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北京工业职业技术学院毕业设计论文 1 第一章概论 1.1 论文选题的背景及意义 电子皮带秤是在皮带输送机输送物料过程中同时进行物料连续自动称重的 一种计量设备，其特点是称重过程是连续和自动进行的，通常不需要操作人员的 干预就可以完成称重操作。电子皮带秤广泛用于煤炭、冶金、矿山、化工、建材 等领域。国家对电子皮带秤的精度要求分为 0.25、0.5、1.0、2.0 共 4 个等级，随 着科学技术的进步,对电子皮带秤稳定性和计量精度的要求也越来越高。 目前， 电子皮带秤的信号采集和传输是用一个接线器将电子皮带秤的多路传 感器的电压信号在接线器内进行并联， 后再通过 6 芯信号电缆线将信号传送至电 子皮带秤重量计算仪，由仪表进行数据处理、数据显示及提供外部需要的数据接 口。接线器本身不具备对传感器称重信号的数据处理能力，也不适应需要远距离 信号传输的场合，其应用受到很大限制。 智能多通道电子皮带秤数据变送器是对各种结构的电子皮带称的一路或多 路称重信号及皮带机速度数据，各自进行独立的数据采集、分析处理，然后通过 远程通信接口将所有数据传至中央处理系统，通信距离要求达到 30km 以上，即 使在通信线路断线的情况下自动累加并保存数据。 1.2 皮带秤的发展 皮带秤的发展大致经过了以下四个阶段： 第一代产品是纯机械式皮带秤，一般是采用增量式编码器，机械式或光电式 扫描码盘等，使皮带秤的机械杠杆具有平衡条件，识别技术和启动功能。 第二代是传感器电子仪器皮带秤， 检测部分一般用光电脉冲或磁脉冲变送器 测速， 二次仪表用模拟积分放大电路或数字系统积分电路来实现动态称重过程的 平衡、识别和积累计算功能。 这两代皮带秤只能测量、累积计算，对运行中计量性能的变化不能控制，因 此动态计量准确度较低，稳定性差，在用户中信誉不佳，逐渐被第三代、第四代 皮带秤取代。 第三代、第四代是传感器微机式皮带秤和微机智能化的皮带秤。微处理机引 北京工业职业技术学院毕业设计论文 2 入皮带秤使电子元器件结构、内容和集成化程度大大提高。生产厂家可以根据现 场使用条件去满足用户的愿望。 第三代，根据现代控制原理，可以对一些动态变化参数进行控制，入零点跟 踪、量程校准等，但一般处于开环控制状态。要想使皮带秤在运行中获得预定的 准确度和稳定性任需操作人员的监视、维护和频繁校准。 第四代，因在称重系统中设置了针对使用特点的软件,而且成为闭环自动控 制系统，智能仪电子皮带秤的含义由此而来。这种称重系统具有测量、计算、控 制、校准、联网通信、上下量程限监视、故障报警等多项自控功能。由于计算机 技术渗入皮带秤，使其计量准确度提高，稳定性改善，检定周期延长，使用过程 中的维护工作量大大减轻，其应用领域不断扩大。目前，皮带秤产品已遍布于世 界各地，广泛应用在煤炭、冶金、矿山、建材、电力、化工、港口等各行业。 1.3 国外动态 散料动态称重技术早已引起一些技术先进国家的有关机构和科技工作者的 重视。这些国家多数建立了皮带秤的专门研究试验基地，从事这方面的开发研究 的学者和科技人员也越来越多。据不完全统计，从1980年至今，国外公布有关皮 带秤的专利就有100多项，这些专利大多数是提高动态称量准确度、稳定性和改 善检测方法的技术。由于广大科技工作者的共同努力，目前皮带秤的计量准确度 和现场使用的稳定性有了很大的提高。 第一章 中间内容省略，认真按照该书写规范和排版格式！ 1.9 本章小结 本章阐明了选题的背景和意义，分析了国内外发展现状，说明了研究方法和 技术路线，最后表明了创新点和成果，并列出了研究步骤。 北京工业职业技术学院毕业设计论文 3 第二章称重原理 2.1 电子皮带秤的结构 皮带秤一般由六大部件组成： 秤架、 称重传感器、 测速传感器、 现场放大器、 主控计算机、显示器组成，如图 2-1 所示： 1称重传感器和测速传感器把皮带上通过的物料重量与皮带速度转换成电 信号； 2现场放大器对两组信号进行适当处理； 3主控制计算机用于对采样到的信号进行积算、调节、控制等； 4显示器给出称重累计结果。 2.2 称重原理 皮带秤是对散状物料自动地连续、累计称量的计量器具。连续、自动称重是 皮带秤的主要特点，为了测量运动皮带上单位长度的瞬时流量，某一段距离的物 料重量，或一段时间和一段距离的累积重量。这些量在理论上的计算，可用积分 法和累加法两种数学模式来演算。 积分法 输送机输送物料时，主控机连续测量皮带上每单位长度的载荷值 q(kg/m)并 与皮带在同一时刻的速度 u(m/s)相乘，测得结果为物料的瞬时流量 q*u (kg/s)。 因物料输送的不均匀性和皮带速度随时间变化， 所以在 T 时间间隔的累计流 量可以用以下积分式表示。 北京工业职业技术学院毕业设计论文 4 W= T dttutq 0 )()( 式中：WT 时间间隔的物料累计量 kg 或 t； T物料通过秤的时间 S 或 h； q(t)载荷,皮带单位长度上的物料重量 kg/m； u(t)物料在皮带上的运行速度 m/s。 (注：按习惯将重量称为“Kg” ，而未用“Kgf”) 2.3 称重技术的发展及分类 2.3.1 称重技术的发展 皮带秤起源于 19 世纪末、西方工业发展时期。它的称重原理最早来源于斗 式输送机对散料连续自动称重的装置。这种装置于 1880 年获得了计量许可。 1908 年在英国公布了第一个皮带秤的专利。1970 年由英国制订了一个自动秤的 检定规程。 第二章 中间内容省略，认真按照该书写规范和排版格式！ 2.6 本章小结 本章主要论述了电子皮带秤的结构、称重原理和称重技术的发展及分类，并 对几种常见的称重装置进行了分析，最后对执行传感器性能进行了比较。 北京工业职业技术学院毕业设计论文 5 第三章数据变送器的 30Km 双绞线传输系统设计 3.1 应用环境 30Km双绞线传输系统是智能多通道数据变送器的重要组成部分，它负责把 智能多通道数据变送器主板采集、处理、运算的各种数据迅速可靠的传送到地面 通信控制站，供地面计算机系统统计、分析相关数据并下传控制信号。同时还可 以用于煤矿井下安全监控系统的数据传输，安检系统主要监测井下 CH4、CO、 CO2等有害气体的浓度，风速、风量、气压、温度、等环境参数和生产设备的运 行情况以保障煤矿安全高效生产。 影响30Km双绞线传输系统通信质量的主要因素有以下几个方面： 1、通信距离长，最长可达 30Km； 2、环境恶劣，相对湿度一般在 98%左右； 3、电磁干扰严重； 4、通信电缆接头极易氧化，线路电阻增大。 第三章 中间内容省略，认真按照该书写规范和排版格式！ 其它电路介绍 3.4.2 均匀传输线的等效电路及电缆模拟器 传输线的电感、电容、电阻和电导是沿线分布的，为说明这些参数的大小， 引入了一次参数的概念。所谓传输线的一次参数，就是指单位长度的传输所具有 的电阻 R、电感 L、电容 C 和电导 G。如果传输线每单位长度所具有的一次参数 都是相同的，就称这种传输线为均匀传输线。传输线的一次参数具有实际的物理 意义，下面逐一介绍。 通过上面的分析可知均匀传输线是由电阻、电感、电容、电导组成的分布 参数网络，其等效电路如下图。图中 R、L、C、G 分别是长度为 X（X0）的传 北京工业职业技术学院毕业设计论文 6 输线的分布电阻、分布电感、分布电容、分布电导。 图 3-12分布参数网络 为了便于对调制解调器进行测试，依据上图自制一个 30Km 的电缆模拟器， 分 1、2、2、5、10Km 五档。其可组合成 030Km 任意值。其分布参数为： 分布电阻：25/Km 分布电容：0.06F/Km 分布电感：0.8mH/Km 3.4.3 电路原理图及说明 图 3-13电路原理图 3.5 本章总结 1、30Km 双绞线传输系统设计思想； 2、30Km 双绞线传输系统设计方案； 3、30Km 双绞线传输系统设计实现。 北京工业职业技术学院毕业设计论文 7 第四章智能多通道数据变送器主板电路设计 4.1 目前现状 目前，电子皮带秤的信号采集和传输是用一个接线器将电子皮带秤的多路传 感器的电压信号在接线器内进行并联， 后再通过 6 芯信号电缆线将信号传送至电 子皮带秤重量计算仪，由仪表进行数据处理、数据显示及提供外部需要的数据接 口。接线器本身不具备对传感器称重信号的数据处理能力，也不适应需要远距离 信号传输的场合，其应用受到很大限制。其结构示意图如图 4-1。突出缺点为： 图 4-1旧的传输系统示意图 1、信号抗干扰能力弱，称重准确性降低，不适应需要远距离传输。 2、必须单设专用信号传输电缆，投资增加。假如信号传输电缆意外中断， 从中断到电子称停止期间，称重累计量丢失。 3、监控中心无法检测偏载，长时间偏载，损伤称架，影响准确性。 第四章 中间内容省略，认真按照该书写规范和排版格式！ 4.3.4 通信协议 智能多通道数据变送器与地面中心监控计算机之间的通讯由调制解调器完 成，其通讯数据帧格式如下： 数据报头变送器地址指令代码有效数据校验结束符 数据报头：表示一帧数据包的开始，为了减少出错率，数据报头由两个字节 构成，0x02、0x3A； 北京工业职业技术学院毕业设计论文 8 变送器地址：煤矿井下安装的每一台智能多通道数据变送器，都设定了一个 唯一的通讯地址。只要接收到与本机地址相同的数据包，变送器才会做出响应。 变送器地址由主板上的 4 位 DIP 拨码开关设定，可以在 015 之间调整。因此中 心监控计算机最多可以带 16 台变送器； 指令代码 序号指令代码说 明 10x01读取实时数据 20x02读取参数值 30x03写参数 40x04写日期时间 50x05零点校准开始 60x06零点校准结束 70x07称量系数校准开始 80x08称量系数校准结束 有效数据：有效数据部分随指令代码的不同，其字节长度和含义也不相同； 校验：校验和用来验证接收到的数据是否正确，只有接收到的校验和与本机 计算得到的校验和相等的数据包才会被正确接收。校验和的计算不包括结束符； 结束符：表示一帧数据包的结束，一个字节（0x0D） 。 指令格式 读实时数据指令（读实时数据指令（0x010x01） 1、主计算机发送指令：共发送 6 个字节，校验和从从机地址开始计算，不 包括数据报头、校验和本身及回车。以下所有指令都是所此。 数据报头0x021 0x3A1 变送器地址0x000x0F1 指令代码0x011 校验和？1 结束符0x0D1 北京工业职业技术学院毕业设计论文 9 结论 智能多通道电子皮带秤数据变送器是对各种结构的电子皮带称的一路或多 路称重信号及皮带机速度数据，各自进行独立的数据采集、分析处理，然后通过 远程通信接口将所有数据传至中央处理系统，通信距离达到了 30km 以上，即使 在通信线路断线的情况下自动累加并保存数据。 本研究中的30Km双绞线传输系统的调制解调器采用摩托罗拉公司 MC145442 芯片，该芯片含有完整的FSK调制器、解调器和滤波器，可以在一对电话线上以 300bit/s的传输速率作全双工通讯，同时考虑到煤矿井下电磁干扰严重，相对湿 度大，通讯电缆接头极易氧化，含易燃、易爆气体等因素，增加了功放和本安保 护等装置，通过现场使用完全达到30Km双绞线传输要求，并且信号传输稳定。 智能多通道数据变送器以单片机为核心器件，主要完成数据采样、数字滤波、 皮带机载荷、流量、累计量的计算、通信端口控制功能。因此单片机应选择运算速 度快，在此我选择了飞利浦生产的 P89V51RD2，P89V51RD2 是一款 PHILIPS 公司 的 80C51 微控制器，包含 64kB Flash 和 1024 字节的数据 RAM。经过精心电路设 计后，完全达到了多通道数据变送的要求。 模数转换器电路采用美国模拟器件公司（ADI）出品 AD7715 模数转换芯片， 其转换精度可以达到 16 bits。与单片机的接口采用了 SPI 总线方式，连线简单， 操作方便。 智能多通道电子皮带秤数据变送器的研发， 可降明显减少电子皮带秤的维修 量，提高产品稳定性和市场竞争力。 北京工业职业技术学院毕业设计论文 10 参考文献 01 连续累计自动衡器（皮带称）中华人民共和国国家计量检定规程 JJG195-2002. 02 方原伯.电子皮带秤的原理及应用M. 北京:冶金工业出版社,1999. 03 张兄华.全悬浮式电子皮带秤J. 电工技术杂志,1998 年第 4 期. 04 徐信荣.新型电子皮带秤的研究D.西北工业大学，硕士学位论文，2002. 05 张剑平.电子皮带秤传感器的秤体设计探讨J.传感器世界, 2001 年，第 7 期. 06 张慧熙，沈继忠.高速无线调制解调器的设计J. 科技通报, 2005 年,第 05 期. 07 刘德华，顾亚平.多载波正交幅度调制解调的仿真研究及系统实现J. 中国声学学会2005 09 高明.24位模/数转换器CS5532及其应用 J.仪表技术与传感器2002年07期 10 邓宏彬，田纳新等编著. 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