[導(dǎo)讀] 摘要：實(shí)時(shí)測量煤倉料位和自動(dòng)控制儲(chǔ)煤量是煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。文章設(shè)計(jì)了基于超聲波發(fā)送、接收的測距模塊、低功耗MSP430 系列單片機(jī)的控制模塊和RS485 通信協(xié)議的通信模塊的超聲波料位計(jì)。其為完善煤倉料位監(jiān)控系統(tǒng)創(chuàng)造了必要條件。
0 引言
隨著煤炭工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，大多數(shù)儲(chǔ)煤倉需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地測量其煤位變化和控制儲(chǔ)煤量。工業(yè)料位測量中，目前采用的料位計(jì)主要有超聲波式、電容式、重錘式、核輻射式等幾種。超聲波式以其可以做到不接觸、連續(xù)測量、長時(shí)工作及對人體無危害等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于煤位測量。但就目前國內(nèi)超聲波料位計(jì)而言，在穩(wěn)定性和可靠性方面還不盡如人意，系統(tǒng)造價(jià)比較高，如要進(jìn)行料位群測，則價(jià)格負(fù)擔(dān)更重。
為此筆者研制了一種智能超聲波料位計(jì)，它可以與上位機(jī)組成一種新型儲(chǔ)倉料位群測系統(tǒng)。該料位計(jì)采用9V 電池供電，同煤倉的若干料位計(jì)通過1 根電纜與上位機(jī)通信，減少了傳統(tǒng)超聲波料位計(jì)所需的大量供電和通信電纜、以及供電電壓在線路上的損耗。它還配備了一體化的超聲波發(fā)送、接收模塊和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通信模塊，本身具有智能處理裝置，可針對各種復(fù)雜的應(yīng)用現(xiàn)場，設(shè)置不同的環(huán)境參數(shù)，適應(yīng)能力強(qiáng)。
1 超聲波料位計(jì)的研制
1 . 1 工作原理
采用超聲波脈沖反射接收法(又稱脈沖法)測距的原理，脈沖法測距原理如圖1 所示。已知聲波在空氣中的傳播速度為。，如被測煤倉深度為L ，煤倉料位為H ，超聲波換能器通過介質(zhì)發(fā)射聲脈沖，聲波經(jīng)一定時(shí)間可達(dá)被測料面，由料面反射的回波又經(jīng)過同樣距離和時(shí)間回到聲源處，即聲波往返路程為料深的2 倍，測得聲波往返時(shí)間為t ，利用s=c· t / 2 ，即可算得料位計(jì)與反射點(diǎn)間的距離s。測量距離d=√[s2-(h/2)2]。傳感器采用分體收、發(fā)換能器，因收、發(fā)換能器間距非常接近，故有h≈0 , d= s=c· t / 2。
則煤倉料位：H=L-d=L- c· t / 2 (1)
1 . 2 超聲波料位計(jì)設(shè)計(jì)
料位計(jì)由低電壓、低功耗的單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、串行接口電路、電池供電電路等組成，其組成框圖如圖2 所示。
圖2 料位計(jì)組成框圖超聲波發(fā)射、接收電路與單片機(jī)相連，單片機(jī)與串行接口相連。電池供電電路也為其它電路供電。
1 . 2 . 1 設(shè)計(jì)說明
超聲波換能器采用的是陶瓷的壓電效應(yīng)。測量過程中，聲波信號(hào)由發(fā)送換能器發(fā)出，經(jīng)物體表面反射后由接收換能器接收，測量聲波的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)距離的測量。料位計(jì)所用換能器是最佳工作頻率為40 kHz 的陶瓷超聲波傳感器，適用于中程范圍測量，最大量程為30m ，在脈沖觸發(fā)模式下工作。該類傳感器適應(yīng)性強(qiáng)，可在一40~90 ℃ 環(huán)境下正常工作，散射角最大為15°。鑒于聲速受溫度影響最大，為使測量更精確，測距數(shù)據(jù)處理過程采用溫度補(bǔ)償。
單片機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)送換能器發(fā)出12 個(gè)周期40 kHz的方波信號(hào)，接收換能器接收回聲信號(hào)。單片機(jī)MSP430 的定時(shí)器用于記數(shù)40 kHz 的晶振頻率，故時(shí)間測量的分辨率為25us，對于測量系統(tǒng)來說已足夠。石英晶振的測量時(shí)基非常穩(wěn)定。接收換能器接收到的回聲信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后送給單片機(jī)的比較器，比較器接收到回聲信號(hào)立即觸發(fā)定時(shí)器的捕捉功能以獲得捕捉/比較寄存器中的記數(shù)值。捕獲的數(shù)值就是超聲波從料位計(jì)發(fā)送換能器發(fā)出運(yùn)行到目標(biāo)、再從目標(biāo)返回接收換能器的測量時(shí)間。單片機(jī)利用這個(gè)時(shí)間計(jì)算出系統(tǒng)到目標(biāo)的距離，得出煤倉中的料位高度，并將數(shù)據(jù)通過通信電纜傳輸至上位機(jī)。然后單片機(jī)CPU 進(jìn)人睡眠模式以達(dá)到省電目的，由串行通信中斷信號(hào)喚醒CPU 重復(fù)下一個(gè)測量周期。
1 . 2 . 2 電路設(shè)計(jì)
圖3 為料位計(jì)的電氣原理圖。
MSP430F12X ( UI )是系統(tǒng)核心。MSP430 系列單片機(jī)為TI 公司FLASH 型16 位單片機(jī)，具有低電壓(工作電壓為1 . 8~3 . 6V )、超低功耗、處理能力強(qiáng)、工業(yè)級環(huán)境(一40~+85℃)下工作穩(wěn)定、開發(fā)方便高效等性能。選擇40 kHz 晶振xl 作為和超聲波換能器的諧振頻率相匹配的低頻晶振。R12 是復(fù)位電路的上拉電阻，集成的省電電路自動(dòng)進(jìn)人省電狀態(tài)。C9用于MSP430 供電電源的解禍，它和供電線路應(yīng)盡量接近。14 腳的雙列接頭(Jl ) 提供了1 個(gè)便于使用MSP430 閃存模擬工具在線調(diào)試和編程的接口。P2.0 口設(shè)置成輸出超聲波換能器要求的40 kHz方波ACLK 信號(hào)。
換能器輸出驅(qū)動(dòng)電路由9V 電池直接供電，并提供18V 的電壓驅(qū)動(dòng)換能器。該18V 的電壓由6 個(gè)反向器(U4 CD4049 )組成的橋路獲得。1 個(gè)反向器用來提供驅(qū)動(dòng)器一側(cè)的180 。相移信號(hào)，另一側(cè)則由反向信號(hào)驅(qū)動(dòng)。該設(shè)置使輸出電壓幅值加倍，這樣就可以推挽的方式提供給發(fā)送換能器18V 的電壓。2 個(gè)反向器并聯(lián)是為了每側(cè)都能提供足夠的電流以驅(qū)動(dòng)換能器。電容C6 和C7 用來隔斷直流流人換能器。因?yàn)镃D 4049 工作在9V ，而MSP430 上作電壓是3 . 6V ，在MSP43 。和輸出驅(qū)動(dòng)電路之間有個(gè)邏輯電平不匹配的問題。在這2 種電平之間三極管Q1 充當(dāng)邏輯電平轉(zhuǎn)換的角色。
U3 使用TI 的5 引腳的運(yùn)算放大器TLV277I , 該放大器有高增益帶寬，提供40 kH ：高增益信號(hào)。TLV2771 設(shè)置成反向放大器狀態(tài)。R7 和RS 使得放大倍數(shù)為55 , C5 使高頻信號(hào)旁路，R3 和R4 偏置放大器的輸人到一個(gè)實(shí)際的中值，并提供給運(yùn)算放大器的單輸人端，放大的超聲波信號(hào)在這個(gè)中值附近上下振動(dòng)。接收換能器的高Q 值阻止了40 kHz 外的無效信號(hào)。運(yùn)算放大器的輸出端連接到比較器A 的輸人端CA0 (端口引腳P2 . 3 )。比較器A 為MSP430 的內(nèi)置模塊，它的對應(yīng)引腳為P2 . 3 ，內(nèi)部參考電壓設(shè)置為0.5Vcc 。沒有超聲波回聲信號(hào)時(shí)，CA0 的電平略低于CA1 的參考電壓;當(dāng)接收到回聲信號(hào)時(shí)，電壓高于參考電壓并使比較器A 的輸出CAOUT 翻轉(zhuǎn)。R6 用于微調(diào)所需的靈敏度和優(yōu)化測量范圍。
U5 為串行通信轉(zhuǎn)換芯片SN65HVDl0 ，工作電壓為3 . 3V 。單片機(jī)的串行通信口RXD 、TXD 與SN65HVD10 的R 、D 口相連，P2 . l 口與SN65HVDl0 的RE 、DE 口相連，通過標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議RS485 接收上位機(jī)指令進(jìn)行測量后，芯片SN65HVDl0 的B 、A 口發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。MSP430 和超聲波信號(hào)放大電路由9V 電池通過Tl 的電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS7700l 提供3 . 6V 電源。電阻Rl 和R2 使芯片電壓輸出為3 . 6V 。Cl 和C2 是實(shí)現(xiàn)芯片正常功能所需的推薦電容值。發(fā)送驅(qū)動(dòng)直接由9V 供電。開關(guān)Sl 是電源主開關(guān)。
1 . 2 . 3 軟件設(shè)計(jì)
運(yùn)用MSP430 系列單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源和簡潔的內(nèi)核指令，可編制出性能優(yōu)良的源程序。裝置采用FLASH 型芯片MSP430F12X ，內(nèi)有JTAG 調(diào)試接口.只需1 臺(tái)PC 機(jī)和1 個(gè)JTAG 調(diào)試器即可完成程序?qū)懭?。開發(fā)語言有匯編語言和C 語言。系統(tǒng)具有高效率性。MSP430 系列具有16 位RISC 結(jié)構(gòu)，大量寄存器，較高的處理速度，可以編制出高效率的源代碼。
系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)初始化后將CPU置于省電模式，串行通信產(chǎn)生中斷喚醒程序。在中斷服務(wù)程序里驅(qū)動(dòng)發(fā)送換能器發(fā)出12 個(gè)周期的40 kHz 方波信號(hào)，并允許定時(shí)器Timer-A 的捕捉中斷，同時(shí)定時(shí)器Timer-A 用于記數(shù)40 kH ：的晶振頻率。比較器A 接收到回聲信號(hào)觸發(fā)定時(shí)器Timer 一A 的捕捉功能以獲得捕捉/比較寄存器CCR1 中的記數(shù)值。單片機(jī)計(jì)算出系統(tǒng)到目標(biāo)的距離，通過查預(yù)先設(shè)置在程序中的溫度和聲速關(guān)系的列表進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的溫度補(bǔ)償，得出料位的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通信電纜傳輸至上位機(jī)。然后MSP430 進(jìn)入LMP3 睡眠模式，由串行通信中斷信號(hào)喚醒MSP430 重復(fù)下一個(gè)測量周期。系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性。如果晶體振蕩器在用作CPU 時(shí)鐘時(shí)發(fā)生故障，DCO 會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，程序中可將DCO 設(shè)置成40 kHz ，以保證系統(tǒng)正常工作。在程序中設(shè)置看門狗，一旦程序跑偏，可用看門狗將其復(fù)位。
1 . 3 儀器安裝
超聲波料位計(jì)的安裝，應(yīng)注意在超聲波的傳播方向上，避免下料口，以及盡量避免倉內(nèi)的建筑構(gòu)件如扶梯鋼梁等，如確實(shí)無法避讓，可用記憶虛假回波方式記住這些阻擋物產(chǎn)生的回波，使其不影響物位的準(zhǔn)確測量。
2 系統(tǒng)通信
煤倉料位監(jiān)控系統(tǒng)由超聲波料位計(jì)和便攜式計(jì)算機(jī)組成。料位計(jì)和計(jì)算機(jī)的通信方式選擇了具有可靠性高、距離遠(yuǎn)、通信速率較高、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議RS485 方式，在計(jì)算機(jī)和料位計(jì)間有RS485 / RS232 通信轉(zhuǎn)換裝置。若干只料位計(jì)接在同一根通信電纜上，便攜式計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)給智能料位計(jì)順序發(fā)出測量指令，智能料位計(jì)順序返回測量計(jì)算的料位數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)分析整理，以實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示各煤倉的料位，并根據(jù)料位情況發(fā)出指令控制給煤系統(tǒng)或排煤系統(tǒng)等。
3 結(jié)語
由于一體化的設(shè)計(jì)，該超聲波料位計(jì)體積小、密封性好，安裝和維護(hù)非常方便，結(jié)構(gòu)及供電等設(shè)計(jì)均能滿足煤礦設(shè)備的本安防爆特性。
在孔莊礦的實(shí)驗(yàn)證明：超聲波料位計(jì)測量精度較高，運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定有效。儀器的研制成功為選煤廠等煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和生產(chǎn)計(jì)量管理現(xiàn)代化創(chuàng)造了條件。