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电子皮带秤仪表基于ARM的设计

电子皮带秤仪表基于ARM 的设计
利用ARM,设计了多功能皮带秤仪表,不仅能实现累积量和流量计量,还能实现流量的实时控制,具有报表打印、报警输出和通信等功能,适合于各种散料计量和流量控制场合。仿真结果表明,将无模型自适应控制系算法用于皮带秤流量控制,有较好适应性,能够满足不同场合的皮带秤流量控制。

1 电子皮带秤系统组成
1.1 系统结构
皮带秤称重系统一般由秤架、称重传感器、速度传感器、信号处理单元和称重显示控制器(皮带秤仪表)5大部分构成。设计的皮带秤仪表的原理如图1所示。下位机数据采集系统采用MSC1210Y05单片机作为核心芯片,主要实现压力信号处理和转速信号处理,以及信号采集的功能。上位机系统则采用ARM7芯片LPC2214为主控单元,主要实现累积量计算、流量计算、通讯接口、显示和控制输出等功能,其中模拟量输入0~20mA 电流用于流量控制的给定信号,模拟量输出用于变频器调节转速,控制电机运转速度。
皮带秤仪表系统图
1.2 系统工作原理
系统采用4路压力传感器安装在托辊的下方,克服了通常1只传感器情况下,因皮带跑偏、物料在皮带上堆积偏向一侧,而引起偏心载荷影响称重精度的缺点。当物料投放到皮带上时,压力传感器会把感应的压力转换成微弱的电信号,然后经前置滤波增益放大电路完成信号调理功能;光电传感器则通过光栅码盘获得光电脉冲,经整形滤波电路计算出皮带转速;设计中还添加角度传感器,是为了应对堆取料与皮带运行时存在倾角的变化而引起测量误差的情况,扩大了系统的应用范围,克服了常规动态称重系统在某些场合不能使用的缺点。下位机对接收的压力信号、转速信号和角度信号,进行A/D 转换,通过RS485 串口与上位机ARM7系统通信,把测量的信息传给上位机。上位机通过积分运算实现累积量计量,并采用闭环控制算法实现流量的实时控制,流量的给定值可以通过模拟输入信号设定,也可由其他系统通过通信口设置,通过模拟量输出来控制电机转速,从而控制皮带的运行速度,达到控制流量的目的。故将无模型自适应控制算法用于流量闭环控制中,可以提高控制性能。
2 硬件设计
2.1 下位机数据采集
传感器输出的电信号一般较微弱,信噪比小,易淹没在噪声中,此外传感器的输入/输出存在一定的非线性,因此在前端处理电路中应滤除噪声等干扰,进行信号调理。多通道数据采集系统采用独立电源供电,互不干扰,保证传感器有着良好的输出特性。
压力信号调理电路
压力信号调理电路如图2所示。选择低功耗、高精度和宽电压的仪用放大器AD620[5],通过加在其引脚1与引脚8中间的增益电阻,实现固定增益放大(设计中增益约为100)。压力传感器输出微弱信号通过R01,R02进入系统。由电阻R01,R02和电容C01,C02组成对地低通滤波结构,滤除噪声等干扰,后经AD620放大输入单片机。这里采用对称结构的低通滤波器,便于差分信号在传输过程中受到同等程度的损失,保证线路平衡。

2.2 上位机ARM 系统硬件
上位机硬件组成如图4所示。主要由管理控制单元(MCU)、存储单元、外部总线和LCM 显示模块等组成。其中MCU 以ARM7芯片LPC2214为核心,负责整机系统的调度和管理;存储单元采用E-IS61LV25616AL芯片,可实现数据的高速缓存;外部总线则通过M29W320ET芯片与MCU 连接,选用E-AT45DB011B芯片,实现对Flash的读写以及与外围设备的串行通信;LCM 显示模块完成实时信息的显示,供工作人员了解机器运行状况。外部接口电路还设有A/D 输入,D/A 输出,RS232_Debug接口以及RS485通信端口,主要实现信号的输入输出,上位机的调试以及与下位机的通信功能。为了方便联机操作,选用DM9000芯片,设置了以太网接口。
上位机系统硬件组成
3 软件设计
下位机以KeilC作为开发环境,采用基于C语言代码实现A/D转换和数字滤波功能。由于传感器输出特性存在非线性,加之信号放大、模数转换等环节的一系列非线性,使前端信号处理的非线性误差变得不可忽视,在软件设计中通过设定最小采样间隔,采用连续采样信号若干次求平均值方法进行数字滤波,修正非线性误差。上位机ARM 系统基于实时多任务操作系统μC/OS-Ⅱ,软件开发环境为IAR Embeded Workbench。通过内嵌无模型自适应控制算法,来完成皮带速度闭环控制功能,输入信号由A/D进入,控制量由D/A 输出。报警模块完成报警信号的输出和传感器故障的紧急处理功能;外围存储器用于累计量和报表的定时保存,打印模块则实现存储器中数据的打印输出。
 

原文(基于ARM的电子皮带秤仪表设计——王珅玮; 李传江)

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