汪魯才， 劉國鋒， 林海軍， 趙延昇

(湖南師范大學(xué) 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

基于MSP430F449的摻雜煤炭快速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

汪魯才， 劉國鋒， 林海軍， 趙延昇

(湖南師范大學(xué) 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長沙 410081)

介紹了一種基于MSP430F449的摻雜煤炭快速檢測儀的設(shè)計(jì)，闡述了該系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)以DDS芯片AD9833為核心設(shè)計(jì)激勵(lì)源，采用24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器CS5532實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，通過RS—232實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信。在煤炭阻抗數(shù)據(jù)預(yù)處理中，采用剔除疏失誤差技術(shù)，并設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的上位機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明:該儀器便于攜帶，低功耗，能夠準(zhǔn)確識別煤炭的摻雜情況，同時(shí)具有操作簡單、穩(wěn)定可靠、方便管理等特點(diǎn)。

煤炭檢測； MSP430F449； 插桿式傳感器； AD9833； CS5532

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，煤炭需求量日益增加,煤炭質(zhì)量成為工業(yè)安全生產(chǎn)的前提和商業(yè)銷售環(huán)節(jié)的依據(jù)，煤質(zhì)檢測成為煤炭存儲(chǔ)運(yùn)輸過程中不必可少的常規(guī)工序。國內(nèi)外煤質(zhì)檢測分析儀器主要采用3種方法;一是基于射線的工業(yè)分析儀[1,2]，其缺點(diǎn)是放射性大，危害檢測人員身體安全;二是基于熱分析技術(shù)的煤質(zhì)在線分析儀[3]，其缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，檢測時(shí)間長;三是基于近紅外光譜(NIRS)分析技術(shù)[4]，但仍然停留在理論研究階段。進(jìn)口儀器比如美國LECO公司生產(chǎn)的MAC—500和TGA—601，存在價(jià)格昂貴，且與國家煤質(zhì)分析標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212[5]不符合。車載煤炭交易市場還存在依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，手搓眼觀的感官判斷法 。這些不完善的檢測手段，致使我國在煤炭交易市場上，煤炭摻雜現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，給國家和企業(yè)帶來了巨大的損失。因此，研究一種新型的煤炭檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)摻雜煤炭的快速準(zhǔn)確的檢測，成為目前煤炭質(zhì)量檢測領(lǐng)域急需解決的難題。

煤矸石、煤渣、水等是常用的煤炭摻雜物質(zhì)，研究表明，品質(zhì)良好的煤炭與參雜了煤矸石、煤渣和高水分的煤炭的阻抗不同。通過施加激勵(lì)源在煤炭上，在一段的頻率范圍內(nèi)測量煤炭的阻抗值，從而判斷煤炭摻雜的情況。交流阻抗譜是一種新型的無損檢測技術(shù)，它根據(jù)介質(zhì)的阻抗特性，通過外部電極施加某一合適的交流激勵(lì)信號，由分布不同位置的檢測電極測得有關(guān)電參量信息，繪制成一系列的阻抗[6]?；谏鲜鲆蛩兀疚睦媒涣髯杩棺V技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崟r(shí)檢測煤炭質(zhì)量情況的便攜式低功耗儀器，該儀器通過微處理器MSP430控制處理信息，同時(shí)將結(jié)果及時(shí)反饋給上位機(jī)，從而達(dá)到快速檢測煤炭質(zhì)量的目的。

1 交流阻抗譜基本原理

交流阻抗譜方法是一種以小振幅的正弦波電壓為擾動(dòng)信號的電測量方法[6]。如果對系統(tǒng)施加一個(gè)正弦波電信號作為擾動(dòng)信號，則相應(yīng)地系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)與擾動(dòng)信號相同頻率的響應(yīng)信號。通常，正弦信號U(ω)被定義為

U(ω)=U0sinωt.

(1)

其中，U0為電壓幅值，ω為角頻率(ω=2πf,f為頻率)，t為時(shí)間。如果對體系施加如式(1)的正弦信號，則體系產(chǎn)生如式(2)的響應(yīng)信號

I(ω)=I0sin(ωt+θ).

(2)

其中，I(ω)為響應(yīng)信號，I0為電流幅值，θ為相位角。式(1)與式(2)中的頻率相同,而體系的復(fù)阻抗Z*(ω)則服從歐姆定律

Z*(ω)=U(ω)/I(ω)=|Z|eiθ,

式中 |Z|為阻抗模，實(shí)部Z′=|Z|cos ωt為電阻，虛部Z″=|Z|sin ωi為容抗，它們均是角頻率ω的函數(shù)。由不同頻率的響應(yīng)信號與擾動(dòng)信號之間的比值,可以得到不同頻率下阻抗的模值。通過在一個(gè)寬廣的頻率范圍內(nèi)測量不同頻率的響應(yīng)結(jié)果，或者阻抗模|Z|值，這就是交流阻抗譜技術(shù)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的摻雜煤炭快速檢測儀，它主要由傳感器、激勵(lì)源、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號檢測處理模塊、微處理控制單元、串口通信模塊以及上位機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。信號檢測處理模塊包括前置放大電路、濾波電路、精密整流電路；控制單元以MSP430F449單片機(jī)為核心，這種低功耗的MCU常常用于需要電池供電的便攜式儀表儀器中；調(diào)整后的信號由24位A/D轉(zhuǎn)換器CS5532采樣到MSP430單片機(jī)；串口通信模塊通過RS—232完成硬件部分與上位機(jī)的通信，將采集的煤炭阻抗數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由LabVIEW程序語言開發(fā)設(shè)計(jì)的，可以完成用戶登錄與管理，分析顯示，保存數(shù)據(jù)，打印報(bào)表等功能。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig 1 Design block diagram of system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 插桿式傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所采用的傳感器是插桿式傳感器，該傳感器由金屬導(dǎo)體(檢測電極)、絕緣管、錐形頭、信號線、手柄等組成[7]。為避免插桿式傳感器在桿插取樣后粘留殘余樣品，而影響對后續(xù)測量的精確度，傳感器的檢測電極、錐形頭均采用1Cr18Ni9Ti材料，絕緣管選用聚四氟乙烯。

激勵(lì)源的信號直接加在傳感器上。傳感器只要有2塊金屬導(dǎo)體作為發(fā)射和接收端，信號加到一金屬塊導(dǎo)體上后，會(huì)經(jīng)過煤炭而向另一塊導(dǎo)體傳播,具體見圖2。信號經(jīng)過傳感器的一極通過煤炭，在另一端檢測信號，通過測量由被測煤炭阻抗所決定的導(dǎo)通電流，最終實(shí)現(xiàn)對煤炭的交流阻抗值進(jìn)行測量[7]。

圖2 插桿式傳感器Fig 2 Inserted link sensor

3.2 激勵(lì)源設(shè)計(jì)

阻抗測量系統(tǒng)對激勵(lì)源的頻譜特性和噪聲水平要求較高[8]?；诖?，直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是激勵(lì)源部分的關(guān)鍵技術(shù)，為了能夠獲取豐富的波形，同時(shí)考慮其簡單性，設(shè)計(jì)采用DDS芯片AD9833作為信號源發(fā)生器。AD9833是一種超低功耗、可編程的波形發(fā)生器，可以輸出正弦波、方波和三角波，輸出頻率范圍為0～12.5 MHz，同時(shí)無需外接元件，外圍電路簡單[9]。為能獲取足夠的驅(qū)動(dòng)功率，在后面加入一級放大電路。單片機(jī)通過FSYNC，SCLK，SDATA對AD9833進(jìn)行控制，其中，F(xiàn)SYNC為使能引腳，SCLK為串行時(shí)鐘輸入，SDATA為串行數(shù)據(jù)輸入端。如圖3所示。

圖3 激勵(lì)源電路設(shè)計(jì)Fig 3 Design of driving source circuit

3.3 信號檢測處理電路設(shè)計(jì)

該模塊包括前置放大電路、四階巴特沃斯低通濾波電路和精密整流電路。信號經(jīng)過煤炭后，接收電極輸出的信號很小，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)姆糯螅允沟迷诤竺娴臏y量中可以得到較好的效果，本模塊選用了高增益低功耗運(yùn)算放大器UA741CD。信號經(jīng)過放大，攜帶了大量噪聲，因此,必須在后面加入濾波電路。有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可直接進(jìn)行級聯(lián)，不需要進(jìn)行阻抗匹配。同時(shí)，有源濾波器電路還可以進(jìn)行增益調(diào)整，通過調(diào)節(jié)橋臂電阻，可補(bǔ)償電路中的增益衰減。電路對直流信號和低頻信號幾乎無增益衰減。相對無源濾波器，有源濾波器有著無可替代的優(yōu)勢。為了能獲得比較好的濾波效果，本設(shè)計(jì)采用四階有源巴特沃斯低通濾波電路。

本設(shè)計(jì)采用的是有效值檢測，因此，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前要保證信號的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性?？紤]到各方面因素的影響(噪聲、頻率、交流阻抗)，在A/D轉(zhuǎn)換前級采用精密整流電路以保證信號的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。為了保證信號的準(zhǔn)確度，精密整流電路后面還加了一級π型濾波，使得輸出更加穩(wěn)定。二極管采用1N60肖特基檢波二極管。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

CS5532具有寬動(dòng)態(tài)特性、靈活的供電方式、可編程輸出速率及簡單的三線串行輸出模式等特點(diǎn)，使得該A/D轉(zhuǎn)換器極易與單片機(jī)接口，大量適用于工業(yè)過程控制、便攜式儀表稱重儀器，及其它高分辨率測量等場合，此外，CS5532內(nèi)部有一個(gè)自校正系統(tǒng)，可消除A/D本身的漂移誤差和零點(diǎn)增益，同時(shí)，該A/D轉(zhuǎn)換器CS5532有一個(gè)簡便靈活的同步串行接口，可以串行方式的輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)[9,10]。基于上述因素，選擇CS5532作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，串口包括4根控制線：CS，SDI ，SDO，SCLK，單片機(jī)通過這4根控制線與它進(jìn)行通信，如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig 4 A/D conversion circuit

本電路中，外部基準(zhǔn)電壓為2.5 V，文中采用了超低溫度漂移、低噪聲、高精度且穩(wěn)定性好的基準(zhǔn)源電壓芯片MAX6025，其精度為0.2 %。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)(PLC)單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)(PC)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)的主控單元是MPS430F449單片機(jī)，主要完成控制AD9833發(fā)出所需的信號源、A/D轉(zhuǎn)換程序以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理程序等任務(wù)，上位機(jī)通過串口與下位機(jī)通信，獲取煤炭阻抗數(shù)據(jù)，送入Access數(shù)據(jù)庫，進(jìn)一步分析、保存和打印。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

摻雜煤炭快速檢測儀下位工作流程圖如圖5所示。儀器初始化后，在啟動(dòng)低功耗模式后開始工作，為保證測量的準(zhǔn)確有效，讀取250次AD采樣的值，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理程序，將測量數(shù)據(jù)送給上位機(jī)(PC)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分析判斷，并可以選擇保存和打印。

圖5 整體系統(tǒng)工作流程圖Fig 5 Work flow chart of overall system

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

對被測樣品進(jìn)行阻抗檢測，由于儀器本身的故障或者外界一些不可抗拒的干擾因素，會(huì)引起測量結(jié)果的疏失誤差，它的存在嚴(yán)重歪曲了測量結(jié)果，必須予以剔除。本文依據(jù)處理疏失誤差常用的方法—格羅貝斯判據(jù)準(zhǔn)則，提出了基于摻雜煤炭阻抗數(shù)據(jù)處理算法。

本設(shè)計(jì)中對測量對象進(jìn)行250次AD采樣，然后把這些數(shù)據(jù)冒泡排序，得到從小到大的序列測量值X；濾掉極小值和極大值，取中間60 %的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值濾波，即

對于一次測量的數(shù)據(jù)，可能因摻雜本身的不均勻性導(dǎo)致測量錯(cuò)誤。為了克服這個(gè)問題，測量煤炭的時(shí)候，對一堆煤進(jìn)行多點(diǎn)的測量(這里采用了10個(gè)點(diǎn))，然后求得測量點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)值，即

圖6 數(shù)據(jù)預(yù)處理程序流程圖Fig 6 Flow chart of data preprocessing procedure

4.3 上位機(jī)管理系統(tǒng)

上位機(jī)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)利用美國國家儀器公司NI提供的LabVIEW8.20開發(fā)平臺?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由以下模塊組成，分別是摻雜煤炭檢測系統(tǒng)的主界面(GUI)模塊、登錄系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、主控制模塊、串行通信模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊。該管理系統(tǒng)可以提供簡單易操作的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了用戶密碼登錄和用戶管理，采樣數(shù)據(jù)分析和保存處理結(jié)果等基本功能，提供煤炭資料瀏覽、打印、訪問Access數(shù)據(jù)庫查詢等功能。

5 儀器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對真煤、摻雜30 %和摻雜50 %煤矸石的煤炭分別制樣。在室溫條件下的大量實(shí)驗(yàn)表明：儀器的準(zhǔn)確度優(yōu)于1 %。圖7為3種樣品阻抗的幅頻特性關(guān)系曲線，由圖7可以看出：

圖7 樣品阻抗幅頻特性曲線圖Fig 7 Impedance amplitude frequency characteristics curve of sample

1)3種樣品的幅頻特性曲線形態(tài)相似，都呈現(xiàn)為浴盆曲線狀。當(dāng)激勵(lì)源信號的頻率較低時(shí)，樣品的阻抗都隨著頻率的增加而降低；在某一頻帶范圍，其阻抗值變化相對較小，趨于平穩(wěn)；隨著頻率的再次升高，樣品阻抗逐漸地增加；

2)樣品在110～160 kHz頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)最小阻抗?fàn)顟B(tài)，這一頻帶為煤炭阻抗敏感頻帶；

3)不同樣品的幅頻特性曲線不同，樣品的阻抗與摻雜質(zhì)(煤矸石)的程度有關(guān)，摻雜越多，其阻抗值越大。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種采用交流阻抗譜技術(shù)，基于MSP430F449單片機(jī)為微處理控制單元的摻雜煤炭快速檢測儀，準(zhǔn)確度優(yōu)于1 %，同時(shí)利用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計(jì)了具有良好人機(jī)交互界面的上位機(jī)管理系統(tǒng)。該檢測儀器性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高，具有操作簡單、數(shù)據(jù)可靠、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。如果進(jìn)一步優(yōu)化，可以填補(bǔ)市場上關(guān)于煤炭質(zhì)量快速檢測便攜式儀器的空白。

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Design of quick detecting system for doped coal based on MSP430F449*

WANG Lu-cai， LIU Guo-feng， LIN Hai-jun， ZHAO Yan-sheng

(College of Engineering and Design,Hunan Normal University,Changsha 410081,China)

A design of quick detector for doped coal based on MSP430F449 is introduced,working principle and system design scheme are discussed.Excitation source is designed by using AD9833 DDS chip,data collection is realized by using 24 bit high-precision A/D converter CS5532,communication between upper PC and lower PC is realized through RS-232.Eliminating blunder error technology is applied in coal impedance data pre-processing and database management system for upper PC is designed based on LabVIEW.The experiment shows that the instrument is portable and is power consumption low,it can detect accurately doped coal,and has characteristics of easy to operate,stable and reliable,and is convenient for management.

coal detecting； MSP430F449； inserted link sensor； AD9833； CS5532

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0097—04

2014—01—15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205127)

TP 836

A

1000—9787(2014)08—0097—04

汪魯才(1969-)，男，湖南長沙人，工學(xué)博士，教授，主要研究方向?yàn)樾盘柼幚砼c模式識別。