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前言

双绳无功抓斗广泛应用于港口 、码头、车站、矿山及货场, 在煤炭 、矿石 、沙石等散物转运过程中, 是一种普遍采用的装卸机械。目前较多采用皮带秤或地中衡来间接解决抓斗的计量问题, 有些地方甚至沿用测量船舶吃水线方法来估算 。这些方法都存在着明显的不足, 倘若能在抓斗装卸货物的同时自动完成称重, 显然是一种可取的方法, 但它工作环境差, 作业时抓斗摆动大, 需要 2 只力传感器, 还要抗强冲击力等问题给设计带来困难, 本文采用多微处理器技术和动态称重算法研制了一种新型实用的无线动态称重仪, 取得了良好的效果。

2 硬件电路框图和功能

根据双绳无功抓斗装卸机械的结构, 无线动态抓斗秤设计成两部分:前端的数据采集装置和后台的数据接收及智能仪表。数据采集装置有 2 个, 分别安装在固定抓斗的每根绳索处, 用于采集各自绳索的受力情况;数据接收及智能仪表安装在操作室内, 以便操作者监视和人机对话。两者间距离远,且抓斗机械臂前后伸缩、左右移动范围大, 采用FSK 无线通讯方式。

( 1) 数据采集装置

为防止抓斗装载货物时产生的冲击力和尘埃, 数据采集装置必须有抗震措施、密封性好、功耗低, 能自动开关电源。电路框图如图 1 所示, 主要包括力传感器和模拟电路、AD 转换器和CPU 以及 FSK 调制和发送三部分。

力传感器和模拟电路, DS -3t 力传感器在 +5V 电源下输出 0 ～ 1mV 模拟信号, 经 AD620 仪表放大器放大 100 倍后送至模数转换器和唤醒电路。唤醒电路由比较器和单稳态电路构成, 用于产生 CPU 的复位信号 RST 。另外, 电源由蓄电池供电, 采用具有低压检测功能的低压差线性调压器 MAX883 。AD 转换器和 CPU, 根据计量精度的要求, AD7710 模数转换器内部编程设置为 :分辨率 16Bit, 内部放大 2 倍, 低通滤波器的截止频率 80Hz, 并选择偏置标定方式以消除力传感器、AD620 及 AD7710 所造成的零点误差, 转换结果通过 SPI 接口以中断方式 、串行输出给CPU, CPU 将数据经预处理, 采用串行口方式 3, 以 1200bps 发送给调制解调器, 每个数据的传送包括 3 帧内容:1 帧控制字, 2 帧数据, 控制字和数据通过方式 3 中的可编程位 TB8 来 区分, “1”表示控制字, “0”表示数据 。FSK 调制和发射, 调制解调器 M SM 7512 将CPU 送来的串行数据调制成 FSK 信号, 由无线发送模块以 94.5M Hz 的频率发射出去, 考虑到功耗采用单工同步发射。

主要功能有:

①信号放大和采集。

②零点自动校正 。

③数据预滤波和 FSK 调制发射 。

④工作模式识别以及欠压, 超载等报警。

( 2) 数据接收和智能仪表

前端两个数据采集装置异步地向后台不断发射数据, 为了能有效地进行数据接收、FSK解调和处理, 采用独立的两套数据接收和处理模块, 将处理结果经 8155 接 口 芯 片 输 出 给 主 CPU3, 它们之间的数据 通讯采用查询方式, 。 其 中 另 一 片8155 芯片作键盘和打印 机接 口, 显 示 接 口 由 CPU3 P1 口的 3 根 I/O 线分别作数据 、消隐和串 行时钟, 数据存储器采用 EEPROM 芯片, 并可保存三天的数据, 留出 CPU3 的串行口用于 以后扩展 。主要功能有:

①数据的接收和 FSK 解调 。

②数据校验 、滤波、非线性补偿及动态称重计算。

③数据显示 、打印、存储和报警 。

④键处理, 包括日期设定 、去皮 、置零、清除、查询和累计等。

3 动态称重算法

在动态条件下, 由于抓斗提取时的振动, 运动过程中的摆动, 链钩上下的冲击, 电气设备的启停等多种原因都将带来干扰, 称重信号实际上是在被称货物重量信号上迭加了一个交变谐波干扰信号, 且振幅较大, 如何消除或减少振动的干扰是解决问题的关键, 动态信号的 处理方法有多种[ 1 ～ 4] , 在动态干扰不大或准确度要求不高时, 可以采用多次采样取平均值, 但在动态干扰大, 而且准确度要求高时, 必须采用更好的处理方法。 根据实验结果, DS 力传感器的输出信号如图 3 所示, t0 ～ t1 空秤零点阶段, t1 ～ t2 逐渐上秤阶段, t 2 ～ t 3 上秤平移阶段, t3 ～ t4 卸物后返回阶段, t4 以后为第二 轮上秤开始阶段 。动态称重算法是在 u( t) 中自动识别出抓斗 t2 ～ t 3 的称重阶段, 采用多次 采用取加权平均值, 并以适当的校正方法获取被称货物的重量。

首先对 u( t) 信号作快速采样, 中位值滤波得到有效测量数据 u( k) , 即连续采样 m 次( m ≥3) , 并从大到小顺序排列, 从首尾各舍掉 1/3 个大数和小数, 再将剩余的 1/3 个大小居中 的数据进行平均 。然后对 u( t) 的 n 次测量值 u( k -n +1) , u( k -n +2) , …, u( k) , 采用增加 一个新数据u( k) , 去掉一个老数据u( k -n) , 再进行平均的移动加权平均值滤波得到n 时刻 u( t) 信号的输出 U— ( k) , 即 图 3 传感器的输出信号 U— ( k) =∑n -1 i=0Ai ×u( k -i) , k =0, 1, 2 … ( 1) 式中 Ai 为权系数, 且 ∑n -1 i =0Ai =1 。 后将 U— ( k) 转换为重量值 M ( k) , 即 M ( k) =K1K2U— ( k) ( 2) 式中 K1 —质量/电压转换系数;K2 —校 正系数。 两只传感器的M ( k) 之和就等于此时所称的 货物重量, 当检测到已卸下货物, 再将上秤平移 阶段所得到的货物重量再作一次中位值滤波可获得较高的测量准确度。 滤波点数主要取决于干扰程度和系统的灵敏度, 从调试看, 前端数据采集装置采用 5 点 中位置滤波;称重阶段采用 16 点加权移动取平均值平滑度较好, 但灵敏度不够, 倘若在 获得的数据 u( k +1) 与上一时刻值 U— ( k) 比较相差大于 0.05( 由精度确定) 时, 就用 u( k +1) 去刷新 u( k) 至 u( k -15) 的 16 个数据就能获得满意的动态性能。

另外, 采样率是一个重要的参数, 它主要由干扰信号和动态性能决定, 但受发射速率的限制,

据调试结果, 可根据主要干扰脉冲的周期和数字滤波器的点数来选取, 一般应大于50Hz。

软件设计

由于整个系统采用多 CPU 结构, 编制程序较多, 限于篇幅仅介绍其中的部分程序设计。数据采集装置中的 CPU 有两种低功耗模式:省电模式和闲置模式。省电模式下 CPU可以由内、外中断激活, 闲置模式仅由复位信号 RST 激活, 其软件的设计除完成数据的读入、处理和发射外, 应结合硬件使整个数据采集装置的功耗降至更低 。因此 CPU 与外界的 联系都采用中断方式而使其在大部分时间处于省电模式, 一旦识别出抓斗停止工作就切断 发射模块电源, 置AD7710 和 MSM7512 为低功耗, CPU 进入闲置模式使其处于待机状态等,待下次唤醒, 智 能 仪 表 中 CPU1 和 CPU2 的程序除传感器的校正参数不同外基本一样, 主要做数据的接收和有关动态算法上的多字节乘除运算及与 CPU3的接口程 序, 其中接收端只有在收到控制字后, 方能接收后面紧随的2 帧数据, 否则认为 是无效数据.CPU3 的主程序做键处理以及数据的存储和故障报警, 每隔 0.5 秒由 T0 定时中断从数据接收模块中读取每只传感器的处理结果, 并计算出此时抓斗所抓货物的重量, T0 中 断程序框图所示 。

结 语

本文从硬件 、软件和动态算法三方面介绍了无线动态抓斗秤的设计, 经实验调试, 具有准确度高、稳定性好, 便于安装 、使用和维护 。既可在线动态称重, 也可用于静态计量, 提高了工作效率, 减轻了劳动强度, 减少计量异议, 方便生产计量统计 。其主要性能指标有:

( 1) 大称量 5t, 包括抓斗自重 。

( 2) 分度值 2kg 。

( 3) 准确度 :静态 <0.1/100, 动态<2/100

( 4) 输出方式:LED 显示和打印制表 。

( 5) 其它:数据采集装置需 +6V 蓄电池供电, 平均功耗 30mW ;采样频率 80Hz 。

在建立了高精度 、宽范围热力参数数学模型的基础上, 结合单片机运算速度快 、指令丰 

富和多功能等优点, 研制的智能化热力参数测量仪实现了热力参数的智能化快速检测。仪

器小巧轻便、反应灵敏、安装方便、通用性强, 评为新产品和重点推广产品, 可望成为热力系统的更新换代设备 。