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        基于C8051的射頻導(dǎo)納長線料位儀的研制

        2011-08-02 03:51:00連城
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2011年13期
        關(guān)鍵詞:單片機測量信號

        連城

        (大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江 大慶 163001)

        1 引言

        物位檢測技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)過程控制中占有重要的地位,通過對物位的精確高度測量,實現(xiàn)對物位的處理以及加工過程的最優(yōu)化控制,并且對現(xiàn)有物位的儲藏管理提供有用的信息。目前應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的物位儀表種類繁多,按測量方式有接觸式測量和非接觸式測量,因傳感器索取一次信號方式方法的不同決定著物位儀表的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍。射頻導(dǎo)納物位儀表具有結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,測量準確,維護方便的優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用[1]。

        本文提出的射頻導(dǎo)納長線料位儀,是為適應(yīng)檢測裝置發(fā)展趨勢,結(jié)合廠家應(yīng)用的實際情況,設(shè)計的適用于大直徑、長距離、厚倉壁、封閉式容器內(nèi)的頂端物位測量,該儀表的應(yīng)用可提高工作效率,減輕勞動強度,使物位檢測工作又實現(xiàn)了一次新的飛躍。

        2 測量原理

        射頻導(dǎo)納物位儀表是由電容式物位測量原理發(fā)展起來的[2]。由于被測容器壁與探測極之間存在電容特性,在理想情況下,當(dāng)倉內(nèi)無物料時其探測極與倉壁間存在的分布電容為C0:

        C0=ε0S/D ε0≈1:空氣介電常數(shù);S:兩極板面積;D:兩極板間距離

        當(dāng)物料高于探測極時:

        CW=εS/D ε:被測物料的介電常數(shù)

        ΔC=CW-C0通過推導(dǎo)可得出:

        ΔC=S/D(ε-ε0)對于特定的料倉來說 S、D 為常數(shù),可取S/D=a,

        ΔC=a(ε-ε0)即物料的有無對應(yīng)電容 ΔC 的變化。

        儀表工作時由探測極的分布電容去調(diào)制工作頻率:C0對應(yīng) f,CW對應(yīng) fW,取(C0+ΔC)/2 對應(yīng)的頻率(f0+fW)/2為判定閾值,通過運算即可判斷物料的空滿狀態(tài)。

        3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求是體積小,重量輕,安裝調(diào)試方便、防腐蝕、防震、密封、抗電磁干擾。

        3.1 儀表組成

        射頻導(dǎo)納長線料位儀由棒式探測極、連接桿、二次儀表和手持控制器組成。棒式探測極的作用是索取介質(zhì)的變化量,由不銹鋼加工而成;連接桿主要是將探測極與主機二次儀表進行連接,進行介質(zhì)變化量的傳輸,將探測信號傳輸給二次儀表;二次儀表把介質(zhì)變化量進行數(shù)字化分析計算處理后,得到介質(zhì)變化的結(jié)果,并進行計算判斷,顯示和輸出測量結(jié)果。數(shù)據(jù)處理部分置于主機密封殼體內(nèi),通過殼體上的航空插頭進行RS485數(shù)據(jù)線引出,連接到手持控制器和程控柜上。

        3.2 測量電路的設(shè)計

        測量電路的設(shè)計要求是力求簡單、適用、穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強、溫度性能好。

        測量電路包括信號采集和數(shù)據(jù)處理兩大部分。信號采集電路是將來自于探測極的脈沖信號放大、整形和消除靜電干擾,產(chǎn)生可進行數(shù)據(jù)分析處理的脈沖信號。數(shù)據(jù)分析處理部分由單片機來完成,單片機采用C8051F410,主要實現(xiàn)輸入信號的分析處理并由數(shù)模轉(zhuǎn)換,顯示料位狀態(tài)。

        3.2.1 數(shù)據(jù)采集。儀表設(shè)計中運算放大器的選用和放大電路的設(shè)計是數(shù)據(jù)采集的核心內(nèi)容,直接影響到儀表的技術(shù)參數(shù)和抗干擾性。本設(shè)計中采用集成運算放大器TLV2624為核心元件構(gòu)成振蕩器電路,該放大器工作溫度范圍是-40℃~125℃,電壓溫度漂移3uV/℃,帶寬8MHz。

        3.2.2 數(shù)據(jù)處理。采用具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的SOC單片機器件C8051F410為儀表的數(shù)據(jù)處理和控制核心[3]。C8051F410實現(xiàn)儀表的控制運算功能:獲取探測器信號并進行計算處理;提供精確的定時器和計數(shù)器;實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和修改、參數(shù)設(shè)置;控制繼電器輸出狀態(tài);實現(xiàn)掉電保護、溫度保護;驅(qū)動顯示芯片和控制實時時鐘。

        圖1 CPU控制結(jié)構(gòu)框圖

        3.2.3 LED顯示單元。顯示部分采用ZLG7289芯片做為核心,實現(xiàn)LED譯碼、驅(qū)動電路功能,采用同步串行外設(shè)接口,與單片機相連接,可同時驅(qū)動8位LED,實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和面板指示燈的報警。此芯片具有高度的穩(wěn)定性,可保障裝置在環(huán)境條件惡劣的情況下穩(wěn)定工作。

        4 編程思想及軟件功能

        4.1 編程思想:根據(jù)智能儀器的設(shè)計原則,采用自頂向下的程序設(shè)計思路,模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程相結(jié)合的思想,檢測儀在功能上實現(xiàn)了自診斷、自修復(fù)等一些實用性操作,在自診斷程序中涵蓋了ROM、RAM、插件、開機、總線、輸入通道、鍵控自檢以及周期性自檢等多方面的檢測,保證了儀表的可靠性使用[4]。在數(shù)據(jù)處理方面,采用數(shù)字濾波,以保證測量的準確性。

        圖2 主函數(shù)流程圖

        4.2 軟件功能

        4.2.1 運行功能。探測極測得的采樣信號以秒中斷的方式經(jīng)運算放大器放大后傳輸?shù)絾纹瑱CT0計數(shù)器中,計數(shù)器進行累加計算,取算術(shù)平均值,結(jié)果作為此周期內(nèi)測量的信號,計算得出結(jié)果與判斷基值相比較,確定繼電器輸出狀態(tài),大于判斷基值,輸出"空"指示,小于判斷基值,輸出"滿"指示。為確保測量過程的穩(wěn)定性,當(dāng)信號幅度或頻率超出T0計數(shù)器工作范圍時,裝置將自行判斷信號合理性,符合條件的信號可被裝置正確識別,不符合條件的信號會被認定當(dāng)前周期內(nèi)信號無效而重新進行采樣。

        4.2.2 參數(shù)設(shè)置功能。在裝置位于運行狀態(tài)時,可進行參數(shù)設(shè)置功能操作。預(yù)設(shè)增減鍵、移位鍵、確認鍵等功能按鍵。按住確定鍵三秒鐘后,進入?yún)?shù)設(shè)置,默認顯示菜單P-1,再按下確定鍵進入具體參數(shù)調(diào)整。移位鍵功能實現(xiàn)數(shù)位之間的切換操作,增減鍵可設(shè)置參數(shù)數(shù)值大小。

        4.2.3 檢測功能。此功能運行于通電自檢,主要包括ROM、RAM、插件、開機、總線、輸入通道、鍵控自檢。檢測完畢后,如某項出現(xiàn)問題會給出固定字符提示,提示使用者某檢測項出現(xiàn)問題,需斷電處理解決。

        4.2.4 復(fù)位功能。恢復(fù)參數(shù)出廠設(shè)置,即所有參數(shù)值均為默認初始值。

        5 結(jié)束語

        基于射頻導(dǎo)納技術(shù)的射頻導(dǎo)納長線料位儀經(jīng)現(xiàn)場試驗達到了預(yù)期的使用效果,儀表的各項性能達到了設(shè)計目的。我們還在進行進一步的研究,以解決影響頻率穩(wěn)定因素,如電源電壓、溫度等,這些因素都要仔細加以考慮,以提高儀表測量的準確性,使得本文提出儀表的功能更加完善,應(yīng)用更加廣泛。

        [1]吳智.物位測量綜述[J].應(yīng)用與實踐.2002.

        [2]DE公司上海代表辦事處.射頻導(dǎo)納式物位測量.醫(yī)藥工程設(shè)計[J].1994(4):43-47.

        [3]C8051F410/1/2/3混合信號ISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z].新華龍電子有限公司Rev0.7 2006.02.

        [4]王克義,王均.硬件、軟件及接口技術(shù)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

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