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。