关于电子皮带秤电控系统的设计

关于电子皮带秤电控系统的设计1 电子皮带秤1.1 电子皮带秤简介皮带秤经历了纯机械式皮带秤、传感器电子仪表皮带秤发展到今天的传感器微机式皮带秤和微机智能化皮带秤，日新月异的电子计算机技术在皮带秤中的应用，极大地提高了皮带秤的计量精度，改善了它的稳定性，简化了操作程序，易于维护，使其广泛应用于各行各业。

皮带秤具有动态测量和自动在线测量等优点，被广泛应用于产品的定量包装和工业配料等工业现场，不仅起到减员增效、节支创收和减少误差的作用，而且加强了企业的管理，缩短作业时间，改善了操作条件，提高劳动生产率，降低劳动强度，从而大大提高了生产的自动化程度，被广泛应用于煤炭、石油、化工、电力、轻工、冶金、矿山、交通运输、港口、建筑、机械制造和国防等各个领域。

皮带秤正以其独特的优势，作为一种新兴的高技术产业受到全世界的普遍关注，具有十分广阔的发展前景[1]。

目前，电子衡器在全球衡器市场占据主导地位，世界衡器产值有50多亿美元，美国、德国、日本、英国、意大利等国家都掌握先进的称重技术。

美国衡器产值约10亿美元，其中，重型衡器和包装系统比例很大；在意大利，包装系统占衡器产值的80%以上；德国1998年衡器产值为13.24亿马克，其中工业、商业秤9.00亿马克，家用秤1.1亿马克，精密级衡器1亿马克，称重部件2.14亿马克。

日本衡器年产值约1000亿日元，在日本1台自动定量包装秤价格从200万到2000万日元；全球衡器出口贸易额约18亿美元。

在出口贸易中，德国占31%，日本占18%，美国占18%，法国占7%。

电子皮带秤在全球范围的应用也越发的广泛。

美国设置有专门技术服务公司，有偿地为工矿企业中的皮带秤进行各种咨询和技术服务，确保了这种秤在现场使用中的计量性宗旨。

荷兰菲利普(PHILIPS)公司的专家从1966年开始在该公司的试验装置上经过反复试验研究，开创了多托辊皮带秤的计量性能优于单托辊的理论，成了高精度皮带秤在机械秤架设计方面的一个新起点。

北欧的瑞典、挪威在皮带秤的现场维护技术上有出色的成就，这些国家早就把皮带秤做为散料进出口贸易结算的公证秤，使用中的计量准确度为0.2%。

就国内而言,也有相当数量规模较大的外资企业和新兴企业，拥有先进开发手段和现代制造、检查装备。

随着皮带秤国家标准和检定规程的发布，使皮带秤产品规范化有了依据，皮带秤的检测技术受到广泛的重视。

我们需要通过国际技术转让、国际技术交流、国际间的资本流动、人才流动来装备我国衡器企业，以此将产品推向现代化、推向国际市场。

我国的衡器行业是一个具有漫长发展历史的传统产业和重要的基础行业。

近十多年来，我国称重传感器技术与制造工艺也取得较大进步。

据海关统计，我国共向世界六大洲160多个国家和地区出口衡器和天平，可以说是称重传感器生产大国[2]，但总体质量水平与国际同类产品相比还有较大差距。

现如今，各种新技术不断涌现，处于全国各种企业大力进行技术革新的形式下，市场对电子皮带秤的需求增大，我国也一直在加大对电子皮带秤的研究。

电子皮带秤是一种动态控制型衡器，它利用皮带运转，将皮带上运载的物料进行称重、累计，并能根据设定流量的要求调整皮带速度，以使物料流量达到设定流量，显示或打印计量。

1.2 电子皮带秤的结构及工作原理皮带秤组成大致可分为秤架、称重传感器、速度传感器和显示控制器等几个部分。

1.秤架2.称重传感器3.测速传感器4.现场放大器5.主控计算机6.显示器图1-1电子皮带秤结构图Fig.1-1 Structure of electronic skin belt weight meter皮带秤是对散状物料自动连续、累计称量的计量器具。

连续、自动称重是皮带秤的主要特点[3]。

设对皮带秤速度的测试时间间隔为1秒，即每隔1秒计算一次速度值，单位为/m s；对重量的测试为50次/秒，单位为/kg m ；重量乘以速度，乘以3600，再乘以50，就得到0.02秒时间间隔内的瞬时流量，单位为/kg h 。

因为皮带称量段上的物料量分布不均匀和皮带速度的变化，所以本系统先计算出每0.02秒的时间间隔内的瞬时流量()Q t ，单位为/kg h ：00()fs fs fsad ad p Q n Q ad ad p -=⨯⨯- （1-1） 式中：ad ——加载时A/D 转换器的数据量；0ad ——空载时，定时为皮带秤运行整数圈时间，A/D 转换器输出的平均值（定时不足3分钟检测后应该归算到3分钟）；fs ad ——满度加载时A/D 转换器的数据量；fs Q ——满度瞬时流量值，单位为/kg h ；P ——加载时1秒内的速度脉冲数；fs P ——1秒内的满度速度脉冲数。

接着把瞬时流量对时间进行积分，得到累积流量G ，其数值算法公式为：()503600Q n G =⨯∑（1-2） 式中：G ——累计流量，单位为kg ；()Q n ——瞬时输送量，单位为/kg h ；2 设计方案分析实际生产工艺中的物料配送是由多台皮带秤配合完成的，使原材料成比例的添加到反应器内，只要我们对运送最主要的原料的电子皮带秤进行严格的控制，并根据它的参数变化以及物料的流量变化进行对其他配料皮带秤调节，完成物料配送过程。

电子皮带秤的皮带下面有一个压力传感器，把信号经过放大器，A/D转换器传给单片机，通过单片机处理后以数字形式显示出来，有瞬时流量和累积流量，皮带机的电机是个变频电机，可通过变频来调节送料速度，以使物料流量达到设定流量[4]。

此次对电子皮带秤的电控系统进行设计包括：检测电路，键盘电路，LCD显示电路以及输出控制电路等部分的设计。

2.1 设计思想输送带的实时称重系统是对散状物料自动的连续、累计称量。

为了测得运动的输送带上单位长度的瞬时流量，某一段距离的物料重量，或一段时间和一段距离的累积重量。

这些量在理论上的计算，可用积分法的数学模式来演算。

图2-1皮带秤系统构图Fig.2-1 Illustration of lectronic skin belt weight meter system输送带输送物料时，主控机连续测量输送带上每单位长度的载荷值(/)q kg m并与皮带在同一时刻的速度(/)v m s相乘，测得结果为物料的瞬时流量(/)q v kg s∙。

因物料输送的不均匀性和输送带速度随时间变化，所以在T时间间隔的累计流量可以用以下积分式表示。

0()()Tw q t v t dt=⎰（1-1）式中:w一T时间间隔的物料累计量kg或t;T一物料通过秤的时间s或h；kg m；q一皮带单位长度上的物料重量/v一物料在皮带上的运行速度/m s。

首先，物料下落到输送带A轮和B轮之间的位置上，经过B轮位置时已达到稳定的速度开始进入称重区域。

这样的机构设计减小了物料对输送带的冲击，从而使秤架尽可能的将输送带负荷按一定比例传递到传感器上，获得较好的称重效果。

当被称物料通过输送带输送部分到达固定轮B位置以后，物料开始在重力作用下通过输送带秤架对传感器的受力部位作用，使称重传感器内部的弹性体产生形变，贴附于弹性体应变梁上的应变计将变形转变为电阻变化，惠斯顿桥路失去平衡，输出与所受力的数值成比例的电信号，经线性放大器将信号放大，得到可以直接通过数据采集卡采集的电压信号，经采集卡中的A/D转换器转换为数字信号以后输入到计算机中，进行数据处理和分析。

2.2 设计方案组成图2-2 设计系统结构框图Fig.2-2 Structure of Designing system电子皮带秤的电控系统设计主要包括如下几部分：A/D转换、数据处理、数据显示、数据存储、数据传输、自动控制。

A/D选用的是高精度的A/D转换器AD7710。

A/D转换之后的数据需要单片机进行处理，单片机采用的是AT89C51，其所具有的高集成度既简化了设计又降低了成本。

输出通道采用D/A转换器TLV5614芯片完成，模拟量输出送变频器，通过它调节皮带电机。

数据显示采用液晶显示模块，人机界面友好。

通过对皮带秤一些简单的抗干扰实验，提出了一些简单的硬件可靠性设计。

3 系统的硬件设计3.1 系统的主控制器AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

片内含4K字节可反复擦写的只读存储器（PEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

片内置多功能8位中央处理器（CPU）和Flash闪烁存储器，功能强大的ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多控制系统提供了一种高灵活性、且高性价比的方案。

3.1.1 主要特性及其结构AT89C51单片机是具有强大功能，高性能的8位单片机，它的主要特点能与MCS-51 兼容；并特有的4K字节可重擦写编程闪烁存储器，有1000次写/擦循环的读写寿命；又长达10年的数据保留时间；0Hz-24Hz全静态工作；还有三级程序存储器锁定；内部RAM为128×8位的；32可编程I/O口线，内部具有两个16位定时器/计数器；单片机有5个中断源；还有必不可缺的可编程串行通道；还有低功耗的空闲和掉电模式；片内振荡器和时钟电路等，AT89C51作为本系统的核心部件，它的功能齐全，能够完成电子皮带秤的控制任务。

VCC：电源电压。

GND：接地。

P0口：8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写―1‖时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址―1‖时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

图3-1 AT89C51引脚图Fig.3-1 C hip’pin of AT89C51P3口：8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。