0 引言

 

　　随着煤炭工业生产自动化程度的提高，大多数储煤仓需要实时准确地测量其煤位变化和控制储煤量。工业料位测量中，目前采用的料位计主要有超声波式、电容式、重锤式、核辐射式等几种。超声波式以其可以做到不接触、连续测量、长时工作及对人体无危害等诸多优点，非常适用于煤位测量。但就目前国内超声波料位计而言，在稳定性和可靠性方面还不尽如人意，系统造价比较高，如要进行料位群测，则价格负担更重。

 

　　为此笔者研制了一种智能超声波料位计，它可以与上位机组成一种新型储仓料位群测系统。该料位计采用9V 电池供电，同煤仓的若干料位计通过1 根电缆与上位机通信，减少了传统超声波料位计所需的大量供电和通信电缆、以及供电电压在线路上的损耗。它还配备了一体化的超声波发送、接收模块和计算机远程通信模块，本身具有智能处理装置，可针对各种复杂的应用现场，设置不同的环境参数，适应能力强。

 

　　1 超声波料位计的研制

 

　　1 . 1 工作原理

 

　　采用超声波脉冲反射接收法(又称脉冲法)测距的原理，脉冲法测距原理如图1 所示。已知声波在空气中的传播速度为。，如被测煤仓深度为L ，煤仓料位为H ，超声波换能器通过介质发射声脉冲，声波经一定时间可达被测料面，由料面反射的回波又经过同样距离和时间回到声源处，即声波往返路程为料深的2 倍，测得声波往返时间为t ，利用s=c· t / 2 ，即可算得料位计与反射点间的距离s。测量距离d=√[s2-(h/2)2]。传感器采用分体收、发换能器，因收、发换能器间距非常接近，故有h≈0 , d= s=c· t / 2。

 

　　则煤仓料位：H=L-d=L- c· t / 2 (1)

 

　　

 

 

 

 

　　1 . 2 超声波料位计设计

 

　　料位计由低电压、低功耗的单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、串行接口电路、电池供电电路等组成，其组成框图如图2 所示。

 

　　

 

 

 

 

　　图2 料位计组成框图超声波发射、接收电路与单片机相连，单片机与串行接口相连。电池供电电路也为其它电路供电。

 

1 . 2 . 1 设计说明

 

　　超声波换能器采用的是陶瓷的压电效应。测量过程中，声波信号由发送换能器发出，经物体表面反射后由接收换能器接收，测量声波的整个运行时间，从而实现距离的测量。料位计所用换能器是最佳工作频率为40 kHz 的陶瓷超声波传感器，适用于中程范围测量，最大量程为30m ，在脉冲触发模式下工作。该类传感器适应性强，可在一40~90 ℃ 环境下正常工作，散射角最大为15°。鉴于声速受温度影响最大，为使测量更精确，测距数据处理过程采用温度补偿。

 

　　单片机驱动发送换能器发出12 个周期40 kHz的方波信号，接收换能器接收回声信号。单片机MSP430 的定时器用于记数40 kHz 的晶振频率，故时间测量的分辨率为25us，对于测量系统来说已足够。石英晶振的测量时基非常稳定。接收换能器接收到的回声信号经运算放大器放大后送给单片机的比较器，比较器接收到回声信号立即触发定时器的捕捉功能以获得捕捉/比较寄存器中的记数值。捕获的数值就是超声波从料位计发送换能器发出运行到目标、再从目标返回接收换能器的测量时间。单片机利用这个时间计算出系统到目标的距离，得出煤仓中的料位高度，并将数据通过通信电缆传输至上位机。然后单片机CPU 进人睡眠模式以达到省电目的，由串行通信中断信号唤醒CPU 重复下一个测量周期。

 

　　1 . 2 . 2 电路设计

 

 

 

　　图3 为料位计的电气原理图。

 

 

 

　　MSP430F12X ( UI )是系统核心。MSP430 系列单片机为TI 公司FLASH 型16 位单片机，具有低电压(工作电压为1 . 8~3 . 6V )、超低功耗、处理能力强、工业级环境(一40~+85℃)下工作稳定、开发方便高效等性能。选择40 kHz 晶振xl 作为和超声波换能器的谐振频率相匹配的低频晶振。R12 是复位电路的上拉电阻，集成的省电电路自动进人省电状态。C9用于MSP430 供电电源的解祸，它和供电线路应尽量接近。14 脚的双列接头(Jl ) 提供了1 个便于使用MSP430 闪存模拟工具在线调试和编程的接口。P2.0 口设置成输出超声波换能器要求的40 kHz方波ACLK 信号。

 

　　换能器输出驱动电路由9V 电池直接供电，并提供18V 的电压驱动换能器。该18V 的电压由6 个反向器(U4 CD4049 )组成的桥路获得。1 个反向器用来提供驱动器一侧的180 。相移信号，另一侧则由反向信号驱动。该设置使输出电压幅值加倍，这样就可以推挽的方式提供给发送换能器18V 的电压。2 个反向器并联是为了每侧都能提供足够的电流以驱动换能器。电容C6 和C7 用来隔断直流流人换能器。因为CD 4049 工作在9V ，而MSP430 上作电压是3 . 6V ，在MSP43 。和输出驱动电路之间有个逻辑电平不匹配的问题。在这2 种电平之间三极管Q1 充当逻辑电平转换的角色。

 

　　U3 使用TI 的5 引脚的运算放大器TLV277I , 该放大器有高增益带宽，提供40 kH ：高增益信号。TLV2771 设置成反向放大器状态。R7 和RS 使得放大倍数为55 , C5 使高频信号旁路，R3 和R4 偏置放大器的输人到一个实际的中值，并提供给运算放大器的单输人端，放大的超声波信号在这个中值附近上下振动。接收换能器的高Q 值阻止了40 kHz 外的无效信号。运算放大器的输出端连接到比较器A 的输人端CA0 (端口引脚P2 . 3 )。比较器A 为MSP430 的内置模块，它的对应引脚为P2 . 3 ，内部参考电压设置为0.5Vcc 。没有超声波回声信号时，CA0 的电平略低于CA1 的参考电压;当接收到回声信号时，电压高于参考电压并使比较器A 的输出CAOUT 翻转。R6 用于微调所需的灵敏度和优化测量范围。

 

　　U5 为串行通信转换芯片SN65HVDl0 ，工作电压为3 . 3V 。单片机的串行通信口RXD 、TXD 与SN65HVD10 的R 、D 口相连，P2 . l 口与SN65HVDl0 的RE 、DE 口相连，通过标准通信协议RS485 接收上位机指令进行测量后，芯片SN65HVDl0 的B 、A 口发送数据给上位机。MSP430 和超声波信号放大电路由9V 电池通过Tl 的电压转换芯片TPS7700l 提供3 . 6V 电源。电阻Rl 和R2 使芯片电压输出为3 . 6V 。Cl 和C2 是实现芯片正常功能所需的推荐电容值。发送驱动直接由9V 供电。开关Sl 是电源主开关。

 

　　1 . 2 . 3 软件设计

 

　　运用MSP430 系列单片机丰富的片内资源和简洁的内核指令，可编制出性能优良的源程序。装置采用FLASH 型芯片MSP430F12X ，内有JTAG 调试接口.只需1 台PC 机和1 个JTAG 调试器即可完成程序写人。开发语言有汇编语言和C 语言。系统具有高效率性。MSP430 系列具有16 位RISC 结构，大量寄存器，较高的处理速度，可以编制出高效率的源代码。

 

　　系统具有高实时性。系统初始化后将CPU置于省电模式，串行通信产生中断唤醒程序。在中断服务程序里驱动发送换能器发出12 个周期的40 kHz 方波信号，并允许定时器Timer-A 的捕捉中断，同时定时器Timer-A 用于记数40 kH ：的晶振频率。比较器A 接收到回声信号触发定时器Timer 一A 的捕捉功能以获得捕捉/比较寄存器CCR1 中的记数值。单片机计算出系统到目标的距离，通过查预先设置在程序中的温度和声速关系的列表进行测量数据的温度补偿，得出料位的相关数据，并将数据通过通信电缆传输至上位机。然后MSP430 进入LMP3 睡眠模式，由串行通信中断信号唤醒MSP430 重复下一个测量周期。系统具有高稳定性。如果晶体振荡器在用作CPU 时钟时发生故障，DCO 会自动启动，程序中可将DCO 设置成40 kHz ，以保证系统正常工作。在程序中设置看门狗，一旦程序跑偏，可用看门狗将其复位。

 

1 . 3 仪器安装

 

　　超声波料位计的安装，应注意在超声波的传播方向上，避免下料口，以及尽量避免仓内的建筑构件如扶梯钢梁等，如确实无法避让，可用记忆虚假回波方式记住这些阻挡物产生的回波，使其不影响物位的准确测量。

 

　　2 系统通信

 

　　煤仓料位监控系统由超声波料位计和便携式计算机组成。料位计和计算机的通信方式选择了具有可靠性高、距离远、通信速率较高、性能价格比高等优点的标准通信协议RS485 方式，在计算机和料位计间有RS485 / RS232 通信转换装置。若干只料位计接在同一根通信电缆上，便携式计算机作为上位机给智能料位计顺序发出测量指令，智能料位计顺序返回测量计算的料位数据，计算机对数据分析整理，以实时计算和显示各煤仓的料位，并根据料位情况发出指令控制给煤系统或排煤系统等。

 

　　3 结语

 

　　由于一体化的设计，该超声波料位计体积小、密封性好，安装和维护非常方便，结构及供电等设计均能满足煤矿设备的本安防爆特性。

 

　　在孔庄矿的实验证明：超声波料位计测量精度较高，运行安全可靠、稳定有效。仪器的研制成功为选煤厂等煤矿企业实现自动检测和生产计量管理现代化创造了条件。