算法三方面介紹了無線動態抓斗秤的設計, 經實驗調試, 具有準確度高、穩定性好, 便于安裝 、使用和維護 。既可在線動態稱重, 也可用于靜態計量, 提高了工作效率, 減輕了勞動強度, 減少計量異議, 方便生產計量統計 。其主要性能指標有:

( 1) 最大稱量 5t, 包括抓斗自重 。

( 2) 分度值 2kg 。

( 3) 準確度 :靜態 <0.1/100, 動態<2/100

( 4) 輸出方式:LED 顯示和打印制表 。

( 5) 其它:數據采集裝置需 +6V 蓄電池供電, 平均功耗 30mW ;采樣頻率 80Hz 。

在建立了高精度 、寬范圍熱力參數數學模型的基礎上, 結合單片機運算速度快 、指令豐 

富和多功能等優點, 研制的智能化熱力參數測量儀實現了熱力參數的智能化快速檢測。儀

器小巧輕便、反應靈敏、安裝方便、通用性強, 評為新產品和國家重點推廣產品, 可望成為熱力系統的更新換代設備 。