[導讀] 摘要：實時測量煤倉料位和自動控制儲煤量是煤礦自動化生產的重要環節。文章設計了基于超聲波發送、接收的測距模塊、低功耗MSP430 系列單片機的控制模塊和RS485 通信協議的通信模塊的超聲波料位計。其為完善煤倉料位監控系統創造了必要條件。
0 引言
隨著煤炭工業生產自動化程度的提高，大多數儲煤倉需要實時準確地測量其煤位變化和控制儲煤量。工業料位測量中，目前采用的料位計主要有超聲波式、電容式、重錘式、核輻射式等幾種。超聲波式以其可以做到不接觸、連續測量、長時工作及對人體無危害等諸多優點，非常適用于煤位測量。但就目前國內超聲波料位計而言，在穩定性和可靠性方面還不盡如人意，系統造價比較高，如要進行料位群測，則價格負擔更重。
為此筆者研制了一種智能超聲波料位計，它可以與上位機組成一種新型儲倉料位群測系統。該料位計采用9V 電池供電，同煤倉的若干料位計通過1 根電纜與上位機通信，減少了傳統超聲波料位計所需的大量供電和通信電纜、以及供電電壓在線路上的損耗。它還配備了一體化的超聲波發送、接收模塊和計算機遠程通信模塊，本身具有智能處理裝置，可針對各種復雜的應用現場，設置不同的環境參數，適應能力強。
1 超聲波料位計的研制
1 . 1 工作原理
采用超聲波脈沖反射接收法(又稱脈沖法)測距的原理，脈沖法測距原理如圖1 所示。已知聲波在空氣中的傳播速度為。，如被測煤倉深度為L ，煤倉料位為H ，超聲波換能器通過介質發射聲脈沖，聲波經一定時間可達被測料面，由料面反射的回波又經過同樣距離和時間回到聲源處，即聲波往返路程為料深的2 倍，測得聲波往返時間為t ，利用s=c· t / 2 ，即可算得料位計與反射點間的距離s。測量距離d=√[s2-(h/2)2]。傳感器采用分體收、發換能器，因收、發換能器間距非常接近，故有h≈0 , d= s=c· t / 2。
則煤倉料位：H=L-d=L- c· t / 2 (1)
1 . 2 超聲波料位計設計
料位計由低電壓、低功耗的單片機、超聲波發射電路、超聲波接收電路、串行接口電路、電池供電電路等組成，其組成框圖如圖2 所示。
圖2 料位計組成框圖超聲波發射、接收電路與單片機相連，單片機與串行接口相連。電池供電電路也為其它電路供電。
1 . 2 . 1 設計說明
超聲波換能器采用的是陶瓷的壓電效應。測量過程中，聲波信號由發送換能器發出，經物體表面反射后由接收換能器接收，測量聲波的整個運行時間，從而實現距離的測量。料位計所用換能器是最佳工作頻率為40 kHz 的陶瓷超聲波傳感器，適用于中程范圍測量，最大量程為30m ，在脈沖觸發模式下工作。該類傳感器適應性強，可在一40~90 ℃ 環境下正常工作，散射角最大為15°。鑒于聲速受溫度影響最大，為使測量更精確，測距數據處理過程采用溫度補償。
單片機驅動發送換能器發出12 個周期40 kHz的方波信號，接收換能器接收回聲信號。單片機MSP430 的定時器用于記數40 kHz 的晶振頻率，故時間測量的分辨率為25us，對于測量系統來說已足夠。石英晶振的測量時基非常穩定。接收換能器接收到的回聲信號經運算放大器放大后送給單片機的比較器，比較器接收到回聲信號立即觸發定時器的捕捉功能以獲得捕捉/比較寄存器中的記數值。捕獲的數值就是超聲波從料位計發送換能器發出運行到目標、再從目標返回接收換能器的測量時間。單片機利用這個時間計算出系統到目標的距離，得出煤倉中的料位高度，并將數據通過通信電纜傳輸至上位機。然后單片機CPU 進人睡眠模式以達到省電目的，由串行通信中斷信號喚醒CPU 重復下一個測量周期。
1 . 2 . 2 電路設計
圖3 為料位計的電氣原理圖。
MSP430F12X ( UI )是系統核心。MSP430 系列單片機為TI 公司FLASH 型16 位單片機，具有低電壓(工作電壓為1 . 8~3 . 6V )、超低功耗、處理能力強、工業級環境(一40~+85℃)下工作穩定、開發方便高效等性能。選擇40 kHz 晶振xl 作為和超聲波換能器的諧振頻率相匹配的低頻晶振。R12 是復位電路的上拉電阻，集成的省電電路自動進人省電狀態。C9用于MSP430 供電電源的解禍，它和供電線路應盡量接近。14 腳的雙列接頭(Jl ) 提供了1 個便于使用MSP430 閃存模擬工具在線調試和編程的接口。P2.0 口設置成輸出超聲波換能器要求的40 kHz方波ACLK 信號。
換能器輸出驅動電路由9V 電池直接供電，并提供18V 的電壓驅動換能器。該18V 的電壓由6 個反向器(U4 CD4049 )組成的橋路獲得。1 個反向器用來提供驅動器一側的180 。相移信號，另一側則由反向信號驅動。該設置使輸出電壓幅值加倍，這樣就可以推挽的方式提供給發送換能器18V 的電壓。2 個反向器并聯是為了每側都能提供足夠的電流以驅動換能器。電容C6 和C7 用來隔斷直流流人換能器。因為CD 4049 工作在9V ，而MSP430 上作電壓是3 . 6V ，在MSP43 。和輸出驅動電路之間有個邏輯電平不匹配的問題。在這2 種電平之間三極管Q1 充當邏輯電平轉換的角色。
U3 使用TI 的5 引腳的運算放大器TLV277I , 該放大器有高增益帶寬，提供40 kH ：高增益信號。TLV2771 設置成反向放大器狀態。R7 和RS 使得放大倍數為55 , C5 使高頻信號旁路，R3 和R4 偏置放大器的輸人到一個實際的中值，并提供給運算放大器的單輸人端，放大的超聲波信號在這個中值附近上下振動。接收換能器的高Q 值阻止了40 kHz 外的無效信號。運算放大器的輸出端連接到比較器A 的輸人端CA0 (端口引腳P2 . 3 )。比較器A 為MSP430 的內置模塊，它的對應引腳為P2 . 3 ，內部參考電壓設置為0.5Vcc 。沒有超聲波回聲信號時，CA0 的電平略低于CA1 的參考電壓;當接收到回聲信號時，電壓高于參考電壓并使比較器A 的輸出CAOUT 翻轉。R6 用于微調所需的靈敏度和優化測量范圍。
U5 為串行通信轉換芯片SN65HVDl0 ，工作電壓為3 . 3V 。單片機的串行通信口RXD 、TXD 與SN65HVD10 的R 、D 口相連，P2 . l 口與SN65HVDl0 的RE 、DE 口相連，通過標準通信協議RS485 接收上位機指令進行測量后，芯片SN65HVDl0 的B 、A 口發送數據給上位機。MSP430 和超聲波信號放大電路由9V 電池通過Tl 的電壓轉換芯片TPS7700l 提供3 . 6V 電源。電阻Rl 和R2 使芯片電壓輸出為3 . 6V 。Cl 和C2 是實現芯片正常功能所需的推薦電容值。發送驅動直接由9V 供電。開關Sl 是電源主開關。
1 . 2 . 3 軟件設計
運用MSP430 系列單片機豐富的片內資源和簡潔的內核指令，可編制出性能優良的源程序。裝置采用FLASH 型芯片MSP430F12X ，內有JTAG 調試接口.只需1 臺PC 機和1 個JTAG 調試器即可完成程序寫人。開發語言有匯編語言和C 語言。系統具有高效率性。MSP430 系列具有16 位RISC 結構，大量寄存器，較高的處理速度，可以編制出高效率的源代碼。
系統具有高實時性。系統初始化后將CPU置于省電模式，串行通信產生中斷喚醒程序。在中斷服務程序里驅動發送換能器發出12 個周期的40 kHz 方波信號，并允許定時器Timer-A 的捕捉中斷，同時定時器Timer-A 用于記數40 kH ：的晶振頻率。比較器A 接收到回聲信號觸發定時器Timer 一A 的捕捉功能以獲得捕捉/比較寄存器CCR1 中的記數值。單片機計算出系統到目標的距離，通過查預先設置在程序中的溫度和聲速關系的列表進行測量數據的溫度補償，得出料位的相關數據，并將數據通過通信電纜傳輸至上位機。然后MSP430 進入LMP3 睡眠模式，由串行通信中斷信號喚醒MSP430 重復下一個測量周期。系統具有高穩定性。如果晶體振蕩器在用作CPU 時鐘時發生故障，DCO 會自動啟動，程序中可將DCO 設置成40 kHz ，以保證系統正常工作。在程序中設置看門狗，一旦程序跑偏，可用看門狗將其復位。
1 . 3 儀器安裝
超聲波料位計的安裝，應注意在超聲波的傳播方向上，避免下料口，以及盡量避免倉內的建筑構件如扶梯鋼梁等，如確實無法避讓，可用記憶虛假回波方式記住這些阻擋物產生的回波，使其不影響物位的準確測量。
2 系統通信
煤倉料位監控系統由超聲波料位計和便攜式計算機組成。料位計和計算機的通信方式選擇了具有可靠性高、距離遠、通信速率較高、性能價格比高等優點的標準通信協議RS485 方式，在計算機和料位計間有RS485 / RS232 通信轉換裝置。若干只料位計接在同一根通信電纜上，便攜式計算機作為上位機給智能料位計順序發出測量指令，智能料位計順序返回測量計算的料位數據，計算機對數據分析整理，以實時計算和顯示各煤倉的料位，并根據料位情況發出指令控制給煤系統或排煤系統等。
3 結語
由于一體化的設計，該超聲波料位計體積小、密封性好，安裝和維護非常方便，結構及供電等設計均能滿足煤礦設備的本安防爆特性。
在孔莊礦的實驗證明：超聲波料位計測量精度較高，運行安全可靠、穩定有效。儀器的研制成功為選煤廠等煤礦企業實現自動檢測和生產計量管理現代化創造了條件。