煤仓料位监控系统中智能超声波料位计的研制.pdf

第 1期 2 0 0 7年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No ．1 Fe b．2 0 0 7 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 1 0 0 4 7 --0 3 燥仓料位监控系统中智能超声波料位计的研制 沈 兆振 ， 丁保 华 ， 管连俊 中国矿业大学机 电学 院， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 实时测量煤仓料位和 自动控制储煤量是煤矿 自动化生产的重要环节。文章设计 了基于超 声波发 送、 接收的测距模 块、 低功耗 MS P 4 3 0系列单 片机 的控 制模块和 R S 4 8 5通信协议的通信模块的超声波料位 计 。其 为 完善 煤仓 料位 监控 系统 创造 了必要条 件 。 关 键词 煤仓 ；料 位计 ；超 声波 ； 单 片机 ； MS P 4 3 0 ； R S 4 8 5 中 图分 类号 T D 6 7 9 文献 标识 码 B 0 引言 随着煤炭工业生产 自动化程度的提高 ， 大多数 储煤 仓需要 实时 准 确地 测量 其煤位 变 化和控 制储 煤 量 。工业料位测量 中， 目前采用 的料位计主要有超 声波 式 、 电容 式 、 重 锤 式 、 核 辐 射式 等 几 种 。超 声 波 式 以其可 以做到 不接 触 、 连续 测量 、 长 时工作 及对 人 体无 危害 等诸 多优 点 ， 非 常 适用 于煤 位 测 量 。但 就 目前国内超声波料位 计而言 ， 在稳定性和可靠性方 面还 不尽如 人意 ， 系 统造 价 比较高 ， 如要 进行 料位 群 测 ， 则价格 负担 更重 。 为 此笔 者 研 制 了一 种 智 能 超声 波 料位 计 ， 它 可 以与 上位机 组成一 种 新 型储仓 料位群 测 系统 。该 料 位计采用 9 V 电池供 电， 同煤仓 的若干料位计通过 1根 电缆与上位机通信 ， 减少 了传统超声波料位计 所需 的大量供 电和通 信 电缆 、 以及 供 电 电压 在线 路 上 的损耗 。它还 配 备 了 一体 化 的超 声 波 发送 、 接 收 模块 和计算 机远 程 通 信 模 块 ， 本 身 具有 智 能 处 理 装 置 ， 可 针对 各种 复杂 的 应 用现 场 ， 设 置不 同的环 境 参数 ， 适应能力强。 l 超声 波料位 计 的研 制 1 ． 1 工作 原理 采用 超声波 脉 冲反 射接 收法 又称 脉 冲法 测 距 的原理 ， 脉冲法 测 距 原 理 如 图 1所 示 。已 知声 波 在 空气中的传播速度 为 c ， 如被测煤仓深度为 L， 煤仓 料位 为 H， 超 声 波 换 能 器 通 过 介 质 发 射 声 脉 冲 ， 声 收稿 日期 2 0 0 6 1 O l 1 作者简介 沈兆振 1 9 7 5 一 ， 男 ． 现 为中 国矿业 大学机 电学 院硕 士研究生 ， 研 究方 向为矿井提 升机性能测试 。 波经 一定 时 间可达 被 测 料 面 ， 由料 面 反 射 的 回波 又 经 过 同样 距离 和 时 间 回到 声 源 处 ， 即声 波 往 返 路 程 为 料 深 的 2倍 ， 测 得 声 波 往 返 时 间 为 t ， 利 用 s c t ／ 2 ， 即可 算 得 料 位 计 与 反 射 点 间 的 距 离 5 。 测 量 距 离 一 √ s2 一 鲁 。 ， s 时 ， 有 ≈ s 。 传 感 器采用 分体 收 、 发换 能器 ， 因 收 、 发 换 能器 间距 非 常 接 近 ， 故有 ≈ O ， d s f t ／ 2 。 则煤 仓 料位 H L d L一 f￡ ／ 2 1 目 标 图 1 超声波反射接 收法测距原理 1 ． 2超 声波 料位 计设 计 料 位计 由低 电压 、 低功 耗 的单 片机 、 超声 波发 射 电路 、 超声 波接 收 电路 、 串 行 接 口电路 、 电池 供 电 电 路 等组成 ， 其组 成框 图如 图 2所 示 。 _-_______●一●●一●●一一-________●一●一●一-_____●一一 超 声 波 发 射 电 路 H望 片 栅 t 超 声 波 接 收 电 路 H 图 2料 位 计 组 成 框 图 超声 波发 射 、 接 收 电路 与单 片机 相连 ． 单 片机与 串行 接 口相连 。电池供 电 电路 也为 其它 电路供 电 。 1 ． 2 ． 1 设 计说 明 超声 波换 能器 采用 的是 陶瓷 的压 电效 应 。测量 过 程 中 ， 声 波 信号 由发 送换 能 器发 出 ， 经 物体 表面 反 射后 由接收 换能 器接 收 ， 测 量 声波 的整 个运 行时 间 ， 从而实现距离的测量 。料位计所用换能器是最佳工 作频率为 4 0 k Hz的陶瓷超声波传感器 ， 适用 于中 维普资讯 4 8 工矿 自动 化 2 0 0 7年 2月 程范围测量 ， 最大量程为 3 0 m， 在脉冲触发模式下 工作。该类传感器适应性强 ， 可在一4 0 ～9 0℃环境 下正常工 作， 散射角最大 为 1 5 。 。鉴于声 速受温度 影响最大， 为使测量更精确 ， 测距数据处理过程采用 温度补偿 。 单片机驱动发送换能器发出 1 2个周期 4 0 k Hz 的方波 信号 ， 接 收换能 器接 收 回声 信 号。单 片机 MS P 4 3 0的定时器用于记数 4 0 k Hz的晶振频率 ， 故 时问测量的分辨率为 2 5 s ， 对于测量系统来说 已足 够 。石英 晶振 的测量 时基 非 常稳定 。接 收换 能器 接 收到的回声信号经运算放大器放大后送给单片机的 U5 p rr 比较器， 比较器接 收到 回声信号立 即触发定时器的 捕捉功能以获得捕捉／ 比较寄存 器中的记数值。捕 获的数值就是超声波从料位计发送换能器发出运行 到 目标 、 再 从 目标 返 回接 收 换 能 器 的 测 量 时间 。单 片机利用这个时问计算出系统到 目标的距离 ， 得 出 煤仓中的料位高度 ， 并将数据通过通信 电缆传输至 上位机。然后单片机 C P U进入睡眠模 式以达到省 电目的， 由串行通 信 中断信号 唤醒 C P U 重复下一 个测 量周 期 。 1 ． 2 ． 2 电路设 计 图 3为料 位计 的 电气 原理 图 。 D R1 1 5 6O 5 ] CI 4 o k H z r c |4 I 超声波接收头 0 1 F I 图 3料 位 计 的 电气 原理 图 MS P 4 3 0 F 1 2 X U1 是 系 统 核 心 。 MS P 4 3 0系 提 供 1 8 V 的 电 压 驱 动 换 能 器 。该 1 8 V 的 电压 由 列单片机为 T I 公司 F L AS H 型 1 6位单片机， 具有 6个反向器 U4 C D4 0 4 9 组成 的桥路获得。1个反 低电压 工作电压为 1 ． 8 ～3 ． 6 V 、 超低功耗、 处理 向器用来提供驱动器一 侧的 1 8 O 。 相移 信号 ， 另一侧 能力强、 工业级环境 一4 0 ～8 5℃ 下工作稳定 、 则由反向信号驱动。该设置使输出电压幅值加倍 ， 开发方便高效 等性能 。选 择 4 0 k Hz晶振 X1作 为 这样就可以推挽 的方式提供给发送换能器 1 8 V 的 和超声 波换能 器的谐 振频 率相 匹配 的低 频 晶振 。 电压。2 个反向器并联是为了每侧都能提供足够的 R1 2是复 位 电路 的 上拉 电 阻 ， 集成 的 省 电 电路 自动 电流 以驱动 换 能 器 。电 容 C 6和 C 7用 来 隔 断 直 流 进入 省 电状态 。C 9用 于 MS P 4 3 0供 电电源 的解 耦 ， 流入 换能器 。因为 C D 4 0 4 9工 作在 9 V， 而 MS P 4 3 0 它和供电线路应尽量接近 。1 4脚 的双列 接头 J 1 提供了 1个便于使用 MS P 4 3 0闪存模拟工具在线调 试 和编 程 的接 口。P 2 ． 0口设 置 成输 出 超 声 波 换 能 器要求 的 4 0 k Hz 方波 A CL K信号。 换能器输 出驱动电路 由 9 V电池直接供 电， 并 工 作 电压是 3 ． 6 V。 在 MS P 4 3 0和输 出 驱 动 电路 之 间有 个 逻辑 电平不 匹配的 问题 。在 这 2种 电平 之 间 三极管 Q1 充当逻辑电平转换的角色。 U3 使用 TI 的 5引脚的运算放大器 TL V2 7 7 1 ， 该放大器有高增益带宽 ， 提供 4 0 k Hz 高增益信号。 维普资讯 2 0 0 7年第 1 期 沈兆振等 煤仓料位监控 系统中智能超声波料位计的研制 4 9 TL V2 7 7 1 设置成反向放大器状态。R7和 R 5使得 放大倍数为 5 5 ， C 5 使高频信号旁路 ， R3和 R4偏 置 放大器的输入到一个实际的中值 ， 并提供给运 算放 大器的单输入端 ， 放大 的超声波信 号在这个中值附 近上下振动。接收换能器的高 Q值阻止 了 4 0 k Hz 外的无效信 号。运算放 大器 的输 出端 连接到 比较 器 A的输入端 C A0 端 口引脚 P 2 ． 3 。比较器 A 为 MS P 4 3 0的 内 置模 块 ， 它 的对 应 引 脚 为 P 2 ． 3 ， 内部 参考 电压设置为 0 ． 5 Vc c 。没有超声波 回声信号时 ， C A0的电平略低于 C A1的参考 电压 ； 当接收到 回 声信号时， 电压高于参考电压并使 比较器 A的输出 C AO UT翻转 。R6用 于 微 调 所需 的 灵 敏 度 和 优 化 测量 范 围 。 U5为串行通信转换芯片 S N6 5 HV D1 0 ， 工作电 压为 3 ． 3 V。单片机 的串行通信 口 R X D、 T X D 与 S N6 5 HV D1 0 的R、D口 相 连 ，P 2 ． 1 口 与 S N6 5 HVD1 0的 R E、 D E 口相 连 ， 通 过标准通 信协 议 R S 4 8 5接 收 上 位 机 指 令 进 行 测 量 后 ， 芯 片 S N6 5 HVD1 0的 B、 A 口发送 数据 给 上位机 。 MS P 4 3 0和超声 波信 号放 大 电路 由 9 V 电池 通 过 T I 的电压 转换 芯 片 TP S 7 7 0 0 1提供 3 ． 6 V 电源 。 电阻 R1和 R2使芯片电压输出为 3 ． 6 V。C1和 C 2 是实现芯片正常功能所需的推荐电容值 。发送驱动 直 接 由 9 V供 电 。开 关 S 1 是 电源 主开 关 。 1 ． 2 ． 3 软件设计 运用 MS P 4 3 0系列 单 片机 丰 富 的 片 内资 源 和 简 洁的 内核指 令 ， 可 编 制 出性 能 优 良 的源 程序 。装 置 采用 F L AS H 型芯 片 MS P 4 3 0 F 1 2 X， 内有 J TAG 调 试接 口， 只需 1台 P C机 和 1个 J TA G 调 试 器 即 可 完 成程序 写入 。开 发语 言有 汇编语 言 和 C语 言 。 系统具有高效率性。MS P 4 3 0系列具有 1 6位 R I S C结 构 ， 大量 寄存 器 ， 较高 的 处理 速度 ， 可 以编 制 出高效 率的 源代 码 。 系统具有高实时性。系统初始化后将 C P U 置 于省电模式 ， 串行通信产生中断唤醒程序。在中断 服 务 程 序 里 驱 动 发 送 换 能 器 发 出 1 2个 周 期 的 4 0 k Hz 方波信号 ， 并允许 定时器 Ti me r A的捕捉 中断 ， 同时定 时 器 T i me r A用 于记 数 4 0 k Hz的 晶 振频 率 。 比 较 器 A 接 收 到 回 声 信 号 触 发 定 时 器 T i me r A 的捕 捉 功 能 以获 得 捕 捉／ 比较 寄 存 器 C C R 1中的记数值 。单片机计算 出系统到 目标 的距 离 ， 通过查预先设置在程序中的温度和声速关系的 列表进行测量数据 的温度补偿 ， 得 出料位的相关数 据 ， 并将 数 据通 过通 信 电缆传 输至上 位机 。然 后 MS P 4 3 0进入 L MP 3睡眠模式， 由串行通信 中断信 号唤醒 MS P 4 3 0重复下一个测量周期。 系统具 有高稳定性 。如 果晶体 振荡 器在用作 C P U时钟时发生故障， DC O会 自动启动 ， 程序中可 将 D C O设置成 4 0 k Hz ， 以保证系统正 常工作。在 程序中设置看门狗 ， 一旦程序跑偏 ， 可用看门狗将其 复位。 1 ． 3仪 器安 装 超声波料位计的安装 ， 应注意在超声波的传播 方 向上 ， 避 免下 料 口， 以 及尽 量避 免仓 内的 建筑 构件 如扶梯 钢 梁等 ， 如确 实无 法 避让 ， 可用记 忆 虚假 回波 方式记住这些阻挡物产生 的回波 ， 使其不影响物位 的准 确测 量 。 2系统 通信 煤 仓 料位 监控 系统 由超 声 波料位 计 和便 携式计 算机 组成 。料 位计 和计 算 机 的通信方 式选 择 了具有 可靠性高、 距离远 、 通信速率较高 、 性能价格 比高等 优点的标准通信协议 R S 4 8 5 方式 ， 在计算机 和料位 计间有 R S 4 8 5 ／ R S 2 3 2通 信 转 换 装 置 。若 干 只料 位 计接在 同一根通信 电缆上 ， 便携式计算机作为上位 机 给智能 料位 计顺 序 发 出测 量 指 令 ， 智 能 料 位 计顺 序返 回测量计算的料位数据 ， 计算机对数据分析整 理 ， 以实时计算和显示各煤仓的料位 ， 并根据料位情 况发 出指令 控 制给 煤系 统或 排煤 系统 等 。 3结语 由于一 体化 的设 计 ， 该 超 声波料 位计 体 积小 、 密 封 性好 ， 安 装 和维护 非常 方便 ， 结 构及供 电等设 计均 能满 足煤 矿设 备 的本 安 防爆 特性 。 在孔 庄 矿 的实验 证 明 超 声 波料 位 计 测 量 精 度 较高 ， 运 行安 全可 靠 、 稳定 有效 。仪 器的 研制 成功 为 选 煤厂 等煤 矿 企业实 现 自动 检测 和生产 计 量管理 现 代化创 造 了条 件 。 参考文献 [ 1 ] 胡 大可． MS P 4 3 0系列 F I A S H 型超低 功耗 1 6位单 片 机[ M] ． 北 京 北京航空航 天大学出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 王前进 ， 冯为民．智 能型 探测式 煤位检测 系统 [ J ] ．工 矿 自动 化 ， 2 0 0 3 1 3 5 ～ 3 6 ． 维普资讯