基于单片机的智能动态轨道衡控制系统设计 - 图文

第２７卷第７期

竺竺 ：璺 煤矿机械

Ｖｏｌ

２７Ｎｏ

７ 堡！！！坚ｉ些些！！垒ｉ垒！翌 文章编号：１００３—０７９４（２００６】０７－０００５．０３ ！：！：：！！！！！

基于单片机的智能动态轨道衡控制系统设计

李录锋

（徐州建筑职业技术学院，江苏徐州２２１００８）

摘要：介绍一种以单片机为核。所构成的智能动态轨道衡控制系统的设计方法，包括总体 方案、网络硬件与软件设计。系统中采用了计算机、控制、通信、网络和电路设计等多领域的较先进 的技术。使系统具有较完备的控制功能，具有智能的控制算法、稳定的性能和优良的性能价格比。

关键词：单片机；轨道衡；智能仪器 中图号：ＴＰ３６８．１

文献标识码：Ａ

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｃａｌｅｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ．．ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

Ｕ Ｌｕ—ｆｅｎｇ Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａ ｋｉｎｄｏｆｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｒａｉｌｗａｙｓｃａｌｅｓ ｂａｓｅｗａｙｏｆｏｎ（Ｘｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ］ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔＸｕｚＩｌｏｕ ２２１００８，

ｓｉｎｄｅ—ｃｈｉｐｍｉ－ ｄ ｃｒｏｅｏｎｔｒｅｌｌｅｒ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｌａｎ，ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ％ｎｗａＴｅ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｍａｎｙ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｗｈｉｃｉｎｖｏｌｖｅｄ ｈａｒｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｒｅｔｏ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｅｏｎｔｒｏｌ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ

ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ

ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｇｏｏｄ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍｏｔｏｒｉｎｇ，ａｎｄｉｎｔｅｌｌｉ—ｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｓｔｅａｄｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｆｒｉｅｎｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ—ｃｏｓｔ ｒａｄｌｙ ｔｉｏ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｄｅ—ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｅｏｎｔｒｅｌｌｅｒ；ｒａｉｌｗａｙ ｓｃａｌｅｓ；ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ

０

问题的提出““３“４’ 智能动态称重技术虽然已经出现，但仍然处于

１．２数据获取电路设计 １．２．１传感嚣

称重传感器的选择主要涉及量程、结构形式、抗 偏载能力等。悬臂梁式传感器具有良好的抗侧向力 和抗偏载能力，同时它的承载方式为平面承载。这 样，４只传感器就可以满足衡体的要求，节约了资 金，也方便了数据采集。故本系统中称重传感器选 用西门子公司的ｓＢ系列剪切梁式传感器。 １．２．２信号调整电路

发展阶段。市场上现有的一些产品价格高，精度却 不够，而且抗干扰能力差，只能应用于一些精度要求 不高，干扰不大的场合。本文所介绍的智能化动态 轨道衡主要用于轨道车辆在运行状态下的自动称 重，同时可以进行车次数和货物重量的累加，并可以 用微型打印机打印出统计结果。

１动态称重系统硬件方案设计

动态称重硬件系统组成原理如图ｌ，目前常用

１．１硬件组成原理

的智能动态称重衡器采集称重数据的原理是利用称 重传感器采集力信号，输出微小的称重模拟信号，经

图１系统组成原理图 信号放大电路放大后传送到调理电路，随后到ＡＩＤ

转换器．Ａ／Ｄ转换后所得数字信号由单片机按照一 定事先设计的程序进行处理，最后传至计算机并按 照用户需要打印、保存或是传送。

（１）测量电桥

该电路可以把电阻应变片式传感器转换过来的 电阻参数转换为电压参数。对于电桥而言，误差主 要来源于非线性误差和温度误差，使用全桥式直流 电桥，可以消除非线性误差，同时灵敏度也成倍提 高；温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同 造成的，减小温度误差的办法是贴应变片时尽量使

Ｆｉｇ．１ 各应变片的温度一致。

（２）稳压电路的设计

称重系统各元件额定电压均远低于交流电源电 压，因此应先通过变压器降到较为适合的交流电压。 然后再进行供电参数的转换，经变压器降压后的交 流电再通过整流电路就转换为幅值周期变化的直流 电，又利用滤波电路过滤掉这个幅值变化很大的直 流电中的交流成分，这样一来，输出的电量电压就基

?５?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ

万方数据

Ｖ０１．２７ Ｎｏ．７ 基于单片机的智能动态轨道衡控制系统设计——李录锋，等

本达到稳定，甚至可以提供给某些电子电路作为电 源。 （３）放大电路

第２７卷第７期 ＭＡＸ２３２实现将ＲＳ一２３２接口信号电平转化为ＴｒＬ 口的差 的

差分接１：３信号形式或进行相反方向的转换。每一个

电平。ＭＡＸ４８５为＋５ ｖ供电的ＲＳ一４８５接传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号，其幅 值或功率不足以进行后续的转换处理，或驱动指示 器、记录器以及各种控制机构，因此需对其进行放大 处理。由于差动放大器只对差模信号进行放大，输

分信号收发器，可以将１ｖｒＬ电平转化为Ｒｓ一４８５中继器（８９Ｃ５１）承担监控主机和３２个数据采集模块 ／Ｏ

端口线分别控制８９Ｃ５１与计算机、数据采集器之间

出信号中无共模信号成分，这对于称重传感器的桥

路输出信号放大十分有利，因为在电子衡器中需要 的就是电桥对角线上的差模信号。所以本系统选用

ＭＳＰ４３０Ｆ４４９之间通信的中继任务。采用不同的Ｉ差模放大电路来作为放大器电路。

（４）模拟滤波器设计

从选频这一点而言，椭圆形滤波器最优。滤波 器的阶数对滤波性能影响重大，阶数越高，滤波器的

的通信。中继器（８９Ｃ５１）和数据采集器ＭＳＰ４３０Ｆ４４９ 现２ 据

采集器实现称重数据的采集。由于ＲＳ一４８５接口 支持多级通信，允许总线上挂接３２个驱动器，因此 数据采集器。如果在中间再增加１级８９Ｃ５１作为中 继器，可以将用户数目扩大３２倍。 ２通信网络硬件连接电路 之间也采用ＲＳ一４８５半双工接口，由ＭＡＸ４８５实性能越好，但计算量也越大，因此在保证满足系统性 种信号格式的转换。ＭＳＰ４３０Ｆ４４９单片机构成数通过分级管理，监控计算机可连接３２×３２＝１ ０２４个能的前提下，选用低阶次的滤波器，故本系统中选用 ７阶椭圆滤波器。

２．１ ＲＳ一２３２与ＲＳ一４８５之间的电路连接 ＲＳ一２３２接口信号格式转换成ＲＳ一４８５差分接

１．３单片机模块与通信网络设计

称重采集系统的核心是一个单片机模块，它主 要完成各个数据点的数据采集、处理、显示和通信功 能。本称重系统选用１６位单片机ＭＳＰ４３０Ｆ４４９开发

口信号格式的电路连接如图３所示，通信中继器的 电路连接如图４所示。

图４所示通信中继器的连接电路中，８９Ｃ５１和

计算机之间、８９Ｃ５１和数据采集器（ＭＳＰ４３０Ｆ４间用１根双绞线进行半双工通信，分时实现发送和 接收。由于使用１个串行口进行通信，为了避免发 据允 允许位

数据采集模块，根据单片机ＭＳＰ４３０Ｆ４４９的自身性能 ４９）之

特点，其内置采样与保持电路，所以，不再另外设计 采样保持电路。

（Ｉ）单片机硬件电路设计

为了获得较为精确的称重数据和较好的实时称

生信号混乱，用Ｐ１．６控制１＃ＭＡＸ４８５的发数量效果，系统设计中采用了ＥＭＤ算法。其硬件设计 许位ＤＥ；用Ｐ１．７控制２＃ＭＡＸ４８５的发数据的整体框图如图２所示。

ＤＥ。接收数据总是不同时进行，按先接收计算机发 送的地址。再发送地址给数据采集器，最后接收数据 采集器发送过来的数据顺序进行。采用多级通信方 式，数据格式为１１位，按先后顺序分别是１位起始 位、８位数据位、第９位用于识别发送或接收的是地 址还是数据。每个通信中继器有一个唯一的地址，

分别为０—３１，由接在Ｐｌ口的拨动开关的设置来唯

一确定。

图２硬件设计整体框图 Ｆｉｇ．２ Ｏｖｅｒａｌｌｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ

（２）通信网络设计

称重系统的通信网络由监控主机，中继器和采 集点组成。各个采集点与监控主机之间的通信采用

多级分级通信模式。通信网络采用分级通信方式，

监控和３２个中继器之间采用ＲＳ一４８５半双工接口。

－６? Ｆｉｇ．３ 图３ ＲＳ一２３２与ＲＳ一４８５转换电路

Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ＲＳ一２３２ ａｎｄ ＲＳ一４８５

万方数据

第２７卷第７期 基于单片机的智能动态轨道衡控制系统设计——李录锋，等

Ｖ０１．２７ Ｎｏ．７

②采用Ａ／Ｄ集成电路板，不但提高了转换精 度、速度，而且也增强了系统的抗干扰性能。

③空间抗电磁干扰措施有：系统配备良好的接

地装置；系统的数字接地端与模拟接地端分开设置； 用金属壳对整机部件进行屏蔽，防止空间干扰。 ２．４软件抑制干扰、减少误差的措施

（１）滤波补偿方式； （２）消除不稳定信号； （３）数字滤波器。

圄４通信中继器电路 Ｆｉｇ．４ ３软件设计 （１）软件总体功能：自动清零；自动称重；数据保

Ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ ｒｅｐｅａｔｅｒ

２．２误差分析‘８】

为了更精确地测得被称量数值，应彻底分析称

存。 （２）软件结构：包括４个部分，即数据采集模块、

重误差的来源，逐项回溯，调整可控因素，增加抑制 Ａ／Ｄ转换模块、数字滤波器模块和ＥＭＤ数据处理模

干扰措施，减少误差来源。主要误差有：（１）传感器 块。 的电源误差；（２）放大器漂移引起的误差；（３）机械部 参考文献： 分振动引起的误差；（４）传感器的供桥电源。 ２．３干扰信号处理

常采用的硬件抑制干扰措施： （１）供电系统的抗干扰措施

①对于供电电源，本系统要求单独供电，而且电 源端不可与大功率电器混用，电源线要求保证良好 接地。 【１］李友善白动控制原理：上册［Ｍ】．北京：国防工业出版社，１９８３． ［２］施昌彦．动态称重测力技术的现状和发展趋势【Ｊ］．计量学报，

２００１．１２２（３）：２０１—２０５

［３］周道武．动态称重技术若干问题研究［Ｄ］西北工业大学。２００１． ［４］于哲峰．扬智毒．ＥＭＤ技术在动态称重敷据处理中的应用［Ｊ］机

械科学与技术，２００４（４）．

【５］方墙生．传感器原理与应用【Ｍ］北京：电子工业出版社．１９９１．

ｆ６］刘九卿２Ｉ世纪初我国称重传感器技术的发展与展望［Ｊ］．衡器，

１９９９（４）． ［７］丁元杰，等．单片撤机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，

２００１．

⑦对于信号处理部分，采用无源铁氧体磁环控

制ＴｒＬ波形前沿，防止扁平电缆的串扰，让驱动波形 先经过铁氧体环再到电缆，这样一来驱动波形就变 得平缓。 （２）过程通道干扰处理

①在数据采集电路中，电阻应变式传感器与电 路板连接采用双绞线传输方式，双绞线不仅提高了 对磁场抗干扰能力，而且回路本身传输的电流一去 一回，２条线电流在空间产生的磁场正好抵消，因而 减小了对其他回路的影响。

【８】韩江宏，等控翩系统中电路的过度状态及干扰的解决措施［Ｊ】．

微型机与应用．

［９】邵世煌．计算机控制技术（Ｍ］北京：纺织工业出版社．１９９１． ［１０］常健生．检测与转换［Ｍ］．北京：机槭工业出版社，１９９０．

作者筒介：李录锋（１９７０一）．江苏丰县＾，讲师，１９９４年毕业于中原工学院工业自动化专业．２００４年获江苏大学硕士学位，研究方 向：控制科学与工程．

收藕日期：２００６—０３—３０

隔离电力变压器在，Ｊｇ矿的应用

充州矿业（集团）公司济宁三号煤矿东西布置２个大型采区，单面供电负荷为２

６００一３ ００ｋＷ。若由中央变电所馈电，则 ０ 电压质量无法保证。为此，采取了使用隔离电力变压器单独向东西２个大型采区馈电的供电方式，取得了良好的效果。

煤矿井下传统的供电方式是由地面的总降压变电站以双回或多回线路馈送至井下中央变电所，然后再以放射式供电方

式馈送至各用电负荷。由于供电负荷极不均匀，供电距离长短不一，造成供电质量不佳。采用隔离电力变压器供电具有以下 优点：①提高了采区的供电质量。该矿隔离电力变压器的变压比为６．３±２．２５％／６．３ ｋＶ，所以可以根据矿井总降压站６ ｋＶ母

线电压水平来独立调节隔离变压器的＝次侧电压，从而改善了采区的供电质量。⑦降低短路故障电流。由于采区负荷移动 性强且采场条件恶劣，供电事故率高于一般负荷。目前，采区大功率负载多采用高压电机拖动，当采区发生高压短路事故时． 一般均会引起６ ｋＶ母线电压下降，有低电压保护的部分动力及采用白保持接触器启动的动力将引起停机，严重影响生产的正

常进行。当采用隔离电力变压器后，由于厢离电力变压器的阻抗电压较高，对故障电流起到限流作用，减小短路电流在６ ｋＶ母线上的反应，亦减少了母线压降，不会造成大范围的停机事故。③降低接地电流。一般采用中性点不接地的变压器往井下 馈电。当矿井总降压变电所馈出线路较长较多时，单相接地引起的电容电流会大大超标。这个矿两大采区采用隔离变压器 馈电后。由于此变压器一、二次侧投有电的联系，所以当二次侧接地后，一次侧的相电压仍保持对称，从而降低了接地电容电 流．保证了系统安全运行。

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