前言(yan)

雙(shuang)繩無功抓鬥廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)港口(kou) 、碼頭、車站(zhan)、礦山及(ji)貨(huo)場, 在(zai)煤(mei)炭 、礦(kuang)石(shi) 、沙(sha)石(shi)等散(san)物(wu)轉運(yun)過(guo)程(cheng)中, 是(shi)壹種(zhong)普遍采用(yong)的裝(zhuang)卸機(ji)械。目(mu)前較(jiao)多采(cai)用(yong)皮帶(dai)秤(cheng)或地中(zhong)衡來(lai)間接解決抓鬥的計量問(wen)題(ti), 有些(xie)地方(fang)甚至(zhi)沿用(yong)測(ce)量船舶(bo)吃水線(xian)方(fang)法來(lai)估算(suan) 。這(zhe)些方(fang)法都存在(zai)著(zhe)明顯的不足(zu), 倘若能(neng)在抓鬥裝(zhuang)卸貨(huo)物(wu)的同(tong)時自(zi)動完(wan)成(cheng)稱(cheng)重(zhong), 顯(xian)然(ran)是壹種(zhong)可(ke)取(qu)的方法, 但它工作(zuo)環境(jing)差(cha), 作(zuo)業時抓鬥擺(bai)動大, 需(xu)要(yao) 2 只(zhi)力(li)傳感器, 還要(yao)抗強(qiang)沖(chong)擊(ji)力(li)等問(wen)題(ti)給(gei)設計(ji)帶來(lai)困(kun)難, 本(ben)文(wen)采(cai)用(yong)多微處理器技術(shu)和動態稱重算法研制了壹種(zhong)新型(xing)實(shi)用(yong)的無線(xian)動態稱重儀, 取(qu)得(de)了良(liang)好(hao)的效果(guo)。

2 硬(ying)件電(dian)路(lu)框圖(tu)和功能(neng)

根據雙(shuang)繩(sheng)無功抓鬥裝(zhuang)卸機(ji)械的結(jie)構, 無線(xian)動態抓鬥秤(cheng)設(she)計成(cheng)兩(liang)部分(fen):前端(duan)的數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置(zhi)和後(hou)臺的數(shu)據接(jie)收(shou)及(ji)智能(neng)儀表(biao)。數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置有(you) 2 個, 分(fen)別安裝(zhuang)在固(gu)定抓鬥的每(mei)根繩(sheng)索處(chu), 用(yong)於(yu)采(cai)集(ji)各自(zi)繩(sheng)索的受力(li)情(qing)況;數(shu)據接(jie)收(shou)及(ji)智能(neng)儀表(biao)安裝(zhuang)在操(cao)作(zuo)室內, 以便操作者監視和(he)人(ren)機(ji)對話。兩(liang)者間距離(li)遠(yuan),且(qie)抓鬥機(ji)械臂(bi)前後(hou)伸縮、左右(you)移動範圍(wei)大, 采(cai)用(yong)FSK 無線(xian)通(tong)訊(xun)方式(shi)。

( 1) 數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置

為(wei)防(fang)止(zhi)抓鬥裝(zhuang)載(zai)貨物(wu)時(shi)產生(sheng)的沖(chong)擊(ji)力(li)和塵(chen)埃(ai), 數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置必(bi)須有(you)抗震措施(shi)、密封(feng)性(xing)好(hao)、功耗(hao)低(di), 能(neng)自動開(kai)關電(dian)源(yuan)。電路(lu)框圖(tu)如圖(tu) 1 所示, 主要(yao)包(bao)括力(li)傳感器和模(mo)擬電(dian)路(lu)、AD 轉換器和CPU 以(yi)及(ji) FSK 調(tiao)制和發(fa)送(song)三部分。

力(li)傳感器和模(mo)擬電(dian)路(lu), DS -3t 力傳感器在 +5V 電(dian)源下輸(shu)出(chu) 0 ～ 1mV 模(mo)擬信號(hao), 經(jing) AD620 儀表(biao)放大器放大 100 倍(bei)後(hou)送(song)至(zhi)模(mo)數(shu)轉換器和喚(huan)醒電(dian)路(lu)。喚醒電(dian)路(lu)由比較(jiao)器和單穩(wen)態電路(lu)構成(cheng), 用(yong)於(yu)產(chan)生(sheng) CPU 的復位信號(hao) RST 。另(ling)外(wai), 電源(yuan)由(you)蓄(xu)電池(chi)供電(dian), 采用(yong)具(ju)有低(di)壓檢(jian)測(ce)功能(neng)的低(di)壓差(cha)線性(xing)調(tiao)壓器 MAX883 。AD 轉換器和 CPU, 根據計(ji)量精度(du)的要(yao)求, AD7710 模(mo)數(shu)轉換器內部編(bian)程(cheng)設置(zhi)為(wei) :分辨率 16Bit, 內部放大 2 倍(bei), 低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器的截(jie)止(zhi)頻(pin)率 80Hz, 並選擇偏(pian)置(zhi)標(biao)定方式(shi)以(yi)消除(chu)力傳感器、AD620 及(ji) AD7710 所(suo)造(zao)成(cheng)的零點誤差, 轉換結(jie)果通(tong)過(guo) SPI 接口(kou)以(yi)中斷(duan)方(fang)式(shi) 、串(chuan)行(xing)輸(shu)出(chu)給(gei)CPU, CPU 將數(shu)據經(jing)預(yu)處(chu)理, 采(cai)用(yong)串(chuan)行(xing)口(kou)方式(shi) 3, 以(yi) 1200bps 發(fa)送(song)給(gei)調(tiao)制解調(tiao)器, 每(mei)個數(shu)據的傳送(song)包括(kuo) 3 幀內容:1 幀控(kong)制字(zi), 2 幀數(shu)據, 控(kong)制字(zi)和數(shu)據通(tong)過(guo)方式(shi) 3 中(zhong)的可(ke)編(bian)程(cheng)位 TB8 來 區分, “1”表(biao)示控(kong)制字(zi), “0”表(biao)示數(shu)據 。FSK 調(tiao)制和發(fa)射, 調(tiao)制解調(tiao)器 M SM 7512 將CPU 送(song)來的串行(xing)數(shu)據調(tiao)制成(cheng) FSK 信號(hao), 由(you)無線(xian)發(fa)送(song)模(mo)塊以(yi) 94.5M Hz 的頻(pin)率發(fa)射出(chu)去(qu), 考慮(lv)到(dao)功耗(hao)采用(yong)單工同(tong)步發射(she)。

主(zhu)要(yao)功能(neng)有:

①信號(hao)放大和(he)采(cai)集(ji)。

②零點自動校正 。

③數(shu)據預(yu)濾(lv)波(bo)和 FSK 調(tiao)制發射(she) 。

④工作(zuo)模(mo)式(shi)識(shi)別以及(ji)欠(qian)壓, 超載(zai)等報(bao)警(jing)。

( 2) 數(shu)據接(jie)收(shou)和智能(neng)儀表(biao)

前端(duan)兩(liang)個數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置異(yi)步地向(xiang)後(hou)臺不斷(duan)發(fa)射數(shu)據, 為(wei)了能(neng)有效(xiao)地進(jin)行(xing)數(shu)據接(jie)收(shou)、FSK解(jie)調(tiao)和處理(li), 采用(yong)獨(du)立的兩(liang)套數(shu)據接(jie)收(shou)和處(chu)理模(mo)塊, 將(jiang)處理結(jie)果經 8155 接(jie) 口(kou) 芯 片(pian) 輸(shu) 出(chu) 給(gei) 主 CPU3, 它(ta)們之(zhi)間的數(shu)據 通(tong)訊(xun)采用(yong)查(zha)詢(xun)方式(shi), 。 其(qi) 中 另(ling) 壹 片(pian)8155 芯片(pian)作鍵盤(pan)和(he)打印 機接(jie) 口, 顯 示 接 口 由 CPU3 P1 口(kou)的 3 根 I/O 線(xian)分(fen)別作數(shu)據 、消隱(yin)和串(chuan) 行(xing)時(shi)鐘, 數(shu)據存儲器采用(yong) EEPROM 芯片(pian), 並可(ke)保(bao)存三天的數(shu)據, 留出(chu) CPU3 的串行(xing)口(kou)用(yong)於(yu) 以(yi)後(hou)擴展 。主要(yao)功能(neng)有:

①數(shu)據的接收(shou)和 FSK 解(jie)調(tiao) 。

②數(shu)據校驗 、濾波(bo)、非線(xian)性(xing)補(bu)償(chang)及(ji)動態稱重計算。

③數(shu)據顯(xian)示 、打印、存儲和報警 。

④鍵(jian)處理(li), 包(bao)括日期設定 、去(qu)皮 、置(zhi)零、清(qing)除(chu)、查(zha)詢(xun)和累(lei)計(ji)等。

3 動態稱重算法

在(zai)動態條件下, 由於(yu)抓鬥提(ti)取(qu)時的振(zhen)動, 運(yun)動過(guo)程(cheng)中的擺動, 鏈鉤(gou)上下的沖(chong)擊(ji), 電(dian)氣設(she)備的啟停(ting)等多種(zhong)原(yuan)因(yin)都將帶來幹(gan)擾(rao), 稱重(zhong)信號(hao)實(shi)際(ji)上是在(zai)被(bei)稱(cheng)貨(huo)物(wu)重(zhong)量信號(hao)上叠加了壹個交(jiao)變諧波(bo)幹擾(rao)信號(hao), 且(qie)振(zhen)幅較(jiao)大, 如何(he)消除(chu)或減少振(zhen)動的幹擾(rao)是解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)的關鍵(jian), 動態信號(hao)的 處理(li)方法有(you)多種(zhong)[ 1 ～ 4] , 在動態幹擾(rao)不大(da)或準確度要(yao)求不高時(shi), 可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)多次(ci)采樣(yang)取(qu)平均(jun)值, 但在動態幹擾(rao)大, 而且(qie)準確度要(yao)求高時(shi), 必(bi)須采(cai)用(yong)更好(hao)的處理(li)方法。 根據實(shi)驗(yan)結(jie)果, DS 力傳感器的輸(shu)出(chu)信號(hao)如(ru)圖(tu) 3 所示, t0 ～ t1 空秤(cheng)零點階段, t1 ～ t2 逐(zhu)漸(jian)上秤(cheng)階(jie)段, t 2 ～ t 3 上秤(cheng)平移階(jie)段, t3 ～ t4 卸(xie)物(wu)後(hou)返(fan)回階(jie)段, t4 以(yi)後(hou)為(wei)第二(er) 輪上秤(cheng)開(kai)始階(jie)段 。動態稱重算法是(shi)在 u( t) 中(zhong)自動識(shi)別出(chu)抓鬥 t2 ～ t 3 的稱重(zhong)階段, 采(cai)用(yong)多次(ci) 采用(yong)取(qu)加權(quan)平均(jun)值, 並以適(shi)當(dang)的校正方法獲(huo)取(qu)被稱(cheng)貨(huo)物(wu)的重量。

首先(xian)對(dui) u( t) 信號(hao)作(zuo)快(kuai)速采樣(yang), 中(zhong)位值濾(lv)波(bo)得(de)到(dao)有效(xiao)測(ce)量數(shu)據 u( k) , 即(ji)連(lian)續采樣(yang) m 次(ci)( m ≥3) , 並從大(da)到(dao)小(xiao)順序排(pai)列, 從首尾(wei)各舍掉 1/3 個大(da)數(shu)和(he)小(xiao)數(shu), 再(zai)將剩(sheng)余(yu)的 1/3 個大(da)小(xiao)居中 的數(shu)據進(jin)行(xing)平均(jun) 。然(ran)後(hou)對 u( t) 的 n 次測(ce)量值 u( k -n +1) , u( k -n +2) , …, u( k) , 采(cai)用(yong)增(zeng)加(jia) 壹個新(xin)數(shu)據u( k) , 去(qu)掉壹個老(lao)數(shu)據u( k -n) , 再(zai)進(jin)行(xing)平均(jun)的移動加權(quan)平均(jun)值濾(lv)波(bo)得(de)到(dao)n 時刻(ke) u( t) 信號(hao)的輸(shu)出(chu) U— ( k) , 即(ji) 圖(tu) 3 傳感器的輸(shu)出(chu)信號(hao) U— ( k) =∑n -1 i=0Ai ×u( k -i) , k =0, 1, 2 … ( 1) 式(shi)中(zhong) Ai 為(wei)權系(xi)數(shu), 且(qie) ∑n -1 i =0Ai =1 。 後(hou)將 U— ( k) 轉換為(wei)重量值 M ( k) , 即(ji) M ( k) =K1K2U— ( k) ( 2) 式(shi)中(zhong) K1 —質量/電壓轉換系數(shu);K2 —校 正系數(shu)。 兩(liang)只(zhi)傳感器的M ( k) 之和(he)就等(deng)於(yu)此(ci)時(shi)所(suo)稱的 貨物(wu)重(zhong)量, 當(dang)檢(jian)測(ce)到(dao)已(yi)卸下(xia)貨物(wu), 再(zai)將上秤(cheng)平移 階(jie)段所(suo)得(de)到(dao)的貨物(wu)重(zhong)量再作(zuo)壹次(ci)中位值濾(lv)波(bo)可(ke)獲(huo)得(de)較(jiao)高的測(ce)量準確度。 濾波(bo)點數(shu)主(zhu)要(yao)取(qu)決於(yu)幹(gan)擾(rao)程(cheng)度和(he)系統(tong)的靈敏(min)度(du), 從調(tiao)試(shi)看, 前端(duan)數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置采(cai)用(yong) 5 點 中位置濾波(bo);稱重(zhong)階段采(cai)用(yong) 16 點加權移動取(qu)平均(jun)值平滑度較(jiao)好(hao), 但靈敏(min)度(du)不夠, 倘若在 獲(huo)得(de)的數(shu)據 u( k +1) 與(yu)上壹時(shi)刻值 U— ( k) 比較(jiao)相(xiang)差大(da)於(yu) 0.05( 由(you)精(jing)度(du)確定) 時, 就用(yong) u( k +1) 去(qu)刷新(xin) u( k) 至(zhi) u( k -15) 的 16 個數(shu)據就能(neng)獲得(de)滿意(yi)的動態性(xing)能(neng)。

另(ling)外(wai), 采樣(yang)率(lv)是(shi)壹個重(zhong)要(yao)的參數(shu), 它(ta)主要(yao)由(you)幹擾(rao)信號(hao)和(he)動態性(xing)能(neng)決定, 但受發(fa)射(she)速率的限制(zhi),

據調(tiao)試(shi)結(jie)果, 可(ke)根據主(zhu)要(yao)幹(gan)擾(rao)脈沖(chong)的周期和數(shu)字(zi)濾波(bo)器的點數(shu)來(lai)選取(qu), 壹般(ban)應(ying)大於(yu)50Hz。

軟(ruan)件設(she)計(ji)

由(you)於(yu)整(zheng)個系(xi)統(tong)采用(yong)多 CPU 結(jie)構, 編制(zhi)程(cheng)序較(jiao)多, 限(xian)於(yu)篇(pian)幅(fu)僅(jin)介(jie)紹(shao)其(qi)中的部分(fen)程(cheng)序設(she)計。數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置中(zhong)的 CPU 有兩(liang)種(zhong)低(di)功耗(hao)模(mo)式(shi):省(sheng)電(dian)模(mo)式(shi)和(he)閑(xian)置(zhi)模(mo)式(shi)。省(sheng)電(dian)模(mo)式(shi)下(xia) CPU可(ke)以(yi)由(you)內、外(wai)中斷(duan)激(ji)活(huo), 閑置模(mo)式(shi)僅(jin)由(you)復位信號(hao) RST 激(ji)活, 其(qi)軟件的設計(ji)除(chu)完(wan)成(cheng)數(shu)據的讀(du)入(ru)、處(chu)理和(he)發(fa)射(she)外(wai), 應(ying)結(jie)合硬件(jian)使(shi)整個數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置的功耗(hao)降至(zhi)更低(di) 。因此 CPU 與(yu)外(wai)界的 聯系(xi)都采用(yong)中(zhong)斷(duan)方(fang)式(shi)而使(shi)其(qi)在大部分(fen)時(shi)間處於(yu)省(sheng)電(dian)模(mo)式(shi), 壹旦識(shi)別出(chu)抓鬥停(ting)止(zhi)工作(zuo)就切(qie)斷 發射模(mo)塊電(dian)源, 置AD7710 和(he) MSM7512 為(wei)低(di)功耗(hao), CPU 進入(ru)閑(xian)置模(mo)式(shi)使(shi)其(qi)處於(yu)待(dai)機(ji)狀(zhuang)態等,待下次喚醒, 智 能(neng) 儀 表(biao) 中 CPU1 和(he) CPU2 的程(cheng)序除(chu)傳感器的校正參數(shu)不(bu)同(tong)外(wai)基本(ben)壹樣(yang), 主(zhu)要(yao)做(zuo)數(shu)據的接收(shou)和有(you)關動態算法上的多字(zi)節乘除(chu)運(yun)算(suan)及(ji)與(yu) CPU3的接口(kou)程(cheng) 序, 其(qi)中接收(shou)端(duan)只(zhi)有(you)在收(shou)到(dao)控(kong)制字(zi)後(hou), 方能(neng)接收(shou)後(hou)面(mian)緊(jin)隨(sui)的2 幀數(shu)據, 否則認(ren)為(wei) 是無效(xiao)數(shu)據.CPU3 的主程(cheng)序做(zuo)鍵處(chu)理以及(ji)數(shu)據的存儲和故障(zhang)報(bao)警, 每(mei)隔(ge) 0.5 秒由 T0 定時中斷(duan)從數(shu)據接(jie)收(shou)模(mo)塊中(zhong)讀(du)取(qu)每(mei)只(zhi)傳感器的處理(li)結(jie)果, 並計算出(chu)此(ci)時抓鬥所(suo)抓貨(huo)物(wu)的重量, T0 中 斷(duan)程(cheng)序框圖(tu)所示 。

結(jie) 語(yu)

本(ben)文從硬(ying)件 、軟件(jian)和動態算法三方面(mian)介(jie)紹(shao)了無線(xian)動態抓鬥秤(cheng)的設計(ji), 經實(shi)驗(yan)調(tiao)試(shi), 具(ju)有準(zhun)確度高、穩(wen)定性(xing)好(hao), 便於(yu)安(an)裝(zhuang) 、使用(yong)和(he)維護(hu) 。既可(ke)在(zai)線(xian)動態稱重, 也可(ke)用(yong)於(yu)靜態計量, 提高了工作(zuo)效率, 減輕了勞動強(qiang)度(du), 減少計(ji)量異(yi)議(yi), 方便生產計量統(tong)計 。其(qi)主要(yao)性(xing)能(neng)指標(biao)有:

( 1) 大(da)稱量 5t, 包括(kuo)抓鬥自(zi)重(zhong) 。

( 2) 分(fen)度值 2kg 。

( 3) 準(zhun)確度 :靜態 <0.1/100, 動態<2/100

( 4) 輸(shu)出(chu)方(fang)式(shi):LED 顯(xian)示和打印制表(biao) 。

( 5) 其(qi)它:數(shu)據采(cai)集(ji)裝(zhuang)置需(xu) +6V 蓄(xu)電池(chi)供電(dian), 平均(jun)功耗(hao) 30mW ;采樣(yang)頻(pin)率 80Hz 。

在(zai)建(jian)立了高精(jing)度(du) 、寬(kuan)範圍熱力參數(shu)數(shu)學模(mo)型(xing)的基礎(chu)上, 結(jie)合單片(pian)機運(yun)算(suan)速度快(kuai) 、指(zhi)令豐

富和多功能(neng)等優(you)點, 研制的智能(neng)化熱力參數(shu)測(ce)量儀實(shi)現(xian)了熱力參數(shu)的智能(neng)化快(kuai)速檢(jian)測(ce)。儀

器小(xiao)巧輕便、反(fan)應(ying)靈敏(min)、安(an)裝(zhuang)方便、通(tong)用(yong)性(xing)強(qiang), 評為(wei)新產(chan)品和國家重點推廣產(chan)品, 可(ke)望成(cheng)為(wei)熱力系(xi)統(tong)的更新(xin)換代設備(bei) 。