（电气工程专业论文）电缆牵引工程车用测控仪的设计.pdf

沈阳 业大学硕士学位论文 摘要 在所有的与海洋作业、航海旅行、矿业探测、水文测量及电线电缆工程相关的行业 中，应用最最频繁的设备之一就是电动绞盘，尤其是电线电缆行业，上千米昂贵的电缆 需要每一次都完好无损的绕在绞盘上，每一次又都通过管线被牵引到预埋在地下的管路 中，因此，人们总是要求电缆牵引工程车的绞盘操作具有如下的几项监控功能：线缆长 度、速度、张力等测量和控制功能。 本文中电缆牵引工程车测控仪的研制，正是为了解决电缆传送中的安全性和可靠性 而进行的。当我们开发一种新型适合电缆牵引使用的工程车时，许多经典的、久经时间 考验的绞盘测控设计思想和理论依然成立。除此之外，随着许多新技术，尤其是新型半 导体专用模块和传感技术的应用，就可能出现许多新的控制单元结构。为此当我们着手 设计这种新的测控单元结构时，我们就必须在综合考虑各种相互制约条件的情况下，选 出最优化设计，从而达到优化、适用、经济的目的。 本文中在充分考虑了电缆牵引工程车于各种使用环境因素的基础之上，并结合目前 电缆牵引工程车的实际情况，经过大量的实验结果，最终采用光电式旋转编码器和鉴相 电路，并成功的使用软、硬件抗干扰技术等措施，完成了对缆线长度和速度的测量，其 精度可达n + o 2 f s ；采用扩散硅式压力传感器和特殊的温度补偿芯片m a x l 4 5 7 所组成 的扩散硅压力变送器，并选择适当的软硬件抗干扰技术和可靠性技术来完成对牵引力的 测量，其精度可达到o 3 f s 。 本文通过电缆牵引工程车测控仪的研制，将结束我国电缆牵引工程车没有电子测控 的历史，填补了国内空白，解决了从国外进口电缆牵引工程车价格昂贵问题，在功能相 同的情况下，成本降低一倍以上。同时该控制仪的研究也为绞盘在其他领域中，提高产 品性能和降低成本提供了一个有利的保证。 关键词：牵引车；编码器；传感器；鉴相电路；温度补偿芯片 沈阳工业大学硕士学位论文 t h e d e s i g n o fc o n t r o l l e rf o rt r a c t i o n e n g i n e d r i v e nb yc a b l ew i n c h o fa l lt h ei n d u s t r i e sc o r r e l a t e dw i t ho c e a n w o r k , n a v i g a t i o n ，m i n i n gd e t e c t i o n ， h y d r o g r a p h i cm e a s u r e m e n ta n dc a b l ee n g i n e e r i n g ，t h em o s tf r e q u e n t l y u s e dd e v i c ei st h e e l e c t r i cw i n c h e s p e c i a l l yi nc a b l e i n d u s t r y ，t h o u s a n d so f m e t e r s o f c a b l en e e dt ob ew r a p p e do n aw i n c he v e r yt i m ea r e rb e i n gd r a u g h ti n t op r e - b u r i e du n d e r g r o u n dp i p e l i n e t h e r e f o r e ，t h e f u n c t i o n so f aw i n c ha r er e q u i r e dt om e a s u r ea n dc o n t r o lt h ef o l l o w i n g p a r a m e t e r s ：c a b l el e n g t h ， c a b l es p e e d ，t e n s i l ef o r c e ，e t c i nt h i sp a p e r , w em a k et h ed e s i g no fc o n t r o l l e rf o rt r a c t i o ne n g i n ed r i v e nb yc a b l ew i n c h t os o l v et h ep r o b l e mo fu n s a f e t ya n du n r e l i a b i l i t y w h e nw ed e v e l o pan e wt r a c t i o ne n g i n e ， s o m ec l a s s i ca n d t i m e - e x p e r i e n c e dt h e o r yo rt h o u g h ti ss t i l lt e n a b l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e w t e c h n i q u e ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs e m i c o n d u c t o rm o d u l ea n d s e n s o r t e c h n i q u e ，n e wc o n t r o lu n i ts t m c t u r e s w i l la p p e a r w h e nt h en e wc o n t r o lu n i ts t m c t u r e s a r et ob ed e s i g n e d ，w em u s tm a k eo v e r a l lc o n s i d e r a t i o no f r e s t r i c t e dc o n d i t i o n st os e l e c tt h eb e s t s c h e m et om e e tt h er e q u i r e m e n t o f o p t i m i z a t i o n , s u i t a b i l i t ya n d e c o n o m i c s t h i st h e s i sf u l l yt a k e sa l le n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n si n t oa c c o u n ta n dc o m b i n e sp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n so f 扛e c f i o ne n g i n e s w i t hal a r g eq u a n t i t yo fe x p e r i e n c e ，w ea d o p tp h o t o e l e c t r i c e n c o d e r , d i s c r i m i n a t i o n c i r c u i ta n d a n t i - j a m m i n gt e c h n i q u e f o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r e m e a s u r i n g c a b l e l e n g t ha n ds p e e dw i t ha c c u r a c yo f o 2 f s t h ep r e s s u r et r a n s m i t t e rm a d e f r o ms i d i f f u s e d p r e s s u r es e n s o ra n ds p e c i a lt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t e dc h i p ，m a x l 4 5 7 ，c a n a c h i e v e 0 3 f si na c c u r a c y 谢mt h ec o n j u n c t i v ew o r ko fa n t i - j a m m i n gt e c h n i q u ea n d r e l i a b i l i t yt e c h n i q u e t h e d e s i g no f c o n t r o l l e rf o r t r a c t i o ne n g i n ew i l le n dt h e h i s t o r yi nw h i c h t h e r ei sv a c a n ti n e l e c t r o n i cc o n t r o lf o rt r a c t i o ne n g i n ed r i v e nb yc a b l ew i n c h t h i sd e s i g nn o to n l yd e v e l o p sa n e w t e c h n i q u e ，b u ta l s os o l v e st h ep r o b l e mo fh i g hp r i c ef o ri m p o r t e dt r a c t i o ne n g i n e s w h i l e t h ep e r f o r m a n c ei sj u s tt h es a n l e ，t h ep r i c ei sh a l f o f t h a t i m p o r t e do n e t h ed e s i g nf o rc o n t r o l l e r 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 a l s op r o v i d e sc a b l ew i n c has u c c e s s f u lg u a r a n t yf o rh i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wc o s ti no t h e r a p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：t r a c t i o ne n g i n e ，e n c o d e r , t r a n s d u c e r , d i s c r i m i n a t i o nc i r c u i t , t e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t e dc h i p 一3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期：0 弦多歹矿 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 虢冉靳繇世吼一 沈阳工业大学硕士学位论文 插图及附表清单 图2 1 原理框图 图2 2 “e 6 a 2 ”系列旋转编码器输出回路图 图2 3 “e 6 a 2 ”系列旋转编码器输出模式图 图2 4 速度和长度计算框图 图2 5a d 7 7 0 5 模数转换器引脚图 图2 6a d 7 7 0 5 模数转换器在本设计中的硬件连接 图2 7a d 7 7 0 5 模数转换器读周期时序图 图2 8a d 7 7 0 5 模数转换器写周期时序图1 8 图2 9a d 7 7 0 5a d 转换框图1 9 图2 1 0 牵引力测算软件框图 图2 1 1 继电器控制图 图3 1m a x l 4 5 7 管脚图 2 0 2 1 图3 2m a x l 4 5 7 内部原理图。2 2 图3 3 变送器原理图 图3 4 线路板布线图 图3 5 齿轮减速装置 图3 6 基本鉴相电路与计数电路的原理图 图3 7 有无高频振动时的a 、b 、a 输出信号比较 图3 8 鉴相电路原理图 2 4 2 6 3 3 3 4 3 4 3 5 图5 1 电缆牵引车测控仪4 0 表2 1 “e 6 a 2 ”系列旋转编码器性能表 表2 2a d 7 7 0 5 模数转换器的引脚说明 表2 3 继电器触发说明 8 1 5 2 1 3 7 3 8 表4 1 电缆牵引机牵引力( 压力) 测量数据 表4 2 牵引机缆线长度测量数据 巧 口= j n 堪 沈阳工业大学硕士学位论文 i 引言 1 。1 课题来源、意义 1 1 1 课题来源和选题依据 随着我国城市地下电缆和光缆铺设工程的日益增多，及农村电网改造工程的广泛实 旌，用于缆线铺设的电缆牵引工程车的市场前景也随之看好。但在地下电缆、光缆的铺 设过程中，缆线极易被拉断，给工程造成极大的经济损失。这样就需要研究套适合电 缆牵引工程车用的测控仪，来保证电缆、光缆铺设的可靠性和科学性。 目前国外使用的电缆牵引工程车具有缆线长度、缆线速度、缆线运行方向、缆线牵 引力测试及数据打印等多项功能。并且对于不同的工程，所配备的工程车也不尽相同， 当缆线牵引力要求为2 0 k n ，则可以选择2 0 k n 力的牵引工程车；缆线牵引力要求为 5 0 k n ，则可以选择5 0 k n 力的牵引工程车等等。小牵引力的牵引绞盘体积较小，可随适 当车辆装载；而牵引力较大的工程车则需专用车辆拉载。因此，电缆牵引工程车在国外 的生产已经成为个系列化的产品生产。 而国内目前生产的电缆牵引工程车尚处于较低水平，一般只采用指针式压力表测量 缆线牵引力，并不具备缆线长度和缆线速度等项目的测量。这样，在缆线实际铺设过程 中，就不能清楚地知道缆线铺设的长度，及缆线前端所在的位置。一旦需要钡4 算缆线铺 设长度时，只能通过绞盘上剩余的缆线，大概估算放出或收回缆线的长度。这样的工作 质量，已不能适应现代市场的要求，因此，只有增加工程车的测控功能，保证其测量的 准确性，才能保证铺设工程的质量，并提高其市场竞争力。 1 1 2 课题研究的意义 电缆牵引工程车是一种专用工程车，它的应用领域有限，所以这种产品的生产规模 远不如通用车辆规模那样大，目前国内具有一定规摸产量的电缆牵引工程车厂家寥寥无 几，大多数主要是以传统的手动绞盘和普通电动绞盘车生产为主，而且国内使用的大型 电缆牵引工程车主要是以进口为主，国外情况虽然是在传统绞盘车的基础上加入了微机 控制功能，但其生产规模也是如此，因此国外生产的电缆牵引工程车在国内使用时尚存 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 在维修困难且成本高，通常至少是国产工程车价格的两倍以上，如此大的价格差异和独 特的市场环境，给国产工程车的自行设计、自行改造和自行生产带来了广阔的前景。本 课题就是应我国专业生产电缆牵引工程车企业一宁波东方电力机具制造有限公司的要求 在该企业原有工程车产品的基础上，增加仪表测控功能，对电缆牵引工程车进行机电一 体化改造，以实现该厂产品的更新换代。该企业提出的控制仪主要技术指标如下： 牵引力测量范围：0 3 0 0k n 线速度测量范围：0 9 0 0m r a i n ； 线长度测量范围：0 3 0 0 0 0m 测量精度：0 3 f s ； 电源电压：1 2 v d c 2 v d c 3w 。( 电池供电) 。 本课题的研究将对我国填补自动监测和控制电缆牵引工程车生产的空白、提高我国 该项产品的档次、适应国际市场的激烈竞争和替代进口产品起到至关重要的作用。因此 具有十分重要的经济意义和社会意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 目前国内还没有应用于电缆牵引工程车油缸压力、缆线长度、缆线速度测量的专用 控制仪表。然而用于压力、长度、速度的传感器、变送器技术却已比较成熟。如：用于 压力测量的传感器、变送器，有结构式的、应变片式的、扩散硅式的、半导体智能型式 的和光纤式等：用于长度和速度测量的传感器、变送器，有机械结构型的、霍尔元件的 ( 磁电式) 和光电编码器型的等等。我们可以根据不同的应用环境要求选择不同的传感 器和变送器。在压力测量方面，如果温度稳定性等因素要求的比较严格，我们将尽量采 用结构型压力传感器，但它的缺点是测量精度低；如果考虑到成本和结构等因素的限制 我们将选用应变片式压力传感器，但它的缺点是输出信号小；如果考虑成本和实现电子 化方面的因素我们将选用扩散硅式压力传感器，但它同样具有环境温度影响的问题；如 果考虑自动化和使用方便我们将选用智能化传感器，它的缺点是成本高。本课题综合了 3 沈阳： 业大学硕士学位论文 各方面因素最终选用了小型扩散硅式压力传感器，它具有阉念化、小型化、输出信号大 和测量精度高等优点。 在长度、速度测量方面，如果温度稳定性等因素要求的比较严格，我们将尽量采用 结构型传感器，但它的缺点是测量精度低；如果考虑选用非接触式、且考虑成本因素我 们将采用霍尔元件式传感器( 磁电式) ，但它的精度不如光电编码器，且受环境因素影 响较大。因此本课题最终选择了用光电式旋转编码器进行长度和速度测量的方案。 1 2 2 国外研究现状 目前国外以美国o c e a ne n g i n e c n i n g p r o d u c t i o ni n c 公司为代表生产的系列绞 盘产品；德国b a n c i e rm o n i t o r i n g 公司生产的系列工程车产品，他们都较好地解决了 电缆行业的一些应用问题并代表了当前世界先进水平。他们生产的电缆牵引工程车已采 用缆线长度、缆线速度、缆线运行方向、缆线牵引力测试及数据打印等多项功能的专用 电路，来监测和实现半自动控制整个缆线牵引的全过程。他们通常采用在柴油机油缸上 安装金属应变片式或扩散硅式压力传感器测试和显示压力，采用在槽轮上安装一个永久 磁铁，而在槽轮的轮条上安装磁电式的霍尔传感器来测量和监测缆线牵引过程中的长 度、速度和方向【3 3 】。由于电缆牵引工程车是一种专用车辆，它的生产规模有限，所以这 种专用电路的研制与生产也都是电缆牵引工程车生产厂家自行开发组装的，没有通用电 路可以利用或专业的厂商来设计完成，其电路设计不象通用车辆那样尽善尽美。如：霍 尔传感器测试速度和长度的精度就不如光电式旋转编码器那样高。同时在抗电火花干扰 方面光电式旋转编码器也具有一定优势。这种专用车辆生产规模小将用户给日后控制电 路的维修带来巨大的困难。因此，我们自行设计生产电缆牵引工程车并开发生产其测控 仪将是十分必要的。 1 3 论文的主要内容 1 3 1 首先要确定一个科学的实现电缆牵引工程车测控功能的总体方案，然后在确 定电缆牵引工程车测控仪工作原理及总体设计方案的过程中，要正确选择实现牵引力测 量所采用的硬件电路并编制计算机软件；正确选择实现缆线长度和运行速度测量所采用 的硬件并编制计算机软件；实现测控仪要求的保护控制功能。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 2 在进行深入研究采用光电式旋转编码器来实现电线、电缆速度和长度的测量 时，如何从原理结构设计上解决好因强烈震动和高速旋转运动状态下光电式旋转编码器 所发生的脉冲漏检问题，即要在结构设计上就充分考虑如何解决缆线长度和速度测量过 程中系统的稳定性问题和可靠性问题。同时还要深入研究，如何利用软件和硬件设计上 实现测量系统对于环境及系统本身带来的干扰问题。 1 3 3 在进行深入研究采用小型扩散硅压力变送器，来实现缆线牵引力测量时，如 何在解决好扩散硅压力变送器中的压力传感器在进行信号放大的同时还要充分注意到要 采用合理的压力传感器专用放大电路来解决好传感器的环境温度补偿问题；要深入研究 如何从硬件上实现测量系统的可靠性和稳定性问题。 1 3 4 抗干扰设计对于各类仪器仪表都尤为重要。在这里需要考虑：柴油机每一 个行程所产生的电火花对测控仪及变送器的影响；施工现场不仅在野外，还要在喧闹的 城市，这就要考虑高频信号对测控仪及变送器的影响。这就需要把硬件和软件的各自特 点有机的结合起来，设计出一个经得起长期现场考验的、尽可能完善的智能测控仪。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 测控仪的工作原理和设计方案 2 1 测控仪的工作原理 在综合考虑了各种硬件因素基础上确定测控仪的工作原理如图下所示【1 2 1 1 3 图2 1 原理框图 本测控仪的测量过程可以分为以下几个步骤进行： 牵引力( 压力) 测量 将扩散硅式压力变送器接到与发动机油缸相连接的管路上，通过测量油缸压力，间 接测量出缆线的牵引力。扩散硅式压力变送器内含温度补偿芯片m a x l 4 5 7 3 3 1 ，此芯片不 仅可以将扩散硅式压力传感器的温度区间进行线性补偿( 在本设计中，考虑现场的实际 需要，将压力传感器的温度区间补偿在一4 06 c + 8 0 c ) ，还具有将电压信号转换成标准 电流信号4 2 0 m a 的功能，使信号传输过程中的抗干扰性能大大的增强。 变送器输出的4 2 0 m a 电流信号，经测控仪的a d 转换器( a d 7 7 0 5 ) 转换成供单片 机处理的数字信号，最终完成压力信号信息采集的任务。 缆线长度及运行速度的测量 将带有光电旋转编码器的减速装置与电缆牵引机的卷筒同轴安装，再将光电旋转编 码器的输出线连接到测控仪的鉴相电路的输入端。当卷筒旋转( 输送电缆) 时，则带动 光电旋转编码器旋转，编码器向测控仪的鉴相电路输送脉冲信号。编码器正向旋转时， 鉴相电路可以屏蔽掉反向的脉冲，只允许正向脉冲通过，单片机通过采集到不同方向的 6 回回 沈阳工业大学硕士学位论文 脉冲信号，而进行缆线长度的加减运算。在单位时间内累计的长度，即可计算出缆线的 运行速度。 继电器输出 智能仪表的设计，不仅包括测量部分，还要有相应的外围设备保护输出部分的设 计。牵引机油门开放的大小，决定着牵引力的大小。当牵引力过大时，缆线的释放或回 收的速度也加快，这不仅会造成牵引机的熄火，还会造成缆线被扯断，因此设计时必须 要考虑对缆线有一个保护措施，即通过控制继电器的吸合来监控牵引力。当单片机检测 到压力数值( 或速度值) 大于设定值时，单片机驱动继电器吸合，此继电器在带动牵引 机上的电磁阀，关闭柴油机( 汽油机) 的油门，从而起到保护缆线的作用。操作员处理 完事故后，通过手动按键释放继电器。 键盘 用来向单片机输送数据。 l e d 显示的作用 在参数设定时，用来显示各种参数；在运行时用来显示缆线运行的即时长度、缆线 运行的即时速度、缆线的即时牵引力等。 2 2 设计方案 2 2 1 速度和长度测量设计方案 缆线的收、放是靠卷筒旋转来完成的，因此选用旋转编码器作为缆线长度测量 的传感器，是最理想的。 旋转编码器是集光、机、电技术于一体的转速、位移传感器。当编码器轴带动 光栅盘旋转时，经发光元件发出的光，被光栅盘、狭缝切割成断续光线，并被接收 元件接收，产生初始信号，该信号经后继电路处理后，输出脉冲信号。 选择旋转编码器的品牌时，应注意下列各点： 分辨率( p r ) ：决定位置( 测量) 的精度； 轴允许荷重：决定旋转编码器的寿命、安装状况： 允许最大转速( 最高响应频率) ：决定外接电动机等驱动轴转速和分辨率； 耐环境性：决定其使用环境； 一7 一 沈阳j 业大学硕士学位论文 外形尺寸：决定安装所占用的空间。 现在市场上光电旋转编码器的生产厂家很多，国产的有“长春第一光学仪器厂”生 产的光电旋转编码器产品，进口的有“日本欧姆龙公司( o m r o n ) ”、“德国图尔克公 司( t u r c k ) ”、“德国梅尔公司( m e y l e ) ”等等。综合各家的特点，本设计将选用日 本欧姆龙( o m r o n ) “e 6 a 2 ”系列的编码器【4 】。 表2 1 “e 6 a 2 ”系列旋转编码器性能表 型号 e 6 a 2 - c w 3 e 型e 6 a 2 一c w 3 c 型e 6 a 2 一c w 5 c 型 项目 1 2 v d c 一5 电源电压5 v d c 一5 一1 2 v d c + 1 0 一2 4 v d c + l o 消耗电流 3 0i i l a 以下2 0m a 以下 分辨率( p r )1 0 0 、2 0 0 输出相a 、b 相 输出形态电压输出集电极开路输出 最高响应频率 2 0k h z 输出相位差9 0 。4 5 。 输出上升、下降时间 1us 以下 起动转矩1 0 9 a m 以下 惯性转矩l o g c m 2 以下 允许最高转速5 0 0 0 r p m 工作环境温度 - 1 0 一+ 5 5 工作环境湿度 3 5 8 5 r h 振动耐久1 0 5 5h z 防护结构i e c 标准i p 5 0 8 沈阳工业大学硕士学位论文 在操作现场，为测控仪供电的电源为蓄电池，其电压为1 2 v d c 。随着使用时问的加 长，电池电压也跟着下降。因此，编码器的电源电压应选择低于1 2 v d c ，且耗电越小越 好。分辨率( p r ) ，应在1 0 0p r 为好。 在长度测量过程中，缆线“收”或是“放”决定着长度计量是进行“加”运算还是 “减，运算。这就需要识别卷筒的旋转方向，因此编码器必须具有a 、b 两相输出。 本着上述原则并综合表2 1 中的各项指标分析，我们认为选e 6 a 2c w 3 c 型编码 器做“缆线长度和速度测量的传感器”比较合适。 一? 红+ 怒d c 图2 2“e 6 a 2 ”系列旋转编码器输出回路图 0 膏( ) 相 o f f ( l ) o ( ) b 柑 o f f ( l ) 出 b 相) ；厂 厂 厂 厂 厂 耳# i 4 t 图2 3 “e 6 a 2 ”系列旋转编码器输出模式图 2 2 1 1 参数说明： i 一减速比 n 一编码器应旋转一周发出的脉冲数( 编码器的周线数) 9 沈阳工业大学硕士学位论文 m 一累积脉冲数 c 一卷筒的周长 l 一每个脉冲所对应的长度 s 一缆线长度 t 一单位时间 v 一缆线的速度 采用光电式旋转编码器，来完成缆线的速度和长度的测量。电缆牵引工程车通过本 身的马达，带动卷筒旋转以放出或收回缆线。由于马达转速较高，一来会造成编码器输 出脉冲数的丢失，二来输入脉冲信号的频率过高，对后面的c p u 采集计数也会带来困 难。所以需设计套减速比( i ) 一定的齿轮传动装置。 将此装置与卷简同轴安装，这样卷筒旋转i 周，编码器对应旋转一周，发出n 个 脉冲。因卷筒的周长( c ) 一定，所以卷筒旋转圈数多少，决定了缆线送出或收回的长 度。而每个脉冲所对应的缆线长度l 是可求的： l = i c n2 1 通过c p u 累积编码器发出的脉冲数( m ) ，即可求出缆线的长度( s ) ： s=mxl=mx(ixc n ) 2 2 而单位时间( t ) 内长度，即为缆线的速度( v ) ： v = s t 2 3 2 2 1 2 设计参数的计算： 设：选用日本o m r o n 有限公司生产的e 6 a 2 一c w z 3 e 5 0 型1 0 0 线圈的光电旋转编码 器，则：n = 1 0 0 其最高旋转频率为2 0 k h z ( 6 0 0 转分钟) 。 卷筒周长c = 0 2 5 米，减速比i = 2 则：l _ ixcn=2 x0 。2 5 1 0 0 = 0 0 0 5 米= 5 毫米 这样长度测量的分辨率为5 毫米线。 设：缆线运行最大速度= 9 0 0 米分钟，则：卷筒旋转频率= 9 0 0 2 5 = 3 6 0 转 分钟，即要求编码器旋转频率为3 6 0 转分钟。而我们选择的e 6 a 2 一c w z 3 e 5 0 型编码器 的旋转频率为2 0 k h z ，因此设计参数符合产品使用的指标。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 1 3 速度和长度计算软件框图 x 2 5 0 4 5 初始化 l 键盘查询：长度、速度、压力、修改、删除 l i 长度计算i l lt h o ，t l o + 3 b h ，3 a h 正向脉冲计数 l t h l ，t l l + 3 e h ，3 d h 反向脉冲计数 l l ( 3 2 h ，3 1 h ，3 0 h ) + ( # o o h ，3 b h ，3 a h ) 一( # o o h ，3 e h ，3 a h )l l l制式转换，结果存入4 c h ，4 d h ，4 e h ，4 f hi i 速度长度计算 l ( 后1 秒长度值一前1 秒长度值) 6 0 秒 l 结果存入5 7 h ，5 8 h ，送显示i l 速度大小判断 人 ；。 啊。 报 警 好。- 处 卿 小于0i 图2 4 速度和长度计算软件框图 沈阳工业大学硕士学位论文 长度和速度计算的软件编制思路： 光电旋转编码器旋转时产生的两路脉冲信号，经鉴相电路到达单片机的t o 和t 1 计 数器端口。在这里，鉴相电路的功能就是区分来自外部的脉冲信号，将先期到达的脉冲 信号，原样地送到后级电路；将后到的脉冲信号屏蔽成低电平后，送到后级电路( 因为 a 相、b 相脉冲相位相差悬殊9 0 度，所以两者到达鉴相电路的速度也不一样) 。 当编码器正相旋转时，鉴相电路屏蔽掉进入t 1 端的脉冲信号，只允许到t 0 端的脉 冲信号通过；当编码器反相旋转时，鉴相电路则屏蔽掉进入t o 端的脉冲信号，只允许 到t l 端的脉冲信号通过。 在初始化时，先将计数器t o 、t 1 进行清零。在单位时间内( 这里，我们了选用 l o o m s ，是因为选用6 m h z 的晶振后，计时器最大计时时间约为1 3 0 m s ) 分别读取计数器 t o 、t 1 的内容：当编码器正相旋转时，有脉冲到达计数器t o ，因此t o 开始计数；由于 鉴相电路的存在，将到达计数器t 1 的脉冲屏蔽成低电平。将原始累积的脉冲个数先与 t o 内的脉冲数相加，然后再减去t 1 内的脉冲数，其结果即为缆线运行后，由编码器发 出的总的脉冲数，再由公式2 1 、2 2 即可求出缆线运行的长度值。 这里需要说明的是：虽然鉴相电路可以成功地屏蔽掉后到的某路脉冲信号，但单片 机却只能通过查询t o 、t 1 的内容，才能识别脉冲信号的输入与否，因此在脉冲计算 上。需进行计数器t 0 的加计算，计数器t 1 的减计算 用重新计算得到的长度值减去原始的长度值，再除以单位时间( 1 0 0 m s ) ，所得结 果，即为现在缆线运行的瞬时速度。 计算出瞬时速度后，需将此值与设定警戒速度值进行比较。若数值大于警戒速度 值，则启动继电器吸合，以关闭电磁阀，停止给油，从而起到保护牵引车所牵缆线不被 拉断的作用，同时将此速度值送显示器显示。 继电器吸合后，油缸停止给油，速度也会降为零。但这时，操作员不一定处理完事 故，因此c p u 控制的继电器不能释放。待操作员处理完事故，通过手动按键给单片机一 个信号，通知其释放继电器，以进行下一次测量。 如果测量的速度值小于警戒值时，则进行下一次测量，同时将该值送显示。 一1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 1 4 长度计算软件见附录e 1 9 i 2 2 1 5 速度计算软件见附录f 1 9 1 在长度计算中，单位时间选为1 0 0m s ，因此在速度计算时，需将时间放大到1 分 钟。速度= x6 0 0 = x x xm m i n 2 2 2 缆线牵引力的测量方案 2 2 2 1 测量方案 缆线牵引力的大小，取决于电缆牵引工程车油压系统给压的大小。因此采用扩散硅 式压力传感器，通过测量油缸内的压力值，间接完成缆线牵引力的测量。 当油压过高时，会造成缆线牵引力的增大；如果输送的缆线是光缆，就会造成光缆 的扯断。因此需要对给压的大小进行监控。 通过测控仪的键盘，设定压力警戒值，并自动存入e e p r o m ( x 2 5 0 4 5 ) 中，以便对 压力进行比对和监控。 将扩散硅式压力变送器安装在油缸的管路上，以完成对油缸内的油体进行压力测 量。油缸内油压的变化情况，经过扩散硅式压力变送器转换成电流信号的变化。此电流 信号经采样电阻变成电压信号后到达a d ( a d 7 7 0 5 ) 转换器，并由a d 7 7 0 5 转换为数字 信号，再送到单片机c p u 中进行数据处理。c p u 依据标度变换程序，计算出压力值。 c p u 先将这个压力值与事先存入e e p r o m 中的设定的压力警戒值进行比较，判断测量值 是否超过警戒值：当检测的牵引力值( 压力值) 大于警戒值时，c p u 向测控仪内部的继 电器发出信号，使继电器吸合，以关闭电磁阀，从而停止油缸给油，起到保护电缆牵引 工程车牵引装置和所牵缆线不被拉断的作用，同时将此压力值送显示器进行显示。 继电器吸合后，油缸停止给油，管路中油压也会降为零。但这时，操作员不一定处 理完事故，因此c p u 控制的继电器不能释放。待操作员处理完事故，通过手动按键给单 片机一个信号，通知其释放继电器，以进行下一次测量。 如果测量的压力值小于警戒值时，则进行下一次测量，同时将此值送显示。 2 2 2 1 1a d 7 7 0 5 的特点 a d 7 7 0 5 其特点如下【2 8 】： 具有两个全差分输入通道； 一1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 $ a d 7 7 0 5 是以一为原理工作的1 6 位无丢失代码的模数转换器； 它具有0 0 0 3 的非线性； 片内带有可编程增益放大器，其可调整范围为卜1 2 8 倍； $ 输出更新速度可编程； 三线串行接口：s p i 、q s p i 和d s p 兼容； 有对模拟输入缓冲的能力。 由于a d 7 7 0 5 是一模数转换器，因此不太适用多路信号频繁切换的场合，只有 在一路信号每周期都使用，而其它路信号不常用的情况下可以使用。 在低速采样应用中，a d 7 7 0 5 的性能最佳。当采用6 0 h z 或6 0 h z 以下的更新速度进 行采样时，a d 7 7 0 5 对5 0 h z 的工频有抑制作用，采样的效果很好，但是当它的更新速度 大于6 0 h z 时，采出码将出现波动，效果变差，这时可以在读数据时采用滑动平均值数 字滤波，使效果得以改善，即加入所谓的后置滤波器。 a d 7 7 0 5 模数转换器以其优良的性能价格比和较高的分辨率，在小信号的采样中得 到很好的应用。 2 2 2 1 2a d 7 7 0 5 模数转换器引脚说明 a d 7 7 0 5 模数转换器的引脚图如下： v a d 7 7 0 5 t o p v l e w ( n o tt os c a l e ) g n d v d d d i n d o u t d r d y h l n 2 h r e fi n u r e fi n ( + 】 图2 5a d 7 7 0 5 模数转换器引脚图 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 表2 2a d 7 7 0 5 模数转换器的引脚说明 引脚名称说明 1s c l k 串行时钟，逻辑输入； 2 m c l ki n 器件的主时钟信号。可由晶振提供，也可由与c m o s 兼容 的时钟驱动，此时m c l k o u t 引脚悬空。无论采用哪一种时钟， 其频率必须是1 m h z 或2 4 5 7 6 m h z ； 3m c l ko u t 当器件的主时钟信号由晶振提供时，此引脚与m c l ki n 引 脚和晶振两引脚相连。如果m c l ki n 为外部时钟引脚， m c l k o u t b i 脚能提供个反向的时钟信号，供外电路使用： 4c s 片选信号，逻辑低有效 5 r e s e t逻辑输入，低电平有效。有效时，可将片内的控制逻 辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器以及模拟调制器复位 到上电状态； 6 、1 1 a i n 2 + 模拟输入，为片内第二个可编程增益放大器差动模拟输 a i n 2 入的正、负端； 7 、8a i n l + 模拟输入，为片内第一个可编程增益放大器差动模拟输 a i n l 入的正、负端； 9 、l o r e f i n ( + )参考输入，参考差动输入的正、负端。r e fi n ( + ) 可连 r e fn ( 一) 接在a v d d 与a g n d 之间，r e f i n ( 一) 必须小于e f i n ( + ) ： 1 2 d r d y逻辑输出。低电平表明来自a d 7 7 0 5 数据寄存器新的输出 字是有效的。当完成全部1 6 位的读操作时，此引脚变成高电 平。在输出更新期间，如果没有数据被读出，此引脚将持续 5 0 0 倍t c l ki n 时钟周期，然后返回到高电平。当d r d y 为高 时，能进行读操作，或者说，当数据正在更新时，应当避免 从数据寄存器中读数。数据更新结束后，d r d y 将再次返回到 低电平： 一1 5 沈阳 ：业大学硕士学位论文 续表2 2a d 7 7 0 5 模数转换器的引脚说明 1 3d o u t 从片内输出移位寄存器中读出串行数据的串行输出端此 输出移位寄存器可含有来自设定寄存器、通讯寄存器或数据 寄存器的信息，具体是哪一个寄存器，取决于通讯寄存器中 的寄存器设定位； 1 4d i n 写到片内输入移位寄存器串行数据的串行输入端。此数 据是移到设定寄存器还是通讯寄存器，取决于通讯寄存器中 的寄存器设定位； 1 5d v d d 数字电源。正常隋况是+ 3 v 或+ 5 v ； 1 6d g n d 数字地。 2 2 2 1 3 寄存器及采样格式 a d 7 7 0 5 片内有四个寄存器：通信寄存器、设置寄存器、时钟寄存器和数据寄存 器。这些寄存器都是通过器件的串行口进行访问的。 通讯寄存器：是一个8 位寄存器，它负责管理通道的选择，决定下一个操作是读操 作还是写操作，以及下一次读或写哪一个寄存器。所有与器件的通信必须从写入通信寄 存器开始。 设置寄存器：8 位寄存器，决定校准模式、增益设置、单双极性输入以及缓冲模 式。 时钟寄存器：8 位寄存器，包括滤波选择位和时钟控制位。 数据寄存器：1 6 位寄存器，它包含了来自a d 7 7 0 5 最新的转换结果，即a d 转化数 据都是这个寄存器读出。 测试寄存器：测试器件时使用，建议用户不要使用。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 采样结果格式：a d 7 7 0 5 用于单端采样时的采出码为0 0 0 0 h f f f f h 之间的十六进制 数。采用双端采样时，采出的码是偏移的十六进制码，即输入信号为负时，采出的码在 0 0 0 0 h f f f f h 之间，且为0 0 0 0 h 为负的最大码；输入信号为正时，采出码在8 0 0 0 t t f f f f h 之间，也就是说双端采样采出码的正负分界线是8 0 0 0 h 。 2 221 3a d 7 7 0 5 模数转换嚣在本设计中的硬件连接 a d 7 7 0 5 转换器可以方便地同具有s p i ( 串行外围接口) 接口的单片机和微处理器配合 使用，也可以方便地与5 1 系列单片机口与口的相连。 在我国使用最普遍的是m c s 5 1 系列单片机，m c s 5 1 系列单片机虽然有串行口，但使 用起来仍不如具有s p i 接口的单片机那样方便，然而，它有较强的位处理功能，可以用 口线模仿时钟和时序信号，因此同样可以使用a d 7 7 0 5 。 图2 6 为a d 7 7 0 5 在本设计中与m c s 一5 1 单片机的接线图。 图2 6a i ) 7 7 0 5 模数转换器在本设计中的硬件连接 图中p 3 7 与s c l k 引脚( 1 脚) 相连，作为数据传送时的时钟输入信号；p o 1 与 d i n 引脚( 1 4 脚) 相连，p o 0 与d o u t 引脚( 1 3 脚) 相连，以作为数据输入和输出口。 如果单片机的i o 口资源短缺，还可将这两脚( d i n 和d o u t ) 合并，并与一个i 0 连 接，如只与p 0 1 脚相连，而省下p o 0 脚。在a d 转换时，由软件来区分是读操作，还 1 7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 是写操作；p 3 2 ( i n t o ) 与d r d y 相连，当a d 转换结束后，d r d y 角向单片机发出中断 申请信号；片选信号c s 角与p 1 6 相接，在a d 转换前，p 1 6 置低，以选中a d 7 7 0 5 ； 复位信号r e s t 角与p 1 7 相连，这便于对a d 7 7 0 5 控制。当然这两个信号也可分别与地 和电源相连口】【3 】。 2 2 2 1 5a d 7 7 0 5 模数转换器在本设计中的软件设计1 9 i 由文献 9 可得a d 7 7 0 5 模数转换器的读、写时序图： 图2 7a d 7 7 0 5 模数转换器读周期时序图 图2 8a d 7 7 0 5 模数转换器写周期时序图 1 8 沈阳。l 业大学硕士学位论文 由a d 7 7 0 5 模数转换器的读、写时序图可以编制出a d 转换子程序框图 图2 9a d 7 7 0 5a d 转换框图 a d 7 7 0 5 的a d 转换具体程序见附录g 。 一1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 2 2 牵引力测算软件框图 图2 1 0 牵引力测算软件框图 2 2 2 3 牵引力测量控制部分设计 对继电器的控制，一般采用一个i 0 口对应一个继电器的点对点的控制方法。单片 机接收到复位信号后，i o 口也被复位。其