目前,隨著我國貨運市場的擴大, 尤其是散裝貨物, 像煤炭 、礦山和鐵路運輸等行業, 大多數散裝貨物都采用裝載機來進行裝卸. 裝載機結構複雜、 操作程序多 、 動作時間短、工作環境惡劣, 而且裝載機稱重動態作業過程含有時變 、非線性及隨機幹擾等因素, 這些都為動態情況下實現裝載機貨物的瞬時測重帶來了困難. 長期以來 ,一直采用測密度 、 劃線平整的方式計算貨物質量 ,但容易受貨物品質、天氣變化等因素的影響, 造成密度不穩. 廣泛使用的輪重測定儀是一種安全檢測設備, 測量有誤差 , 不能作為計量裝置[ 1 - 2]. 針對上述缺點,本文中設計了一種安裝在裝載機上用於實時、動態自動測量裝載機裝載貨物質量的智能稱重裝置 . 其核心采用基於 A R M內核的高速微處理器,通過前向通道采用內置信號調理電路的高精度A D 轉換芯片 A D 7705,通道 1完成對傳感器輸出電壓的采樣 、 變換 ,然後送入 S 3C 4510B 進行處理;微處理器通過對通道 2采樣傳感器激勵源的電流信號, 對通道 1傳感器采集信號進行溫度補償 ,從而解決了動態稱重的稱重精度與稱重速度的問題 ,同時具有操作簡單、可靠性高 、抗幹擾能力強的特點 .

1　 稱重原理

裝載機動臂是一個多連杆、多支點的機構 ,動臂油缸油壓受舉升物的質量 、 動臂的角度、舉升時油缸的加速度 、 作業場地的環境和溫度變化等因素的影響, 很難建立裝載機稱重作業時的準確靜力學或運動學數學模型[ 3-4].

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

式 ( 1) 中 : W為有效載貨的質量 ; L2 為動臂到油箱垂直距離; L1 為動臂長度; ΔT 為溫度變化 ; α 為油缸的加速度 ; β為動臂的角度; P 為油缸的液壓; S為油缸活塞麵積; K 為場地環境變化等因素的校正係數 .

考慮稱重的實際情況 ,做以下假設:

1) 在裝載機作業的很小一段距離裏, 動臂的角度 β是不變的 ,即 Δβ≈0.

2) 在裝載機作業的很小一段距離裏, 可以認為動臂的加速度 α 為恒定值, 即 Δα ≈0, 這樣可以認為動臂油缸油壓 P 是恒定的 .

3) 影響稱重的其他因素, 如環境和溫度 ,可以忽略或者通過校正和補償的方式克服 .

經過以上假設 ,由式 ( 1) 可知 : 在裝載機作業的很小一段距離裏 Δβ≈0, 裝載機動臂油缸油壓力 P 和有效載貨 W近似成正比關係,即

W∝ P           ( 2)

這樣 ,可以通過在測量裝載機動臂油缸的油壓力測出舉升物的質量.

2　 係統電路設計

根據係統設計要求及技術指標, 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 . 壓力傳感器測量裝載機動臂油缸的油壓, 將油壓力變換為電信號通過傳輸通道送入 A D C 接口電路. A D C 接口電路完成對模擬采樣信號的的數字轉換, 然後送入稱重模塊 ,由微處理器進行數據處理 、 計算出貨物質量 ,並實現顯示、 保存和打印等功能.

2. 1電源模塊電路設計

裝載機的電源為組 12 V 蓄電池串聯組成的24 V 電源,但裝載機在啟動和正常工作過程中, 電壓波動很大,並且裝載機的工作環境惡劣, 容易給係統帶來各種幹擾. 電源模塊需要為傳感器、稱重模塊和其他器件提供穩定、可靠、安全的直流電源. 

蓄電池 24 V 經過熔斷器過流保護 、 二極管反向保護和瞬態抑製二極管的過壓保護後, 通過電容濾波得到 22 ～36 V 直流電壓, 然後經功率三極管的調壓電路,進入 D C /D C 電路得到穩定的 12 V直流電源.

2. 2　傳感器與傳輸通道

安裝在裝載機動臂液壓缸內的壓力傳感器選用全不鏽鋼結構的矽壓阻式壓力傳感器 SY 100,它在 - 10 ～ 70℃進行補償, 具有高精度 、高輸出、高可靠 、高耐腐蝕性和長期穩定性的優點. 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 穩定直流電源經 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的動臂上 , 位置傳感器接收器安裝在裝載機機體上 . 位置傳感器有上 、 下兩個磁鋼, 按照一定距離安裝在裝載機的動臂上, 決定微處理器采集壓力傳感器信號的起始時刻. 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量結果是否正確, 可以通過某一係列裝載機 , 做試驗確定一個相對穩定的範圍. 稱重模塊對采集到的信號, 需要按一定方法過濾掉異常數據 .

傳輸通道采用平衡發送接收器和屏蔽雙絞線的數據傳輸方案 ,傳輸距離可大於 10 m , 並可以防止外界電磁幹擾和電源幹擾信號直接進入信號傳輸通道 , 減少誤差的發生 . 在信數據傳輸的接收端 ,增加了光電隔離電路 ,以阻斷幹擾信號進入測量控製電路 ,提高整個係統抗幹擾的能力 .

2. 3　稱重模塊電路設計

稱重模塊作為整個係統的核心 , 主要由 3部分組成 : M C U 最小係統 、 人機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 最小係統設計

在稱重模塊中, M C U負責稱重操作所有程序的執行 ,以及監控模塊內的硬件電路. 為了確保裝置的測量精度和測量速度 , 便於係統以後的升級服務, 滿足客戶需求的變化, 選用片內集成資源豐富的 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係統由 S 3C 4510B 、3. 3 V電源電路 、 晶體振蕩器電路、複位電路, F L A S H和 S D A R M存儲器, 以及 J T A G接口電路組成^{[ 7-8]}.3. 3 V 電源電路通過D C - D C轉換器 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. 係統的工作時鍾由 10 M有源晶振提供,並通過片內 P L L 電路倍頻為 50 M H z 作為微處理器的工作時鍾. 係統模塊擴展 16 MF L A S H 用來存放己調試好的用戶應用程序、嵌入式操作係統或其他在係統掉電後需要保存的用戶數據 , 8 MS D R A M是係統運行時的主要區域. J T A G 接口可對芯片內部的所有部件進行訪問, 通過該接口可對係統進行調試、編程等. 另外, 係統采用 D S 1302提供 實 時 時 鍾 和 日 曆 功 能. 複 位 電 路 采 用D S 1819A ,不僅提供電壓監測、手動複位功能 ,還能提供看門狗複位功能 . 

2. 3. 2　外圍接口設計

為了便於根據用戶的特定需求擴展外圍電路,係統總線擴展引出了數據總線、地址總線和必須的控製總線 . 由於 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 薄膜開關. 係統選用 5V 供電帶驅動的 L C D模塊, 與鍵盤結合完成人機交互功能. 為了外接打印機 、U 盤等其他外設, 係統提供 2 種通信接 口: M A X 232 擴展 的R S 232接口和 I S P 1161擴展的 U S B 接口. 係統利用通用 I /O 接口設計了用於報警的蜂鳴器和指示用的 L E D .

2. 3. 3　 A D C 接口電路設計

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換單元於一體, 能將從傳感器接收到的很弱的輸入信號直接轉換成串行數字信號輸出^{[ 9]}. A D 7705內置的數字濾波器 , 能消除模數轉換過程中產生的噪聲. 由於數字濾波器的模擬輸入和校準選項的基準輸入是差分的 , 而模擬調製器的大部分電壓都是共模電壓, A D 7705良好的共模抑製性能能消除這些共模輸入信號裏的共模噪聲. 
 

 A D 7705主時鍾頻率為 2. 4576 M H z .電源電壓為 5 V , 經 R 7, R 9和 C 9分壓、濾波後提供 2. 5 V 的基準電壓 ,在滿增益的情況下, 能處理0～ 2. 5 V 的模擬輸入信號. 由於需要 2個 A D 7705分別對稱重壓力傳感器和位置傳感器的輸出進行轉換, A D 7705與 S 3C 4510B 的連接采用 3線方式^{[ 9]}.C S 為片選信號 , S C L K用於輸入串行時鍾脈衝 ,D O U T 和 D I N 與 S ³C ⁴⁵¹⁰B 的串行口相連, 用於數據的輸出和輸入. S 3C 4510B 采用查詢或者中斷方式從 D R D Y 可以取得 A D 轉換的狀態信號.

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抑製共模噪聲的能力. 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 激勵電流 I_O ,其計算公式為

另外 , 恒流源電流 I_O 經過精密電阻 R ₅轉化成電壓 ,電壓信號經過精密電阻 R ₈和 C ₆采樣 、 濾波後反饋輸入 A D ₇₇₀₅的通道 I N ₂. 這樣 ,通道 I N ₁和通道 I N ₂構成了一個閉環控製係統, 當係統溫度 T 升高時, 熱敏電阻 R ₆升高, I_O 降低 ,一方麵傳感器輸出電壓 V_{o u t} 和通道 I N ₁采樣電壓 V _{i n 1} 會相應降低, 部分抵消溫度 T 升高對 V_{i n 1} 的影響. 另一方麵通道 I N ₂對恒流源 I_O 的采樣電壓 V _{i n 2} 也會發生變化, 微處理器 S ₃C ₄₅₁₀B 可以根據 V_{i n 2} 的變化率按照式 ( 4) 對 V _{i n 1} 進行補償 . 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} 的絕對變化量 .

為了提高 A /D轉換質量, 實現高精度數據采集, 當環境溫度及工作電壓 、增益或雙極 / 單極輸入範圍變化時 ,必須對 A D 7705進行校準 , 以消除器件的內部誤差、偏移、增益以及傳感器漂 移誤差^{[ 10]}.

3　 係統軟件設計

該裝置的主要任務是微處理器 S ₃C ₄₅₁₀B 通過 A D 7705采樣 、 變換傳感器輸出電壓信號 , 經數據分析、 處理, 實現相關數據打印、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的數據采集和數據處理 、 人機交互程序 、 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 最小係統相關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 A D 7705串口可以訪問的的寄存器有 6個. 與任何寄存器通信總是從寫通信寄存器開始. 上電複位後, 各個寄存器的配置方式和A D 7705數據采集流程可以參考其數據手冊中的設置、 操作流程和讀寫時序圖^{[ 9]}. 應注意的是,當數據寄存器有更新 ,可以有 2種方式讀取: 一是通過查詢 D R D Y 引腳的狀態, 二是查詢通信寄存器中D R D Y 位的狀態 . 其他程序的流程可以參考相關文獻^{[ 7-9]}.

為了得到正確 、 穩定的壓力信號 , 一方麵利用位置傳感器設定了一個相對穩定的采樣區域. 另一方麵在這個相對穩定的采樣區域, 采用分段采樣和比較法與二次中值法相結合的數據處理方案 . 采樣與數據處理過程為 : 設采樣區域為 0 ～ t 時刻 ,平均分成 n 個區間 , 區間間隔為 Δt , 則第 i 個區間為 [ ( n - 1) · Δt , n · Δt ] .首先對每個區間 i 進行 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據. 不失一般性 ,假設每次比較都是保留前兩位數據,得到如下數據:

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

 　然後對以上 2k +2個數據 , 進行第一次中值運算, 得到 i 個區間的采樣值 V_i .重複以上 2個步驟,可得到 n 個區間采樣值:V₁ , …, V _i , …, V _n

最後對這 n 個數據, 進行二次中值運算 ,得到傳感器的輸出電壓 V_out . 參數 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 ,可以通過試驗來調整 .

4　 抗幹擾措施

由於裝載機稱重作業環境變化大, 智能稱重裝置的環境溫度變化大、濕度大 , 有粉塵、振動和噪聲汙染 , 而且周圍還有電氣幹擾 , 更何況 S 3C 4510B屬於高速處理器,為了提高係統可靠性 ,裝備除了在係統設計中盡量選用溫漂小 、穩定性好、低功耗元器件外 ,還采取了以下的抗幹擾措施 .

1) 硬件抗幹擾措施. 係統采用浮地 - 屏蔽 -機殼接地方案 . 其中信號地采用多點接地方式 , 並處於懸浮狀態 ,與其他接地互不相連 ,這樣可以提供穩定的參考基準電位 ,同時又能抗幹擾. 信號傳輸通道由屏蔽層隔開, 裝置外殼與安全接地采用一點接地方式相連 ( 即與大地相連 ) , 屏蔽層的接地也采用一點接地方式與安全地相連. 係統電路設計中, 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實現輸入與輸出的隔離.

2)P C B 抗幹擾措施. 模擬點和數字電路按區域分開,避免相互交叉, 應在一個地方將模擬和數字接地平麵連接在一起 ,以避免出現接地環路 . 時鍾信號不能在模擬輸入信號附近通過.數據線、地址線和控製線的布線要盡量一致 ,以減少對地電容. 尤其是地址線, 各條線的長短和布線方式盡量一致 , 以免造成各線的阻抗差異過大,形成控製信息的非同步幹擾. 數字線應避免走在元器件下麵 . 電源線應足夠的粗 , 以降低線路阻抗 .

3) 軟件抗幹擾措施 . 采用 Wa t c h d o g 技術 , 解決係統受到幹擾,可能引起的程序混亂執行問題.

5　 結束語

本文中設計的智能稱重裝置結構簡單、體積小,能準確 、 快速可靠地測量裝載機稱重載重貨物的質量,而且配合適當的傳感器 ,稱重模塊可以移植應用到其他載貨裝置的稱重領域 , 比如吊車、垃圾車和鐵路貨車 . 在實際應用中, 有多台裝載機同時作業 . 稱重模塊可以 擴展 G P S 和無線 傳輸接口( G P R S 或者 G S M) , 將裝載機的作業狀態和載貨的各種數據傳輸到監控中心 , 由遠程監控中心實時統計 、 匯總 ,實現對裝載機作業情況的實時監督或者調度. 這樣大大提升了該裝置的應用價值 .

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