陳定昭

（廈門大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005）

基于單片機(jī)的哈氏可磨性指數(shù)測定儀的研究

陳定昭

（廈門大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005）

本文基于單片機(jī)設(shè)計了一款哈氏可磨性指數(shù)測定儀。主要對哈氏可磨性指數(shù)測定儀的測量原理進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上，對整個硬件系統(tǒng)進(jìn)行了完成的方案設(shè)計，硬件系統(tǒng)包括人機(jī)界面卡和控制板卡，并對其中的重要模塊給出了設(shè)計原理圖。產(chǎn)品完成設(shè)計后，進(jìn)行了軟硬件調(diào)試和樣機(jī)裝配，達(dá)到設(shè)計要求。

單片機(jī)；哈氏可磨儀；指數(shù)測定；硬件設(shè)計

哈氏可磨性指數(shù)測定儀簡稱哈式可磨儀，主要由上碗機(jī)構(gòu)、蝸輪箱、傳動齒輪、研磨環(huán)和研磨碗、電機(jī)以及智能轉(zhuǎn)速控制器組成[1-2]，是根據(jù)磨碎定律（即磨碎煤粉所消耗的能量與煤粉產(chǎn)生的新表面積成正比），把制好的一定粒度范圍的煤樣放在哈式可磨性指數(shù)測定儀里磨碎，然后篩分、稱重、對照、校準(zhǔn)圖表、查出可磨性指數(shù)[3-8]。測定結(jié)果用哈式可磨性指數(shù)表示，指數(shù)越大，表明越容易磨碎[9-10]。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)哈式可磨儀系統(tǒng)構(gòu)成，方案設(shè)計硬件分解為兩個部分：1）人機(jī)界面模塊部分：可將人機(jī)界面，塊整體做成一個公共模塊，主要是液晶接口、鍵盤接口、打印機(jī)接口、時鐘模塊。2）控制模塊部分：主要是電機(jī)控制和保護(hù)模塊、轉(zhuǎn)速計數(shù)模塊、研磨碗上下定位模塊、聲光提示與定位狀態(tài)顯示模塊[11-13]?？偟南到y(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

MCU控制模塊考慮到數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，單片機(jī)需選擇程序存儲容量和數(shù)據(jù)RAM容量相對比較大的，如P89C669或者P89C668等[14-15]，當(dāng)然也可采用比較廉價的ARM芯片作為主控芯片?？稍诰唧w的硬件設(shè)計方案中體現(xiàn)。文中的設(shè)計是建立在P89C669或者P89C668單片機(jī)基礎(chǔ)上，晶振采用頻率為16 MHz的無源晶振。復(fù)位電路采用MAX813，為防止軟件下載過程中單片機(jī)復(fù)位，通過二極管連接到串口接收端在下載程序時進(jìn)行喂狗。

圖2 復(fù)位電路

2 人機(jī)界面卡模塊設(shè)計

人機(jī)界面可細(xì)分為薄膜按鍵接口模塊、液晶接口模塊、打印機(jī)接口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、實時時鐘模塊、單片機(jī)模塊等幾個部分。整個人機(jī)界面可以做成一個公共模塊。

圖3 人機(jī)界面卡模塊框圖

1）薄膜按鍵模塊

本儀器設(shè)計按鍵個數(shù)為21個（具體設(shè)計可根據(jù)需要修改），可設(shè)計一個3*8的薄膜按鍵接口模塊。設(shè)計保持簡單易操作的原則，盡量保留可拓展的部分。接盤接口電路如題4所示。

圖4 鍵盤接口電路

2）液晶模塊

軟件界面大概有5個界面：菜單界面、試驗設(shè)置界面、參數(shù)校正界面、計算界面、數(shù)據(jù)查詢界面，根據(jù)顯示界面的顯示行數(shù)與字?jǐn)?shù)的要求，選用合適的液晶屏，設(shè)計符合的硬件驅(qū)動電路。液晶模塊接口電路如圖5所示。

3）打印機(jī)模塊

圖5 液晶接口模塊

設(shè)計采用WH-A5系列微型嵌入式熱敏打印機(jī)，接口類型均有串口和并口兩種類型，并且相對應(yīng)的接口一致。此外了解到由于WH-A5系列打印機(jī)的打印頭比WH-A7系列打印機(jī)的打印頭的機(jī)械壽命長，價格平均貴100元左右，在外觀上，WH-A5系列打印機(jī)面為平面，而WH-A7系列打印機(jī)有一定的弧面，根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)的考慮來選用。

4）數(shù)據(jù)存儲模塊

圖6 打印機(jī)驅(qū)動模塊圖

根據(jù)哈氏可磨性指數(shù)測定儀的保存數(shù)據(jù)量為500到600條數(shù)據(jù)記錄，在設(shè)計時保存600條試驗數(shù)據(jù)，方便用戶查詢。每條實驗數(shù)據(jù)所占用的空間大約為30個字節(jié)，600條數(shù)據(jù)所需的空間在20 K左右，設(shè)計時如采用EERROM，則數(shù)據(jù)的存取速度太慢，設(shè)計采用Flash存儲器AT45D011來設(shè)計實現(xiàn)（容量為128 kB，256 kB、512 kB和1 MB容量的價格一樣），容量為1MB，SPI通訊方式，電源電壓為+5 V。

5）實時時鐘模塊

實時顯示當(dāng)前日期，為保存試驗數(shù)據(jù)做實時記錄，方便用戶查詢。設(shè)計采用PCF8563實現(xiàn)?？捎每沙潆婋姵豑L5186為PCF8563供電，容量為400 mah，在掉電的情況，也可使得PCF8563正常工作達(dá)10年之久。

3 控制卡模塊

控制卡模塊有電機(jī)控制和保護(hù)模塊、轉(zhuǎn)速計數(shù)模塊、研磨碗上下定位模塊、通訊模塊、聲光提示與定位狀態(tài)顯示模塊等組成。

控制卡的設(shè)計原理框圖如圖7所示。

圖7 控制卡模塊框圖

1）電機(jī)控制和保護(hù)模塊

因為研磨碗的上下定位與電機(jī)的轉(zhuǎn)速無太大精確要求，不存在高低壓的影響，而研磨碗的轉(zhuǎn)速電機(jī)則需要根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的20 r/min±1 r來選擇電機(jī)，確保在高低壓試驗過程中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度滿足技術(shù)要求。本設(shè)計中選用兩個交流電機(jī)，一個交流電機(jī)控制研磨碗的升降，另外一個電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)，電機(jī)的功率在200 W左右，選用ACS120來控制實現(xiàn)，電機(jī)的保護(hù)則采用TVS管P6KE440CA。

2）轉(zhuǎn)速計數(shù)模塊

采用旋轉(zhuǎn)編碼器來計數(shù)。根據(jù)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)（20 r/m）和精度要求，選擇編碼器的型號為：E6C2-CWZ6C 30P/R；電源電壓DC5～24 V，NPN型集電極開路輸出，輸出三相（A相：正轉(zhuǎn)脈沖計數(shù)；B相：反轉(zhuǎn)脈沖計數(shù)，Z相：轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)）消耗的電流在70 mA。電路圖如圖8所示。

3）研磨碗上下定位模塊

研磨碗的上下定位采用霍爾傳感器來實現(xiàn)，設(shè)計特定的定位模塊。接口必須方便簡單。

4）單片機(jī)模塊

單片機(jī)選用P89V51RD2，具有64 kB的片內(nèi)Flash程序存儲器和1 024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，無需擴(kuò)展外部程序和數(shù)據(jù)空間。下載方便。晶振：晶振采用頻率為16 MHz的無源晶振。復(fù)位電路采用MAX813，為防止軟件下載過程中單片機(jī)復(fù)位，通過二極管連接到串口接收端在下載程序時進(jìn)行喂狗。

5）通訊模塊

采用串口通訊。用4052來擴(kuò)展兩路串口。一路用于下載和通訊，另外一路留作備用。

6）聲光提示與定位狀態(tài)顯示模塊

研磨碗的上定位狀態(tài)提示與下定位狀態(tài)提示，以及電源指示燈等采用LED在儀器面板上顯示。定位確定后采用蜂鳴器提示。

圖8 編碼器電路

4 結(jié) 論

文中主要對哈氏可磨性指數(shù)測定儀的測量原理進(jìn)行了介紹，在此基礎(chǔ)上，對整個硬件系統(tǒng)進(jìn)行了完成的方案設(shè)計，硬件系統(tǒng)包括人機(jī)界面卡和控制板卡，并對其中的重要模塊給出了設(shè)計原理圖。產(chǎn)品完成設(shè)計后，進(jìn)行了軟硬件調(diào)試和樣機(jī)裝配，達(dá)到設(shè)計要求。

[1]蔡志丹.煤的哈氏可磨性指數(shù)測定影響因素研究[J].煤質(zhì)技術(shù)，2016，1（1）：14-17.

[2]王淑云．淺析煤的哈氏可磨指數(shù)測定的影響因素[J].天津冶金，2014（S1）：134-136.

[3]石巖．用哈德格羅夫法準(zhǔn)確測定煤的可磨性指數(shù)的技術(shù)探討[J].煤質(zhì)技術(shù)，2011（5）：47-49.

[4]全國煤炭標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會．煤的可磨性指數(shù)測定方法（哈德格羅夫法）：GB/T 2565-2014[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[5]王景剛，李艷霞，申子晉，等.淺析煤炭出樣率對哈氏可磨指數(shù)測定值的影響 [J].煤質(zhì)技術(shù)，2015，（3）：37-38.

[6]顧本可.煤的哈氏可磨性指數(shù)的測定[J]．貴州電力技術(shù)，2014，17（1）：14-16．

[7]王玉磊，王慶文，賈建文，等.混煤哈氏可磨度試驗研究[J].節(jié)能技術(shù)，2012，30（2）：179-181.

[8]段學(xué)農(nóng).朱光明.姚斌.等．混煤可磨特性與摻燒方式試驗研究[J].熱能動力工程，2010（4）：410-413．

[9]楊雙平，蔡文淼，鄭化安，等．高爐噴吹半焦及其性能分析[J]．過程工程學(xué)報，2014，14（5）：896－900．

[10]王雅軍，張永，張靜．噴吹低溫半焦的實驗室研究[J]．包鋼科技，2012，38（1）：6－8．

[11]李鵬程，張建良，徐潤生，等.改質(zhì)煤、蘭炭和木炭作為高爐噴吹用燃料的基礎(chǔ)研究 [J]．冶金能源，2015，34（3）：41－45．

[12]張立國，任偉，劉德軍，等．半焦作為高爐噴吹用煤研究[J]．鞍鋼技術(shù)，2015，391（1）：13－17．

[13]高建強，汪寧，王玉蘭．1025 t/h褐煤富氧燃燒鍋爐制粉系統(tǒng)設(shè)計與分析 [J]．熱力發(fā)電，2015，44（2）：106－109．

[14]張妮妮，周永剛，翁善勇，等．俄羅斯煤和平朔煤混煤的粉碎機(jī)理和可磨性規(guī)律研究[J]．電站系統(tǒng)工程，2005，21（6）：14－16．

[15]趙巧玲，張海龍．高爐噴吹蘭炭末工業(yè)試驗研究[J]．中小企業(yè)管理與科技，2014（11）：314－315．

Research of the instrument for measuring the grinding index of the grinding index based on single chip microcomputer

CHEN Ding-zhao
（School of Physical Science and Technology，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

Based on single chip microcomputer，this paper designs a measuring instrument for the.Of Hastelloy grinding index determination instrument for measuring principle are introduced in this paper，based on，the hardware of the whole system were completed scheme design，the hardware system includes man-machine interface card and control board，and the design principle diagram of the important modules is given.After the completion of the product design，hardware and software debugging and prototype assembly，to meet the design requirements.

single chip microcomputer；instrument；index measurement；hardware design

TN108.7

：A

：1674－6236（2017）13-0122-04

2016-06-18稿件編號：201606121

陳定昭（1996—），男，湖南長沙人。研究方向：電子科學(xué)與電子技術(shù)。