WH31型智能礦漿濃度儀的設(shè)計
摘要:礦石礦漿的濃度和細(xì)度是選礦時重要的參考指標(biāo)和判斷依據(jù)。在采礦應(yīng)用中,準(zhǔn)確及時地檢測出礦漿的濃度以及礦石的比重對后續(xù)的磨礦和浮選等一系列作業(yè)有著至關(guān)重要的意義。研制的WH31型智能礦漿濃度儀基于張力傳感器和C8051F351單片機(jī),應(yīng)用3.5英寸TFT_LCD顯示測量參數(shù),能夠同時測出礦漿濃度、細(xì)度以及礦石的比重,具有精度高、人機(jī)界面友好、操作方便、可以自動增益校準(zhǔn)的特點。適合在礦山現(xiàn)場或?qū)嶒炇沂褂?,也適用于冶金,化工,建筑等行業(yè)不溶固體(在水介質(zhì)中)濃度和細(xì)度的測定。
關(guān)鍵詞:張力傳感器;礦漿濃度;TFT_LCD;自動增益校準(zhǔn);C8051F351
0 引言
濕式選礦工藝過程都是在一定的礦漿濃度下進(jìn)行的,礦漿濃度對選礦工藝有重要影響,是選礦過程中需要經(jīng)常測試、調(diào)節(jié)和控制的重要參量。
本文研制的WH31型礦漿濃度測量儀是基于張力傳感器和C8051F351的智能測試系統(tǒng),主要具有如下功能:TFT實時顯示重量、濃度、細(xì)度和比重;增益自動校準(zhǔn);用戶輸入數(shù)據(jù)保存。
1 總體設(shè)計
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由傳感器和信號調(diào)理電路,C8051F351的接口電路,TFT_LCD顯示驅(qū)動電路三部分組成??傮w設(shè)計框圖如圖1所示。
6kg張力傳感器采集的電壓信號經(jīng)過高精度儀表放大器INA126放大后,送入單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得出物品的質(zhì)量,再結(jié)合數(shù)字鍵盤輸入的礦漿體積和礦石比重,即可計算出礦漿濃度,并在3.5英寸TFT_LCD上顯示。系統(tǒng)中的E2PROM(24LC64)用于存放增益系數(shù)、用戶輸入的體積和比重值。
2 硬件電路設(shè)計
WH31型礦漿濃度測量儀的主控芯片采用Siliconlabs公司的C8051F351單片機(jī),8 KB FLASH,256 BRAM+512 B的SRAM,內(nèi)置24位△-∑高精度ADC,內(nèi)核完全兼容Intel 8051。在該系統(tǒng)設(shè)計中,ADC采樣信號幾乎可以認(rèn)為是直流,對字輸出率也沒有很高的要求,故單片機(jī)內(nèi)部的24位△-∑高精度ADC是最佳選擇,實際只使用其16位,就可完全滿足測量精度的要求。
在一個電子產(chǎn)品中,電源的好壞往往對產(chǎn)品的性能起著決定性作用,一個好的電源系統(tǒng)是任何一個電子產(chǎn)品硬件設(shè)計人員都優(yōu)先著重考慮的問題。該系統(tǒng)設(shè)計使用蓄電池和交流同時供電,優(yōu)先選用交流。在整個電路系統(tǒng)中,需要3.3 V(數(shù)字電路部分)和19 V(TFT_LCD背光)電源,蓄電池供電的電壓實測為3.8~4.6 V,應(yīng)用AMS1117-3.3作為整機(jī)電路的穩(wěn)壓芯片,由于AMS1117-3.3正常工作的最小壓差是1 V,故在電源電壓低于4.3 V的情況下就不能得到很好的3.3 V電壓,雖然數(shù)字電路部分在低至2.7 V的情況下還可正常工作,但是電壓的稍微波動對傳感器和運放的影響卻是致命的。
在整個電源系統(tǒng)設(shè)計中花費時間和精力最多的是得到穩(wěn)定的3.3 V電壓給傳感器和運放供電。升壓是必不可少的部分,但一般升壓型DC-DC芯片都是開關(guān)型的,噪聲較大,為減小噪聲,在后級使用了線性降壓穩(wěn)壓芯片,即最終的“一升一降”的方法。升壓芯片采用SIPEX公司的SP6641AEK-5.0,將不太穩(wěn)定的電源電壓升至5 V,然后再使用線性降壓穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3將電壓穩(wěn)定在3.3 V。SP6641系列是SIPEX公司推出的一款性價比較高的、針對電池應(yīng)用的穩(wěn)壓芯片系列,此系列有多種規(guī)格的輸出電壓值和電流值,最低工作電壓為0.9 V,效率最高87%,最大輸出電流為1 A,具有關(guān)斷功能。基于后級的線性降壓穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3的效率考慮,采用了輸出電壓是5 V的SP6641AEK-5.0,將SP6641AEK-5.0的控制關(guān)斷引腳連接到單片機(jī)的P0_2口,用以待機(jī)模式下的關(guān)閉運放。其設(shè)計原理圖如圖2所示。
使用DC-DC升壓芯片MC33063產(chǎn)生19 V電壓來提供給TFT_LCD作為背光電源。MC33063是目前比較常用的背光升壓芯片,輸入電壓為3.0~40 V,輸出從1.25~40 V可調(diào),最大輸出電流為1.5 A,空閑電流典型值為35μA,工作頻率為100 Hz~100 kHz,具有關(guān)斷功能,具有溫度自動補(bǔ)償功能,僅用少量的外圍元件就可以實現(xiàn)升壓、降壓功能,且只需要改變兩個反饋電阻的取值比例就可以方便地改變輸出電壓,其設(shè)計原理圖如圖3所示。
MC33063的輸出電壓完全取決于R3和R4兩個電阻的比值,計算公式如下:
3 軟件設(shè)計
軟件采用Keil C51編寫,用JTAG在Keil uv3環(huán)境下在線仿真,設(shè)計總流程框圖如圖4所示。
軟件初始化部分包括對系統(tǒng)晶振、ADC、MCU端口、鍵盤、E2PROM等一系列的初始化操作,自檢正常后進(jìn)入到測量主菜單。在主菜單下通過各選擇按鍵進(jìn)入相應(yīng)的測量子菜單。在程序中設(shè)置一個菜單中轉(zhuǎn)站,可以有效防止由于程序各測量子菜單和測量主菜單之間的相互調(diào)用造成的內(nèi)存溢出而導(dǎo)致程序紊亂的現(xiàn)象。
濃度是通過測出的礦漿凈重以及手動輸入的體積和比重數(shù)據(jù)這三個物理量進(jìn)行計算而得到的。細(xì)度的值跟礦石的比重、篩前及篩后的濃度值有關(guān),在濃度菜單下可以用“校準(zhǔn)”鍵來標(biāo)記“篩前濃度”和“篩后濃度”,標(biāo)記完成后,程序計算出細(xì)度值,并自動跳轉(zhuǎn)到細(xì)度子菜單下顯示出細(xì)度值。比重測量與干料的質(zhì)量和體積有關(guān),系統(tǒng)可自動記憶并顯示出干料的質(zhì)量,通過計算可得到礦石的比重值。
自動增益校準(zhǔn)程序能夠保證該礦漿濃度測量儀在各種環(huán)境下的精度。校準(zhǔn)步驟非常簡單,用戶根據(jù)菜單提示,使用一個1 kg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼即可進(jìn)行校準(zhǔn),程序內(nèi)部自動計算出單位質(zhì)量下ADC的輸出值并儲存在E2PROM中,保證斷電后此增益值數(shù)據(jù)不丟失,下次開機(jī)后直接從E2PROM中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
4 結(jié)語
WH31型智能礦漿濃度儀的重量測量上限是6kg,精度為0.5g;濃度和細(xì)度測量范圍均為0.0~99.9%;比重測量范圍是1.00~9.99,精度為0.005。用1 kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行校準(zhǔn)后,使用蒸餾水進(jìn)行驗證,結(jié)果測出蒸餾水比重為1.00,濃度為0.0%。帶樣機(jī)去陜西馬鞍山金礦選礦廠的現(xiàn)場進(jìn)行實際測量,并與用戶原來的其他測量方法得到的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行比對驗證,證明各項測量參數(shù)準(zhǔn)確、整機(jī)性能穩(wěn)定可靠、操作簡便快捷。