基于微處理器的精密長程連續(xù)檢測儀的研制

羅向東，徐曉秋，趙孝文

（1黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，黑龍江哈爾濱150090；2黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，黑龍江哈爾濱150086）

隨著科技的不斷發(fā)展，自動化水平的不斷提高，工業(yè)過程控制中對物位監(jiān)測及自動控制的要求越來越高，國內(nèi)物位控制儀表研究人員對可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的連續(xù)物位控制儀表進(jìn)行了大量的研究。目前國內(nèi)應(yīng)用的連續(xù)物位監(jiān)測儀表主要有射線式，電容式，雷達(dá)式，超聲波等幾類，因其使用功能、環(huán)境、應(yīng)用領(lǐng)域的不同存在各式各樣的局限性。射頻導(dǎo)納物位儀表是從電容式物位測量技術(shù)發(fā)展起來的，該類儀表具有防掛料、可靠性高、測量準(zhǔn)確、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。

1 測量原理

檢測儀的測量結(jié)構(gòu)如圖1所示。物位的確定是由探頭和步進(jìn)電機(jī)兩部分綜合決定的。長短雙射頻導(dǎo)納傳感器探頭根據(jù)邏輯關(guān)系確認(rèn)物位的界面；步進(jìn)電機(jī)通過變速器、線輪帶動探頭運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)與線輪的轉(zhuǎn)數(shù)比是一個常數(shù)，線輪的周長也是一個常數(shù)，故而探頭移動的距離（也就是物位）只與步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的步數(shù)相對應(yīng)。因此確定了按表1的數(shù)字邏輯關(guān)系控制探頭運(yùn)動，并計算步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的步距數(shù)，即可達(dá)到隨動測量物位的目的。

圖1 測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement

表1 傳感器狀態(tài)與探頭運(yùn)行的關(guān)系表Table 1 Therelationshipbetweensensorstatusandtheproberunlist

2 儀表設(shè)計

檢測儀按結(jié)構(gòu)可分為雙極射頻傳感器探頭和主機(jī)兩部分。主機(jī)和探頭之間通過1條4芯的電纜連接。當(dāng)系統(tǒng)工作后，探頭內(nèi)的微處理器分別將兩個傳感器接收到的工作頻率信號直接采集后，通過485接口輸出到總線上，傳感器接收到的信號經(jīng)定時采樣后，送主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理的結(jié)果經(jīng)邏輯判斷控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度計算傳感器位移的距離，LED顯示計算結(jié)果和4～20mA輸出。

2.1 探頭設(shè)計

探頭內(nèi)部主要由兩個射頻傳感器、微處理器和接口芯片組成。

圖2 傳感極電路原理圖Fig.2 Sensing pole circuit diagram

圖2所示為傳感極電路原理圖，PLC497、R1、R2、R11、R12、C1、C2、、C11、C12是考慮電磁兼容而設(shè)計的，因傳感器有時會在帶有強(qiáng)靜電場所應(yīng)用，抑制消除這種干擾是很必要的；運(yùn)算放大器TLV2624、R3、R4、R5、R6、R13、R14、R15、R16、C3、C13組成兩個橋式振蕩器，正反饋支路的電阻R阻值相同，負(fù)反饋支路是RC網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)震蕩器穩(wěn)定工作后，產(chǎn)生波形的占空比為1∶1；4個射極跟隨器分別將信號相互隔離；芯片89C51通過編程將兩路頻率信號分別定時采集處理后發(fā)送出去；C6、C7、24M組成時鐘電路；C9、R21是通電復(fù)位；芯片MAX485、R22是總線收發(fā)器，通過它將CPU送來的信息發(fā)送到485總線上。

2.2 主機(jī)設(shè)計

主機(jī)由主控器、步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動器、減速器和機(jī)械傳動系統(tǒng)等組成。如圖3，后面分別介紹。

圖3 主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the host

2.2.1 主控板

主控板是整個儀表的核心，由微處理器、RS485接口芯片、數(shù)據(jù)掉電保存芯片、電機(jī)數(shù)字邏輯控制電路、輸入和輸出光電隔離、4～20mA輸出、電源轉(zhuǎn)換等功能模塊組成[1]。

其中微處理器完成電機(jī)控制、探頭信號的輸入和計算、物位結(jié)果的顯示和輸出、參數(shù)的輸入等功能。微處理器采用ATMEL的89C55單片機(jī)芯片[2]。

電機(jī)數(shù)字邏輯控制電路具有根據(jù)上下限位行程開關(guān)的狀態(tài)，從硬件上保證步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動信號正確的輸出。如：當(dāng)探頭向上運(yùn)動時，如果觸發(fā)上限位保護(hù)的行程開關(guān)，則步進(jìn)電機(jī)向上的脈沖信號無法發(fā)出，不過電機(jī)向下運(yùn)動的脈沖信號依然可以發(fā)出。電機(jī)數(shù)字邏輯控制電路由3片數(shù)字邏輯門電路74LS04、74LS32、74LS08組成。

光電隔離模塊是提供將主控板與各外部功率元件連接起來，并有效隔離干擾的必備部分。

電源轉(zhuǎn)換提供給系統(tǒng)DC5V和DC12V的電源。

圖4 主控板電路原理圖Fig.4 C ontrol board circuit diagram

2.2.2 步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備

步進(jìn)電機(jī)選用了34HS300CZ二相混合式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)矩4.0N·m，最大空載起動轉(zhuǎn)速252r/min；驅(qū)動器選擇MS-2H090M二相電機(jī)驅(qū)動器，細(xì)分?jǐn)?shù)分為16檔，最小步距角0.009°，最大步距角0.9°，電機(jī)工作時步距角為0.09°。減速器為10∶1的蝸輪蝸桿鋁合金減速器。單片機(jī)的工作頻率為24M。

本課題中，步進(jìn)電機(jī)、減速器、驅(qū)動器和單片機(jī)的工作頻率的選取是極為關(guān)鍵的。這幾個設(shè)備相互關(guān)聯(lián)，直接影響到儀表的測量精度、跟蹤速度、負(fù)載能力、工藝體積、產(chǎn)品成本等關(guān)鍵的性能。下面就這幾個關(guān)鍵設(shè)備的選取進(jìn)行說明。

第一.步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載能力（即所需要的扭矩）。為簡化計算，以探頭和輪盤的慣性重量合計估算為10kg（以拉力秤在輪盤上快速拉動測出）；線輪的圓周為1m，則力臂長度為0.16m。

扭矩=拉力×力臂=1.6N·m

第二.步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速。以在3min之內(nèi)運(yùn)動15m測量距離計算，1r為1m，

轉(zhuǎn)速=15/3=5r/min

為了選取合適的電機(jī)（電機(jī)越大，價格越貴），還要考慮加配減速裝置，表2為加配減速器后對電機(jī)性能的要求：

表2 電機(jī)性能表Table 2 Motor performance table

第三.測量精度的保證。步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī),它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(稱為“步距角”)一步一步運(yùn)行的,其特點(diǎn)是沒有積累誤差,所以廣泛應(yīng)用于各種閉環(huán)控制。本項目采用步進(jìn)電機(jī)目的也在于在一個長距離的測量范圍內(nèi)保持測量精度。粗步概算一下，如果步進(jìn)電機(jī)的步距角0.09°，減速比合計為20∶1，繞線輪直徑為1m，則有探頭每運(yùn)動1m，步進(jìn)

電機(jī)行走數(shù)為 360°/0.09°×20/1=80000。

傳動誤差可忽略，誤差為1000/80000=12.5nm，可以看出檢測儀的測量精度是相當(dāng)高的。

第四.跟蹤速度。儀表除了要滿足測量精度外，跟蹤物位的速度也很關(guān)鍵。由于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由單片機(jī)完成，除此之外單片機(jī)還要完成其他控制功能，故而電機(jī)程序的系統(tǒng)占用率不宜太高，相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步距角就不能太小。表3為單片機(jī)控制MS-2h090驅(qū)動器在不同的細(xì)分條件下所能達(dá)到的步進(jìn)電機(jī)的極限頻率。

表3 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速與單片機(jī)晶振頻率的關(guān)系Table 3 The relationship between the microcontroller crystal frequency and the maximum motor speed

綜合考慮各個因素，并通過試驗，工作時步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行速度最高300r/min、步距角0.09°、扭矩0.16N·m，單片極工作頻率24M。從現(xiàn)場使用情況看，儀表的各項性能都達(dá)到了設(shè)計目的。

2.2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)和原點(diǎn)行程開關(guān)

圖5 行程開關(guān)位置示意圖Fig.5 Schematic position limit switch

檢測儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。線輪的左側(cè)為齒輪，受步進(jìn)電機(jī)的傳動齒輪驅(qū)動。線輪中間套扣，與中間的固定絲杠咬合在一起。按圖5示位置，線輪轉(zhuǎn)動時，除了帶動探頭上下運(yùn)動外，還沿著固定絲杠水平方向移動。

此種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計有三個好處：

①保證了線輪到出線口的連線始終與固定絲杠相垂直，從而使得探頭的連線均勻的繞排在線輪上；

②由于出線口位置固定，儀器的防塵很容易設(shè)計，有效解決了防塵的工藝問題；

③線輪的水平方向移動使得各個行程開關(guān)的安裝相當(dāng)?shù)娜菀祝鐖D所示，無需在儀表外部添加任何設(shè)計即可安裝好行程開關(guān)。

3 軟件設(shè)計和人機(jī)操控界面

軟件以C語言作為編程語言，采用模塊化程序設(shè)計。主要是完成電機(jī)升降控制、數(shù)據(jù)的采集、分析、運(yùn)算。對儀表中各個器件的初始化、數(shù)據(jù)顯示、按鍵的處理、以及數(shù)據(jù)存儲等等[3]。

具體見程序流程圖：

圖6 主程序流程圖Fig.6 The main program flow chart

圖7 運(yùn)行測量流程圖Fig.7 The operation flow measurement

圖8 修改參數(shù)流程圖Fig.8 Modification parameters flow

4 結(jié)束語

精密長程連續(xù)檢測儀采用雙射頻導(dǎo)納傳感器、光電信號傳輸、微處理器、電機(jī)跟蹤傳動、軟件編程等各種技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時跟蹤被檢測物位。雙極探測和步進(jìn)電機(jī)隨動跟蹤技術(shù)的有機(jī)結(jié)合及機(jī)電一體化的應(yīng)用。使該儀表具有很高的靈敏度，測量范圍長、抗干擾性強(qiáng)。儀表已于發(fā)電廠的灰?guī)爝M(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，取得了很好的應(yīng)用效果。

［1］馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機(jī)的c語言應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，1999.

［2］ATMEL 89C52用戶手冊［Z］.Atmel Corporation，2010.

［3］姜志海，趙艷雷.單片機(jī)的c語言設(shè)計程序設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.