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本文章介紹了一種電子皮帶秤的設(shè)計方法：從其工作原理和電磁兼容性原理，并從電路設(shè)計、元器件選擇與布局、PCB印刷電路板設(shè)計、電纜布線、主機箱屏蔽和軟件抗電磁干擾等幾方面詳細(xì)闡述了電子皮帶秤的電磁兼容性設(shè)計。

1 前言
目前，進行運輸皮帶上物流量動態(tài)檢測的計量(或控制)設(shè)備主要是電子皮帶秤和核子皮帶秤，電子皮帶秤由于其安裝越來越方便，檢測精度也越來越高，且不像核子秤存在核輻射等安全問題，因此，在冶金、礦山、化工、建材等領(lǐng)域有著廣大市場。而在使用中影響其性能的主要因素有四個方面：傳感器及其安裝的機械結(jié)構(gòu)特性、前置放大器的穩(wěn)定性、連接電纜及電源的抗干擾性能、數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)的精度等。

傳感器的機械安裝結(jié)構(gòu)總體來說有直接承力和非直接承力(通過杠桿作用間接承力)兩種，隨著稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器精度不斷提高，安裝也很方便。因此，安裝時，只需根據(jù)安裝空間選擇合適的機械結(jié)構(gòu)和傳感器型號，并根據(jù)皮帶跑偏情況、皮帶張力情況選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b位置，就能夠保證傳感器檢測的需要。 然而，影響電子皮帶秤性能最關(guān)鍵的還是其使用環(huán)境的電磁特性及其自身所具有的電磁兼容性能力，它直接關(guān)系到電子皮帶秤能否長期正常運行，計量秤的計量精度，控制器的控制特性等等，因此，電子皮帶秤的電磁兼容性就成為衡量電子皮帶秤好壞的一個重要標(biāo)志。

2 電磁兼容性基本原理
電磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility簡稱EMC)是指用電設(shè)備(或系統(tǒng))在規(guī)定的電磁環(huán)境電平下，其設(shè)計水平或性能不因受其他設(shè)備產(chǎn)生的電磁輻射的干擾而降低能力，同時，它們自身所產(chǎn)生的電磁輻射也不應(yīng)大于規(guī)定的極限電平，干擾其它用電設(shè)備或系統(tǒng)的正常運行。 電磁兼容性(EMC)是一門新興的邊緣科學(xué)，主要研究用電設(shè)備的電磁干擾(EMI)和抗干擾問題。隨著社會的進步和發(fā)展，用電設(shè)備大幅增加，電磁干擾問題也就越來越嚴(yán)重，甚至影響到了人類自身的健康和安全，為此，世界各國都制訂了相應(yīng)的電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，來控制用電設(shè)備的電磁輻射干擾和抗干擾能力，以達(dá)到用電設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互不干擾、共同可靠工作的目的。實踐經(jīng)驗表明，各種電器和電子產(chǎn)品在設(shè)計及安裝之初就進行電磁兼容性考慮，將可提高設(shè)備的開發(fā)效率，并節(jié)約大量的人力與物力。 電磁干擾發(fā)生的三要素是：干擾源；干擾能量傳播的耦合路徑；被干擾對象。所以控制干擾源的電磁輻射、切斷或抑制電磁干擾的耦合通道、提高設(shè)備的抗干擾能力都是用電設(shè)備進行抗干擾的主要措施，也是電磁兼容設(shè)計研究的主要目標(biāo)。

3 電子皮帶秤硬件結(jié)構(gòu)及工作原理
稱重傳感器(S型拉壓傳感器)的輸出信號(0-20mV)經(jīng)前置放大、V／F(電壓／頻率轉(zhuǎn)換器LM331)轉(zhuǎn)換成高頻信號后，再用電纜傳輸?shù)较到y(tǒng)主板；高頻信號經(jīng)光電隔離(TLP521—2光電隔離器)后，由高頻計數(shù)器統(tǒng)計出頻率數(shù)據(jù)，再交由AT89C52單片機進行數(shù)字濾波、非線性校正、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等處理，最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果送LED顯示或轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(4—20mA)供其它控制器儀表使用。 系統(tǒng)以AT89C52單片機作為中央處理單元，AT89C52是一款功能齊全的51系列兼容單片機，內(nèi)含8K程序存儲單元，512個RAM存儲單元，因此，無需外擴程序存儲器和RAM隨機存儲器，只需外擴一個可電擦除的參數(shù)存儲器(93C46)即可工作。 系統(tǒng)具有累計量、瞬時量數(shù)碼顯示功能，數(shù)碼顯示器、鍵盤的驅(qū)動管理由8279芯片來完成。 系統(tǒng)配置的電源監(jiān)控芯片(MAX813L)對CPU的工作進行實時監(jiān)控，在欠壓或過壓、上電瞬間、自動復(fù)位信號、CPU程序飛跳死機時，看門狗功能輸出復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。 電源模塊轉(zhuǎn)換輸出5V、10V、±15V等直流電壓，以提供CPU等芯片、傳感器和運算放大器的電源需求。 電子皮帶秤一般都用于電磁干擾比較嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境，從其結(jié)構(gòu)來看，很容易受到電磁干擾的影響，因此，電子皮帶秤設(shè)計時很有必要從硬件和軟件兩個方面分別進行EMC設(shè)計，以提高其EMC性能，擴展其使用范圍。

4 硬件的抗電磁干擾設(shè)計
電子皮帶秤硬件EMC性能決定了電子皮帶秤的主要性能，因此，必須在設(shè)計過程中充分考慮硬件設(shè)計的EMC性能，以免設(shè)計不能滿足現(xiàn)場EMC環(huán)境的需要，進而造成反復(fù)設(shè)計的人力、財力浪費。下面分別從電路設(shè)計、元器件選擇與布局、PCB設(shè)計、主機箱的電磁屏蔽(ESD)等幾個方面分別介紹電子皮帶秤硬件的EMC設(shè)計。

4．1 皮帶秤電路設(shè)計技術(shù)原則

電子皮帶秤的所有功能均依靠電子線路來實現(xiàn)，因此，電路設(shè)計是EMC設(shè)計的一個重要方面，CPU可選用目前市場上性價比比較高的89C52單片機，避免了擴展存儲電路引進干擾；CPU時鐘電路單獨分區(qū)布置，并緊靠CPU，還需充分考慮電磁屏蔽和高頻濾波；前置放大板輸出的高頻信號經(jīng)電纜傳輸?shù)街鳈C板后，先進行光電隔離和脈沖整形，再傳給CPU處理；電路中的每一個芯片都必須考慮高頻濾波處理，即每個芯片使用一個0．01uF的瓷片電容進行濾波；電源電路單獨設(shè)計，電源進入各電路板時需用luF到470uF的電解電容進行濾波；電源變壓器應(yīng)設(shè)計靜電屏蔽，除變壓器殼體需接地外，屏蔽殼體也需可靠接地；模擬地和數(shù)字地分開布置，再接合處還要考慮濾波處理。

4．2 元器件選擇與布局原則

電路設(shè)計好后，就需要考慮元件選擇，元件選擇時，應(yīng)根據(jù)電路的功能及設(shè)備的EMC程度選擇合適的、能夠滿足電磁兼容性要求的元器件，也就是要求元器件的頻率響應(yīng)特性遠(yuǎn)離基頻；電阻、電容在使用中應(yīng)盡量縮短引線長度，集成電路元件不要使用lC插座，以避免高頻時產(chǎn)生寄生電感、電容，有條件的情況下盡量使用表貼元件；電路裝配也須盡量滿足電磁兼容的要求；電路應(yīng)盡可能分組布置，如按使用電壓種類、數(shù)字電路和模擬電路、高速電路和低速電路、使用電流大小、電路功能等分塊布置，并按照電路流程安排各功能單元的位置，使布局更便于信號流通；應(yīng)盡可能使功能相同的元件平行排列，便于PCB板布線、裝焊、批量生產(chǎn)和減小元件間的分布參數(shù)；位于電路板邊沿的元器件，離電路板邊沿一般不應(yīng)小于2mm；需要進行調(diào)節(jié)的元器件，如電位器、可調(diào)電感電容等的安裝位置應(yīng)根據(jù)電路板成品的安裝位置而確定，以免成型后調(diào)節(jié)不便；發(fā)熱元件應(yīng)遠(yuǎn)離關(guān)鍵集成電路，敏感器件應(yīng)遠(yuǎn)離時鐘電路，電源線和地線須單獨綜合考慮等等，都是在元件布局中必須特別重視的。

4．3 印刷電路(PCB)板設(shè)計原則

印刷電路板的設(shè)計是在EMC設(shè)計中的另一重要方面，所有的電路設(shè)計都是靠PCB板的設(shè)計來實現(xiàn)的，電子皮帶秤是由前置放大板、電源板、主機板等幾塊PCB板組成。 1)印刷電路板選擇。印刷電路板尺寸應(yīng)根據(jù)元器件布局、電路設(shè)計情況及電路板的安裝位置來合理選擇，尺寸應(yīng)適中，且呈3:2或4:3的矩形狀；尺寸過大，易造成布線過長而增加阻抗，引入噪聲，成本也相應(yīng)增加；尺寸過小，則元件布局緊密，散熱不好，且易形成相互干擾；當(dāng)成品板的尺寸太大時，應(yīng)注意板的機械強度及安裝固定方式； 印刷電路板的層面應(yīng)綜合考慮性價比，如果能通過很少的跳線就不需要增加層面的話，也可以使用適當(dāng)?shù)奶€，以節(jié)約成本。

2)印刷電路板布線。印刷電路板上的元器件都是靠板上的敷銅線按所設(shè)計的電路相互連接在一起的，因此，布線的成功與否直接影響到成品板的性能，特別是成品板的EMC性能。

(1)在布線之前，應(yīng)根據(jù)所設(shè)計的電路對布線的走向有一個整體的概念，特別是多層板，對每一層的走線要事先劃分走向，如：頂層線可選擇盡量垂直走線，那么，下一層就可以選擇盡量水平走線，這樣，不但避免了上下層之間出現(xiàn)過長的平行走線而引入干擾，而且，可以減少過多的過孔，布線也相對較容易。

(2)走線寬度要視該線所流過的電流人小來確定，一般來說，敷銅厚度為0．05mm，寬度為1～15mm時，流過2A的電流，溫度不會超過3℃ ，因此，在集成電路中，特別是在數(shù)字電路中，由于線路比較多，選線一般比較細(xì)，通常為0．02～0．5mm，當(dāng)然，如果可能的話，走線線路應(yīng)盡量寬。而導(dǎo)線間的間距主要視相鄰線間的絕緣電阻和擊穿電壓來決定，同時還需考慮電路板的制作工藝條件，在允許的條件下應(yīng)盡量寬。

(3)電源線和地線的走線寬度應(yīng)≥1．5mm，并盡可能靠近，在整塊板上盡量呈“井”字形分布，這樣不但便于使分布電流平衡，而且，便于實現(xiàn)高速電路中的高頻濾波。

(4)盡量避免大面積敷銅，否則，在受熱時易引起銅箔膨脹脫落，在必要時可使用網(wǎng)格柵替代，并將其可靠接地，同時，也可將其用作信號線的線間隔離。

(5)布線時，走線應(yīng)盡量做到短而粗，且走線要均勻。

(6)布線過程中，不要出現(xiàn)直角轉(zhuǎn)角，以免在轉(zhuǎn)角的內(nèi)部邊緣形成集中的電場，進而產(chǎn)生噪聲干擾，因此，轉(zhuǎn)角處均應(yīng)設(shè)計成45。角的轉(zhuǎn)角，且轉(zhuǎn)角線長度應(yīng)>13倍的走線寬度。

(7)焊盤中心孔應(yīng)根據(jù)元器件引線直徑分別設(shè)置，過大則容易造成虛焊，過小，則引線無法穿過焊盤焊接。

(8)多層板中的過孔不宜太多，應(yīng)盡量設(shè)法避免，特別是在高速電路中，易引入分布電感和電容，必要時要保證并行走線的布線(如地址線和數(shù)據(jù)線)的過孔數(shù)目保持一致。

4．4 電纜線的電磁兼容性設(shè)計原則

電子線路的實現(xiàn)除了依靠PCB板外，還需要電纜線的連接來完成。電子皮帶秤傳感器與前置放大器之間、前置放大器與主機之間、主機與上位機之間(控制秤中) 和主機內(nèi)部都需要通過電纜線來實現(xiàn)信號傳遞或電源傳輸，而電纜又是干擾引入的主要途徑之一，因此，對電纜線布線應(yīng)綜合考慮，對于220V的交流電源線，使用普通電纜即可，而對于直流10V電源(傳感器用)則可和傳感器輸出信號共用一根單點接地的4芯屏蔽電纜。在干擾比較大的環(huán)境中，信號屏蔽電纜還需使用金屬軟管或鍍鋅管進行屏蔽，并進行可靠接地，必要時，還可在屏蔽電纜的屏蔽層與公共地之間進行可靠濾波，特別是頻率信號傳輸時；在布線時，信號電纜和低壓電纜應(yīng)避免與干擾大的電纜一起走線或捆扎。

4．5 主機箱的電磁兼容性設(shè)計原則

主機箱是電子皮帶秤的人機交互通道，也是屏蔽電磁輻射，減少電磁干擾最有效的途徑之一，機箱底板、機殼的結(jié)構(gòu)材料和裝配技術(shù)設(shè)計的好壞常常決定了電子皮帶秤對不同EMC工作環(huán)境的適應(yīng)程度。材料選用應(yīng)根據(jù)儀器性能及使用環(huán)境決定，如屏蔽電場干擾，可選用鋁、銅材料；屏蔽磁場干擾則使用高導(dǎo)磁率合金或鐵磁材料；使用塑料殼體時可在其內(nèi)表面涂噴屏蔽材料或注塑時摻入金屬纖維。機殼的接縫、開口、穿透和底板與機殼的搭接等因素也會直接影響到EMC設(shè)計效果。

電子皮帶秤機箱內(nèi)部的走線也是影響EMC效果的因素之一，裸線走線應(yīng)盡量短；不同的電子信號線(模擬、數(shù)字信號線或電源線)應(yīng)分組捆扎走線；扁平電纜兩信號線之間插接地線等等都是機箱布線時應(yīng)充分考慮的。

另外，按鈕、繼電器、接觸器等開關(guān)元件接通時會產(chǎn)生火花放電，必須用RC電路加以吸收，一般R取1～2KΩ，C取2．2～4．7uF即可。

5 電子皮帶秤軟件的電磁兼容性設(shè)計

稱重軟件的功能主要是：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；參數(shù)管理；數(shù)據(jù)顯示、鍵盤管理和系統(tǒng)自身管理等功能。在EMC設(shè)計中應(yīng)對數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)自身管理等方面予以充分考慮。

系統(tǒng)的看門狗功能，有助于系統(tǒng)出現(xiàn)死機時的自動恢復(fù)，提高了系統(tǒng)的運行可靠性。

信號在傳感、放大、傳輸?shù)冗^程中雖然進行了各種抗干擾處理，但難免還會有干擾信號侵入，軟件的數(shù)據(jù)處理功能除了將采集到的數(shù)據(jù)通過非線性校正來消除硬件處理中的線性誤差，并計算出瞬時量、累計量外，更重要的是要能夠分辨出受干擾的異常數(shù)據(jù)，并進行濾波處理，因此，通過軟件進行數(shù)字濾波來減小干擾，在EMC 設(shè)計中也是非常重要的。

數(shù)據(jù)濾波分為平均值法、滑動平均值法、加權(quán)平均法等等，最常用的是將采集到的數(shù)據(jù)剔除過大或過小的值再進行滑動平均，如果必要的話還可以通過加權(quán)平均，以提高皮帶秤的精度和抗干擾能力，當(dāng)然，設(shè)計時還需要充分考慮采樣時間及皮帶轉(zhuǎn)速對濾波周期的影響，以免出現(xiàn)實時數(shù)據(jù)變化過快或遲滯等現(xiàn)象。

6 結(jié)論

由于在皮帶秤系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮了現(xiàn)場的EMC因素，并在電子皮帶秤設(shè)計中采取了相應(yīng)的措施，大大地提高了稱重的精度、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，因此，我廠生產(chǎn)的電子皮帶秤配合深圳龍芯生產(chǎn)的皮帶秤控制儀表在銅、鐵、錳等金屬礦山得到了很好的運用，具有較高的實用價值，值得廣泛推廣和應(yīng)用。

 

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