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目前,隨著我國(guó)貨運(yùn)市場(chǎng)的擴(kuò)大, 尤其是散裝貨物, 像煤炭 、礦山和鐵路運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè), 大多數(shù)散裝貨物都采用裝載機(jī)來(lái)進(jìn)行裝卸. 裝載機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 操作程序多 、 動(dòng)作時(shí)間短、工作環(huán)境惡劣, 而且裝載機(jī)稱重動(dòng)態(tài)作業(yè)過(guò)程含有時(shí)變 、非線性及隨機(jī)干擾等因素, 這些都為動(dòng)態(tài)情況下實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)貨物的瞬時(shí)測(cè)重帶來(lái)了困難. 長(zhǎng)期以來(lái) ,一直采用測(cè)密度 、 劃線平整的方式計(jì)算貨物質(zhì)量 ,但容易受貨物品質(zhì)、天氣變化等因素的影響, 造成密度不穩(wěn). 廣泛使用的輪重測(cè)定儀是一種安全檢測(cè)設(shè)備, 測(cè)量有誤差 , 不能作為計(jì)量裝置[ 1 - 2]. 針對(duì)上述缺點(diǎn),本文中設(shè)計(jì)了一種安裝在裝載機(jī)上用于實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)自動(dòng)測(cè)量裝載機(jī)裝載貨物質(zhì)量的智能稱重裝置 . 其核心采用基于 A R M內(nèi)核的高速微處理器,通過(guò)前向通道采用內(nèi)置信號(hào)調(diào)理電路的高精度A D 轉(zhuǎn)換芯片 A D 7705,通道 1完成對(duì)傳感器輸出電壓的采樣 、 變換 ,然后送入 S 3C 4510B 進(jìn)行處理;微處理器通過(guò)對(duì)通道 2采樣傳感器激勵(lì)源的電流信號(hào), 對(duì)通道 1傳感器采集信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償 ,從而解決了動(dòng)態(tài)稱重的稱重精度與稱重速度的問(wèn)題 ,同時(shí)具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高 、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn) .

1　 稱重原理

裝載機(jī)動(dòng)臂是一個(gè)多連桿、多支點(diǎn)的機(jī)構(gòu) ,動(dòng)臂油缸油壓受舉升物的質(zhì)量 、 動(dòng)臂的角度、舉升時(shí)油缸的加速度 、 作業(yè)場(chǎng)地的環(huán)境和溫度變化等因素的影響, 很難建立裝載機(jī)稱重作業(yè)時(shí)的準(zhǔn)確靜力學(xué)或運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型[ 3-4].

W =ψ( L1 , L 2 , β, P , S , α , ΔT , Κ ) ( 1)

式 ( 1) 中 : W為有效載貨的質(zhì)量 ; L2 為動(dòng)臂到油箱垂直距離; L1 為動(dòng)臂長(zhǎng)度; ΔT 為溫度變化 ; α 為油缸的加速度 ; β為動(dòng)臂的角度; P 為油缸的液壓; S為油缸活塞面積; K 為場(chǎng)地環(huán)境變化等因素的校正系數(shù) .

考慮稱重的實(shí)際情況 ,做以下假設(shè):

1) 在裝載機(jī)作業(yè)的很小一段距離里, 動(dòng)臂的角度 β是不變的 ,即 Δβ≈0.

2) 在裝載機(jī)作業(yè)的很小一段距離里, 可以認(rèn)為動(dòng)臂的加速度 α 為恒定值, 即 Δα ≈0, 這樣可以認(rèn)為動(dòng)臂油缸油壓 P 是恒定的 .

3) 影響稱重的其他因素, 如環(huán)境和溫度 ,可以忽略或者通過(guò)校正和補(bǔ)償?shù)姆绞娇朔?nbsp;.

經(jīng)過(guò)以上假設(shè) ,由式 ( 1) 可知 : 在裝載機(jī)作業(yè)的很小一段距離里 Δβ≈0, 裝載機(jī)動(dòng)臂油缸油壓力 P 和有效載貨 W近似成正比關(guān)系,即

W∝ P           ( 2)

這樣 ,可以通過(guò)在測(cè)量裝載機(jī)動(dòng)臂油缸的油壓力測(cè)出舉升物的質(zhì)量.

2　 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指標(biāo), 智能稱重裝置主要由電源模塊 、傳感器與傳輸通道和稱重模塊組成 . 壓力傳感器測(cè)量裝載機(jī)動(dòng)臂油缸的油壓, 將油壓力變換為電信號(hào)通過(guò)傳輸通道送入 A D C 接口電路. A D C 接口電路完成對(duì)模擬采樣信號(hào)的的數(shù)字轉(zhuǎn)換, 然后送入稱重模塊 ,由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 、 計(jì)算出貨物質(zhì)量 ,并實(shí)現(xiàn)顯示、 保存和打印等功能.

2. 1電源模塊電路設(shè)計(jì)

裝載機(jī)的電源為組 12 V 蓄電池串聯(lián)組成的24 V 電源,但裝載機(jī)在啟動(dòng)和正常工作過(guò)程中, 電壓波動(dòng)很大,并且裝載機(jī)的工作環(huán)境惡劣, 容易給系統(tǒng)帶來(lái)各種干擾. 電源模塊需要為傳感器、稱重模塊和其他器件提供穩(wěn)定、可靠、安全的直流電源. 

蓄電池 24 V 經(jīng)過(guò)熔斷器過(guò)流保護(hù) 、 二極管反向保護(hù)和瞬態(tài)抑制二極管的過(guò)壓保護(hù)后, 通過(guò)電容濾波得到 22 ～36 V 直流電壓, 然后經(jīng)功率三極管的調(diào)壓電路,進(jìn)入 D C /D C 電路得到穩(wěn)定的 12 V直流電源.

2. 2　傳感器與傳輸通道

安裝在裝載機(jī)動(dòng)臂液壓缸內(nèi)的壓力傳感器選用全不銹鋼結(jié)構(gòu)的硅壓阻式壓力傳感器 SY 100,它在 - 10 ～ 70℃進(jìn)行補(bǔ)償, 具有高精度 、高輸出、高可靠 、高耐腐蝕性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn). 為了提高傳輸距離 ,壓力傳感器采用恒流供電, 由電源模塊輸出的 12 V 穩(wěn)定直流電源經(jīng) L M 317 L 變換得到 1. 67 m A 的恒流源 .

位置傳感器安裝在裝載機(jī)的動(dòng)臂上 , 位置傳感器接收器安裝在裝載機(jī)機(jī)體上 . 位置傳感器有上 、 下兩個(gè)磁鋼, 按照一定距離安裝在裝載機(jī)的動(dòng)臂上, 決定微處理器采集壓力傳感器信號(hào)的起始時(shí)刻. 因此位置傳感器的安裝位置非常重要 ,在一定程度上決定稱重裝置的測(cè)量結(jié)果是否正確, 可以通過(guò)某一系列裝載機(jī) , 做試驗(yàn)確定一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍. 稱重模塊對(duì)采集到的信號(hào), 需要按一定方法過(guò)濾掉異常數(shù)據(jù) .

傳輸通道采用平衡發(fā)送接收器和屏蔽雙絞線的數(shù)據(jù)傳輸方案 ,傳輸距離可大于 10 m , 并可以防止外界電磁干擾和電源干擾信號(hào)直接進(jìn)入信號(hào)傳輸通道 , 減少誤差的發(fā)生 . 在信數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮斩?nbsp;,增加了光電隔離電路 ,以阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)量控制電路 ,提高整個(gè)系統(tǒng)抗干擾的能力 .

2. 3　稱重模塊電路設(shè)計(jì)

稱重模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心 , 主要由 3部分組成 : M C U 最小系統(tǒng) 、 人機(jī)交互與通信接口等外圍電路 、A D C 接口電路 .

2. 3. 1　 S ₃C ₄₅₁₀B 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在稱重模塊中, M C U負(fù)責(zé)稱重操作所有程序的執(zhí)行 ,以及監(jiān)控模塊內(nèi)的硬件電路. 為了確保裝置的測(cè)量精度和測(cè)量速度 , 便于系統(tǒng)以后的升級(jí)服務(wù), 滿足客戶需求的變化, 選用片內(nèi)集成資源豐富的 16/32位 A R M 920TR I S C 微處理器 S 3C 4510B作為稱重模塊的核心 M C U .保證 S 3C 4510B 可靠工作所必須的最小系統(tǒng)由 S 3C 4510B 、3. 3 V電源電路 、 晶體振蕩器電路、復(fù)位電路, F L A S H和 S D A R M存儲(chǔ)器, 以及 J T A G接口電路組成^{[ 7-8]}.3. 3 V 電源電路通過(guò)D C - D C轉(zhuǎn)換器 L T I 085將電源模塊提供的 5 V 電壓變換到3. 3 V , 給 S ₃C ₄₅₁₀B 及其他需要 3. 3 V 電源的外圍電路供電. 系統(tǒng)的工作時(shí)鐘由 10 M有源晶振提供,并通過(guò)片內(nèi) P L L 電路倍頻為 50 M H z 作為微處理器的工作時(shí)鐘. 系統(tǒng)模塊擴(kuò)展 16 MF L A S H 用來(lái)存放己調(diào)試好的用戶應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)或其他在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù) , 8 MS D R A M是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要區(qū)域. J T A G 接口可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問(wèn), 通過(guò)該接口可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等. 另外, 系統(tǒng)采用 D S 1302提供 實(shí) 時(shí) 時(shí) 鐘 和 日 歷 功 能. 復(fù) 位 電 路 采 用D S 1819A ,不僅提供電壓監(jiān)測(cè)、手動(dòng)復(fù)位功能 ,還能提供看門狗復(fù)位功能 . 

2. 3. 2　外圍接口設(shè)計(jì)

為了便于根據(jù)用戶的特定需求擴(kuò)展外圍電路,系統(tǒng)總線擴(kuò)展引出了數(shù)據(jù)總線、地址總線和必須的控制總線 . 由于 P E T 薄膜材料具有良好的耐熱性和耐藥品性,吸水性低 ,優(yōu)良的耐磨損和耐摩擦性, 鍵盤采用帶背光的 4X 5 P E T 薄膜開(kāi)關(guān). 系統(tǒng)選用 5V 供電帶驅(qū)動(dòng)的 L C D模塊, 與鍵盤結(jié)合完成人機(jī)交互功能. 為了外接打印機(jī) 、U 盤等其他外設(shè), 系統(tǒng)提供 2 種通信接 口: M A X 232 擴(kuò)展 的R S 232接口和 I S P 1161擴(kuò)展的 U S B 接口. 系統(tǒng)利用通用 I /O 接口設(shè)計(jì)了用于報(bào)警的蜂鳴器和指示用的 L E D .

2. 3. 3　 A D C 接口電路設(shè)計(jì)

A D C 芯片選用雙通道 、低成本 、高分辨率的16位∑ - Δ型 A D 7705, 它集放大、濾波和 A /D換單元于一體, 能將從傳感器接收到的很弱的輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出^{[ 9]}. A D 7705內(nèi)置的數(shù)字濾波器 , 能消除模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲. 由于數(shù)字濾波器的模擬輸入和校準(zhǔn)選項(xiàng)的基準(zhǔn)輸入是差分的 , 而模擬調(diào)制器的大部分電壓都是共模電壓, A D 7705良好的共模抑制性能能消除這些共模輸入信號(hào)里的共模噪聲. 
 

 A D 7705主時(shí)鐘頻率為 2. 4576 M H z .電源電壓為 5 V , 經(jīng) R 7, R 9和 C 9分壓、濾波后提供 2. 5 V 的基準(zhǔn)電壓 ,在滿增益的情況下, 能處理0～ 2. 5 V 的模擬輸入信號(hào). 由于需要 2個(gè) A D 7705分別對(duì)稱重壓力傳感器和位置傳感器的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換, A D 7705與 S 3C 4510B 的連接采用 3線方式^{[ 9]}.C S 為片選信號(hào) , S C L K用于輸入串行時(shí)鐘脈沖 ,D O U T 和 D I N 與 S ³C ⁴⁵¹⁰B 的串行口相連, 用于數(shù)據(jù)的輸出和輸入. S 3C 4510B 采用查詢或者中斷方式從 D R D Y 可以取得 A D 轉(zhuǎn)換的狀態(tài)信號(hào).

傳感器輸出電 壓 V_{o u t} 匹配電容 C ₅, 輸入A D 7705的通道 I N ₁, 提高了 A D 7705抑制共模噪聲的能力. L M ₃₁₇L 和熱敏電阻 R ₆組成的恒流源電路為傳感器提供 1. 67 m A 激勵(lì)電流 I_O ,其計(jì)算公式為

另外 , 恒流源電流 I_O 經(jīng)過(guò)精密電阻 R ₅轉(zhuǎn)化成電壓 ,電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)精密電阻 R ₈和 C ₆采樣 、 濾波后反饋輸入 A D ₇₇₀₅的通道 I N ₂. 這樣 ,通道 I N ₁和通道 I N ₂構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng), 當(dāng)系統(tǒng)溫度 T 升高時(shí), 熱敏電阻 R ₆升高, I_O 降低 ,一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲭妷?nbsp;V_{o u t} 和通道 I N ₁采樣電壓 V _{i n 1} 會(huì)相應(yīng)降低, 部分抵消溫度 T 升高對(duì) V_{i n 1} 的影響. 另一方面通道 I N ₂對(duì)恒流源 I_O 的采樣電壓 V _{i n 2} 也會(huì)發(fā)生變化, 微處理器 S ₃C ₄₅₁₀B 可以根據(jù) V_{i n 2} 的變化率按照式 ( 4) 對(duì) V _{i n 1} 進(jìn)行補(bǔ)償 . 反之亦然.
 

式中: ΔV_{i n 1} 和 ΔV _{i n 2} 分別表示 V _{i n 1} 和 V _{i n 2} 的絕對(duì)變化量 .

為了提高 A /D轉(zhuǎn)換質(zhì)量, 實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集, 當(dāng)環(huán)境溫度及工作電壓 、增益或雙極 / 單極輸入范圍變化時(shí) ,必須對(duì) A D 7705進(jìn)行校準(zhǔn) , 以消除器件的內(nèi)部誤差、偏移、增益以及傳感器漂 移誤差^{[ 10]}.

3　 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該裝置的主要任務(wù)是微處理器 S ₃C ₄₅₁₀B 通過(guò) A D 7705采樣 、 變換傳感器輸出電壓信號(hào) , 經(jīng)數(shù)據(jù)分析、 處理, 實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)打印、保存等功能.處理器S 3C 主要由初始化程序、L C D 顯示 、A D 7705的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理 、 人機(jī)交互程序 、 通信接口 、 通用 I /O接口和打印輸出等組成 . 其中, 初始化程序包括S 3C 4510B 最小系統(tǒng)相關(guān)初始化和通信接口與 A D接口的初始化 .

處理器 S ₃C ₄₅₁₀B 可以通過(guò) A D 7705串口可以訪問(wèn)的的寄存器有 6個(gè). 與任何寄存器通信總是從寫(xiě)通信寄存器開(kāi)始. 上電復(fù)位后, 各個(gè)寄存器的配置方式和A D 7705數(shù)據(jù)采集流程可以參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)中的設(shè)置、 操作流程和讀寫(xiě)時(shí)序圖^{[ 9]}. 應(yīng)注意的是,當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器有更新 ,可以有 2種方式讀取: 一是通過(guò)查詢 D R D Y 引腳的狀態(tài), 二是查詢通信寄存器中D R D Y 位的狀態(tài) . 其他程序的流程可以參考相關(guān)文獻(xiàn)^{[ 7-9]}.

為了得到正確 、 穩(wěn)定的壓力信號(hào) , 一方面利用位置傳感器設(shè)定了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的采樣區(qū)域. 另一方面在這個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的采樣區(qū)域, 采用分段采樣和比較法與二次中值法相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方案 . 采樣與數(shù)據(jù)處理過(guò)程為 : 設(shè)采樣區(qū)域?yàn)?nbsp;0 ～ t 時(shí)刻 ,平均分成 n 個(gè)區(qū)間 , 區(qū)間間隔為 Δt , 則第 i 個(gè)區(qū)間為 [ ( n - 1) · Δt , n · Δt ] .首先對(duì)每個(gè)區(qū)間 i 進(jìn)行 m ( m= 3k ) 次采樣 ,每采樣 3次 ,按照 “3中取 2法”保留兩次相同或最相近的數(shù)據(jù). 不失一般性 ,假設(shè)每次比較都是保留前兩位數(shù)據(jù),得到如下數(shù)據(jù):

i₁ , i ₂ , …, i _j , i _j , …, i _{k + 1} , i _{k + 2}

 　然后對(duì)以上 2k +2個(gè)數(shù)據(jù) , 進(jìn)行第一次中值運(yùn)算, 得到 i 個(gè)區(qū)間的采樣值 V_i .重復(fù)以上 2個(gè)步驟,可得到 n 個(gè)區(qū)間采樣值:V₁ , …, V _i , …, V _n

最后對(duì)這 n 個(gè)數(shù)據(jù), 進(jìn)行二次中值運(yùn)算 ,得到傳感器的輸出電壓 V_out . 參數(shù) m 和 n 的選取與位置傳感器的位置和 A D 7705的采樣頻率有關(guān) ,可以通過(guò)試驗(yàn)來(lái)調(diào)整 .

4　 抗干擾措施

由于裝載機(jī)稱重作業(yè)環(huán)境變化大, 智能稱重裝置的環(huán)境溫度變化大、濕度大 , 有粉塵、振動(dòng)和噪聲污染 , 而且周圍還有電氣干擾 , 更何況 S 3C 4510B屬于高速處理器,為了提高系統(tǒng)可靠性 ,裝備除了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中盡量選用溫漂小 、穩(wěn)定性好、低功耗元器件外 ,還采取了以下的抗干擾措施 .

1) 硬件抗干擾措施. 系統(tǒng)采用浮地 - 屏蔽 -機(jī)殼接地方案 . 其中信號(hào)地采用多點(diǎn)接地方式 , 并處于懸浮狀態(tài) ,與其他接地互不相連 ,這樣可以提供穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)電位 ,同時(shí)又能抗干擾. 信號(hào)傳輸通道由屏蔽層隔開(kāi), 裝置外殼與安全接地采用一點(diǎn)接地方式相連 ( 即與大地相連 ) , 屏蔽層的接地也采用一點(diǎn)接地方式與安全地相連. 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中, S ₃C ₄₅₁₀B 處理器的 A D C 接口、通信接口和通用 I /O 接口, 都采用光電耦合器 T L ₁₁₃實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的隔離.

2)P C B 抗干擾措施. 模擬點(diǎn)和數(shù)字電路按區(qū)域分開(kāi),避免相互交叉, 應(yīng)在一個(gè)地方將模擬和數(shù)字接地平面連接在一起 ,以避免出現(xiàn)接地環(huán)路 . 時(shí)鐘信號(hào)不能在模擬輸入信號(hào)附近通過(guò).數(shù)據(jù)線、地址線和控制線的布線要盡量一致 ,以減少對(duì)地電容. 尤其是地址線, 各條線的長(zhǎng)短和布線方式盡量一致 , 以免造成各線的阻抗差異過(guò)大,形成控制信息的非同步干擾. 數(shù)字線應(yīng)避免走在元器件下面 . 電源線應(yīng)足夠的粗 , 以降低線路阻抗 .

3) 軟件抗干擾措施 . 采用 Wa t c h d o g 技術(shù) , 解決系統(tǒng)受到干擾,可能引起的程序混亂執(zhí)行問(wèn)題.

5　 結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的智能稱重裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小,能準(zhǔn)確 、 快速可靠地測(cè)量裝載機(jī)稱重載重貨物的質(zhì)量,而且配合適當(dāng)?shù)膫鞲衅?nbsp;,稱重模塊可以移植應(yīng)用到其他載貨裝置的稱重領(lǐng)域 , 比如吊車、垃圾車和鐵路貨車 . 在實(shí)際應(yīng)用中, 有多臺(tái)裝載機(jī)同時(shí)作業(yè) . 稱重模塊可以 擴(kuò)展 G P S 和無(wú)線 傳輸接口( G P R S 或者 G S M) , 將裝載機(jī)的作業(yè)狀態(tài)和載貨的各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心 , 由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì) 、 匯總 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)裝載機(jī)作業(yè)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)督或者調(diào)度. 這樣大大提升了該裝置的應(yīng)用價(jià)值 .

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