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本文介紹電子重力式給煤機(jī)稱重系統(tǒng)的傳感器和相關(guān)電路的設(shè)計(jì)，包括：應(yīng)變片式重力傳感器，自跟蹤橋路電源，重力信號(hào)的采集、調(diào)理、放大及A/D轉(zhuǎn)換電路，ADC7705與微機(jī)的硬件接口及軟件。稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為確保給煤的稱重計(jì)量精度達(dá)到3‰。

電子重力式給煤機(jī)主要用于火力發(fā)電廠的供煤系統(tǒng)中,承擔(dān)向鍋爐連續(xù)、定量、均勻供煤的任務(wù)，給煤機(jī)稱重控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)燃煤進(jìn)行精確計(jì)量，并根據(jù)人工設(shè)定值和燃燒控制系統(tǒng)的反饋信息控制給煤率，使輸送入鍋爐的燃煤與所需燃料相適應(yīng)，從而達(dá)到理想的管理效果和經(jīng)濟(jì)效益?？刂破鞴ぷ鞯幕驹硎菧y(cè)量皮帶上單位長(zhǎng)度的煤重q（公斤/米）和皮帶的行進(jìn)速度V（米/秒），兩者相乘得出實(shí)際的給煤率。控制器不斷將實(shí)際的給煤率與設(shè)定的給煤率相比較后經(jīng)PID運(yùn)算，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送皮帶速度，達(dá)到精確的給煤率。

由此可見(jiàn)，燃煤的精確計(jì)量對(duì)本稱重系統(tǒng)的精度起著關(guān)鍵作用，所以，在給煤機(jī)稱重儀表系統(tǒng)中，不但對(duì)稱重傳感器本身進(jìn)行精心選擇，而且還對(duì)傳感器的橋電源和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。

1.重力式給煤機(jī)中的應(yīng)變片式稱重傳感器

稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置，它的性能在很大程度上決定了給煤機(jī)控制器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。由于應(yīng)變片式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出精度較高、線性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用此類型號(hào)的傳感器。

金屬電阻應(yīng)變片是利用金屬電阻絲在張力作用下伸長(zhǎng)變細(xì)、電阻增加的原理制成的。將該片貼在被測(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)物體受外力作用伸縮時(shí)，其電阻值也作相應(yīng)變化。應(yīng)變片被接成橋式電路后，應(yīng)變片電阻的變化就轉(zhuǎn)換成電壓的變化。為了增加電橋的輸出，本傳感器橋路設(shè)計(jì)成4枚應(yīng)變片都受力作用的形式。假如電橋平衡時(shí)R1=R2=R3=R4＝R時(shí)，那么橋的輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為：

ΔUo＝ΔR×Ui/R

由于電阻應(yīng)變片式傳感器受溫度影響較大，為了改善其溫度特性，傳感器中除采用本身溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片外，還在不受力方向上各貼二片零點(diǎn)補(bǔ)償Rw1、Rw2和靈敏度補(bǔ)償片R01、R02。零點(diǎn)補(bǔ)償是在橋中接入電阻溫度系數(shù)和電橋中應(yīng)變片溫度系數(shù)相反的電阻元件，使橋路電阻溫度影響相互抵消，減少電橋零點(diǎn)隨溫度的變化。靈敏度補(bǔ)償是在對(duì)橋中串接兩個(gè)與電橋溫度系數(shù)相同的電阻，減少橋輸出電壓隨溫度的變化。

2.自跟蹤式傳感器電橋電源

由于應(yīng)變片式傳感器電橋輸出信號(hào)電壓非常小，因而要求供橋的電壓也要很穩(wěn)定，為此稱重系統(tǒng)采用對(duì)稱型，并且有良好跟蹤性能的電源。

IC1為同相放大器，把高精度穩(wěn)壓集成電路LM431輸出的2.5V基準(zhǔn)電壓放大2倍，經(jīng)N2驅(qū)動(dòng)，N1限流輸出穩(wěn)定的+5V電壓，作為橋的正電源。IC2為反相1倍放大器，把IC1輸出的+5V電壓反相，再經(jīng)P2驅(qū)動(dòng)，P1限流輸出-5V電壓，作為橋的負(fù)電源。橋的正負(fù)電源電壓絕對(duì)值相等、符號(hào)相反，所以該電路有效地抑制電橋中點(diǎn)電壓的漂移，為傳感器提供穩(wěn)定的電源，提高了傳感器輸出信號(hào)的精度。

3．重力式給煤機(jī)稱重系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器

電阻應(yīng)變片式傳感器其輸出電壓一般為毫伏級(jí)，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法是在A/D轉(zhuǎn)換前增加一級(jí)高精度的測(cè)量放大器，這樣就增加了成本，稱重系統(tǒng)也較為復(fù)雜。本系統(tǒng)采用AD7705作為橋路信號(hào)的調(diào)理、放大和A/D轉(zhuǎn)換電路，AD7705的2個(gè)全差分輸入通道正好滿足稱重控制系統(tǒng)使用兩個(gè)稱重傳感器測(cè)量皮帶上的重量的需要。

AD7705是ADI出品的適用于低頻測(cè)量?jī)x器的A/D轉(zhuǎn)換器。它具有完整的模擬前端，能將從傳感器接收到的很弱的輸入信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理、放大和A/D轉(zhuǎn)換，直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出，而無(wú)需外部?jī)x表放大器。AD7705采用的∑-Δ的ADC，實(shí)現(xiàn)16位無(wú)誤碼的良好性能，器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng)，以消除器件本身或稱重控制系統(tǒng)中的增益和偏移誤差。AD7705采用串行總線與微控制器或DSP系統(tǒng)連接，通過(guò)軟件編程可以對(duì)增益、信號(hào)極性、輸入通道、數(shù)據(jù)輸出更新率、數(shù)字濾波器的第一個(gè)凹口作出設(shè)置。

AD7705片內(nèi)主要包括五個(gè)寄存器它們是：通信寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、測(cè)試寄存器。

通信寄存器，8位，管理通道選擇，決定下一個(gè)操作是讀操作還是寫操作，以及下一次讀或?qū)懩且粋€(gè)寄存器。所有與器件的通信必須從寫入通信寄存器開始。

設(shè)置寄存器，8位，決定校準(zhǔn)模式、增益設(shè)置、單/雙極性輸入以及緩沖模式。

時(shí)鐘寄存器，8位，包括濾波器選擇位和時(shí)鐘控制位。

數(shù)據(jù)寄存器，16位，儲(chǔ)存了最近一次A/D采樣的轉(zhuǎn)換結(jié)果，器件輸出的數(shù)據(jù)從這個(gè)寄存器讀出。

AD7705的串行接口包括5個(gè)信號(hào)：即/CS、SCLK、DIN、DOUT和/DRDY。DIN線用來(lái)向片內(nèi)寄存器傳輸數(shù)據(jù)，而DOUT線用來(lái)訪問(wèn)寄存器里的數(shù)據(jù)。SCLK是串行時(shí)鐘輸入，所有的數(shù)據(jù)傳輸都和SCLK信號(hào)有關(guān)。/DRDY線作為狀態(tài)信號(hào)，以提示數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好，數(shù)據(jù)輸出寄存器中有新的數(shù)據(jù)字時(shí)，/DRDY變?yōu)榈碗娖?。在?shù)據(jù)輸出寄存器數(shù)據(jù)更新前，若/SRDY變?yōu)楦唠娖?，則提示這個(gè)時(shí)候不讀數(shù)據(jù)，以免在寄存器更新過(guò)程中讀數(shù)據(jù)。/CS用來(lái)選擇器件。

由于7705是串行A/D，與微處理器接口十分方便。89C51集成度高、速度快，其布爾操作和對(duì)I/O口的位操作功能可以良好地和7705配合使用。給煤機(jī)稱重控制系統(tǒng)中AD7705與單片機(jī)89C51的接口電路。7705串行時(shí)鐘信號(hào)SCLK由單片機(jī)產(chǎn)生，通過(guò)P20輸出，因只用一片AD7705，使片選CS接地。同時(shí)將7705的輸出狀態(tài)/DRDY線與89C51的外中斷輸入口INT0相連，用中斷方法對(duì)/DRDY線的監(jiān)控，當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器何時(shí)被更新后，/DRDY線的下降沿產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取采樣值。

AD7705串行接口輸入/輸出還便于光電隔離，最簡(jiǎn)單情況下，單片機(jī)可只用三個(gè)I/0口和三個(gè)光電耦合器可方便解決兩通道A/D轉(zhuǎn)換接口。

89C51與AD7705的接口

89C51單片機(jī)應(yīng)用位操作指令對(duì)A/D轉(zhuǎn)換AD7705的操作，89C51讀AD7705數(shù)據(jù)寄存器（兩字節(jié)）匯編程序如下：

RDDAT:SETBSCLK;讀AD7705數(shù)據(jù)-->DATH,DATL

RAD11:MOVR3,#10H

RAD10:CLRSCLK

SETBSCLK

MOVC,DOUT

ACALLRLD2BT;DATH,DATL兩字節(jié)左移一位

DJNZR3,RAD10

SETBSCLK

RET

RLD2BT:MOVA,DATL;DATH,DATL兩字節(jié)左移一位

RLCA

MOVDATL,A

MOVA,DATH

RLCA

MOVDATH,A

RET

89C51向AD7705寫寄存器（一字節(jié)）匯編程序如下：

WRITE:SETBSCLK;寫AD7705寄存器

MOVR1,#08H;A-->AD7705

WRTER:CLRSCLK

RLCA

MOVDIN,C

SETBSCLK

DJNZR1,WRTER

RET

對(duì)AD7705的設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)寄存器的讀/寫操作，必須首先對(duì)通信寄存器寫入相應(yīng)的代碼，指明操作對(duì)象和操作類型，然后才能對(duì)其進(jìn)行操作。

系統(tǒng)上電后，CPU先通過(guò)寫入32BIT的“1”對(duì)AD7705進(jìn)行軟件復(fù)位；然后對(duì)AD7705兩個(gè)通道初始化，本稱重系統(tǒng)包括：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，寫時(shí)鐘寄存器時(shí)指明AD7705的主頻為2.4576MHZ、設(shè)置輸出更新率為50HZ；寫設(shè)置寄存器時(shí)設(shè)置增益為64，雙極性工作方式，緩沖模式及濾波同步,啟動(dòng)某通道自校正后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由于兩個(gè)通道初始化程序完全一樣，只寫一個(gè)通道的初始化子程序框圖。

在INT0中斷服務(wù)程序中，讀取正在轉(zhuǎn)換通道的A/D值，多次測(cè)量數(shù)據(jù)處理后，切換啟動(dòng)另一通道A/D轉(zhuǎn)換。為了增加稱重系統(tǒng)的可靠性，防止AD7705接口迷失而造成系統(tǒng)不能正常工作，程序中定時(shí)檢測(cè)是有否A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志，如果一秒內(nèi)沒(méi)有新的A/D轉(zhuǎn)換，就軟件復(fù)位AD7705，重新初始化AD7705。

精心設(shè)計(jì)的給煤機(jī)控制器稱重系統(tǒng)已經(jīng)得到成功地應(yīng)用，保證燃煤的精確計(jì)量，使重力式給煤機(jī)在火力發(fā)電廠的供煤系統(tǒng)中,承擔(dān)向鍋爐連續(xù)、定量、均勻供煤的任務(wù)。

 

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