基于陣列式光電三極管的皮帶跑偏檢測技術研究與系統(tǒng)設計

李妍，朱亮，袁延強，李東波

(1.南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京210094;2.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京210094;3.南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094;4.南京三埃工控股份有限公司，江蘇南京211100)

隨著現代化工業(yè)生產的進步，工業(yè)原料、燃料的需求量以及其成本的迅速提高，皮帶運輸方式越來越受到重視，同時以高精度皮帶秤作為標準貿易結算方式越來越被普遍接受。但在鋼鐵煤炭等行業(yè)，高載高速重輸送存在一系列問題，其中經常出現的、較為危險的問題是皮帶的跑偏;同時皮帶的跑偏對皮帶秤的測量精度也有很大影響。因此，設計出一套能夠實時精確檢測出跑偏量、預測故障的系統(tǒng)還是具有重要的應用價值［1］。

傳統(tǒng)的非接觸式跑偏檢測采用的是PSD 或是CCD 傳感器。但PSD 對光源的照射強度很敏感，輸出信號也是非線性的［2］;CCD 傳感器驅動比較麻煩，輸出信號處理復雜，成本太高，所采用的光源要求也較為特殊，對工作環(huán)境要求高［3－4］。針對以上跑偏檢測問題，設計出一套基于陣列式近紅外光電三極管的跑偏檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定、性價比高的STC89C52 單片機作為下位機，使用RS485 現場總線進行通信。上位機軟件使用VB 進行開發(fā)［5－7］。

1 測量原理及系統(tǒng)組成

如圖1所示，垂直于皮帶運動方向、在皮帶下方與皮帶邊緣平行的平面上放置陣列光電三極管，安裝標定，調整使約一半光電三極管被皮帶覆蓋住，一半暴露在外面。測量跑偏時，點光源發(fā)出的近紅外光照射在皮帶及陣列光電三極管上，產生若干電壓信號;電壓信號經處理后變成數字信號并傳送給單片機;數字信號經單片機處理后得到跑偏數據。

圖1 測量原理立體圖

如圖2所示，將光電三極管錯開排列，形成光電三極管陣列，設計了3 排光電三極管陣列。

圖2 光電三極管陣列示意圖

序號1 ～(N +1)都代表著有編號的光電三極管，編號相鄰的光電三極管之間距離d 為1 mm，這樣既能保證一定的測量精度又能保證各個接受元件不會互相干擾影響。陰影為皮帶遮擋部分，皮帶跑偏的絕對位移為N·d(N 為恰好沒有被皮帶遮擋住的光電三極管序號，d 為序號相鄰光電三極管的間距)。單片機通過其I/O 口讀取光電三極管陣列的信號得到皮帶跑偏的絕對位移;再與初始自動標定距離x0比較得出皮帶的相對跑偏量(N·d－x0);最后將跑偏數據打包，通過RSM485 隔離收發(fā)器模塊經由RS485總線傳送給上位機。該方法測量范圍達0.5 m，精度能夠保證在1 mm，且對邊緣毛刺不敏感。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 光源與光電接受元件的選擇

考慮到現場檢測比較惡劣的環(huán)境因素，尤其是自然光對系統(tǒng)檢測的影響，使用波長為850 nm 近紅外光源以及相應的光電接受元件。紅外光源使用普通的點光源即可，光源合適放置后無需任何濾光處理。光電接受元件采用EVERLIGHT 公司的PT11-21C/L41/TR8 光電三極管，因為光電三極管在被光照射時產生的光電流相對于光電二極管會大很多，所以光電三極管更適合作為邏輯開關元件。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)硬件構成如圖3所示，檢測時被紅外光照射到的陣列式光電三極管產生的電壓信號經過信號預處理模塊轉換為5 V TTL 電平;陣列式光電三極管產生的電壓信號經由優(yōu)先編碼器級聯模塊輸出一個9 位的并行數據，并輸入到單片機的并行I/O 口中，交由單片機處理得到檢測數據;最后，跑偏數據通過通信模塊中的USB 接口模塊與現場調試設備通信連接，或者通過RS485 隔離收發(fā)模塊發(fā)送到RS485 總線上去。數字信號傳輸過程中，除了RS485 信外，均為5 V TTL 電平標準。

圖3 系統(tǒng)硬件構成圖

2.2.1 測量及信號處理電路

圖4 光電三極管測量單元

每個測量電路單元即信號預處理模塊主要由一個光電三極管和一個上拉電阻構成。如圖4所示，在測量時，若被皮帶遮擋沒有被紅外光照射，則光電三極管處于截止狀態(tài)，光電三極管的集電極即輸出OUT端電壓為高電平;若無皮帶遮擋被紅外光照射，則光電三極管產生較大的光電流，電阻R1產生較大分壓，使得OUT 端輸出電壓很小，即低電平。R1的阻值首先由理論推出其范圍，然后考慮到一年四季自然光中的近紅外光強度變化，在大量實驗的基礎上確定出了一個較理想的阻值，能夠有效地將光信號處理為5 V TTL 電平信號。

優(yōu)先編碼器級聯如圖5所示:首先將每8 個序號相鄰光電三極管測量單元的輸出量傳遞給一片優(yōu)先編碼器，編碼成3 位二進制數據，優(yōu)先編碼器使用的是TI 公司生產的SN74LS148 芯片［8］，然后使用“與”邏輯門對優(yōu)先編碼器的輸出進行組合級聯。此設計將每4 個相鄰優(yōu)先編碼器進行一組級聯，將4 個優(yōu)先編碼器的輸出邏輯組合為一個5 位的二進制數據以及1位信號標示端，“與”門采用的是TI 公司的SN74F21(四輸入)和SN74F08(兩輸入)芯片。

此外，讀取信號時，為了防止多個光電三極管信號的干擾混亂，準確識別臨界光電三極管，需要確定每個光電三極管輸出信號的優(yōu)先級?？紤]到優(yōu)先編碼器的輸入引腳所對應的光電三極管有一定優(yōu)先級以及優(yōu)先編碼器級聯后各優(yōu)先編碼器單元之間也有優(yōu)先級，通過級聯的方式，使得陣列式光電三極管中所有的光電三極管擁有了一個統(tǒng)一的優(yōu)先級，從而獲得N個光電三極管的輸出信號的二進制數據。

圖5 測量電路原理圖

2.2.2 單片機采集電路

陣列式光電三極管檢測到的信號經由信號處理模塊處理好后，以9 位并行的二進制數據輸入到單片機的I/O 口。單片機選擇STC89C52，該單片機可靠簡單，內部自帶硬件看門狗。單片機采集電路示意圖如圖6所示。

圖6 單片機采集電路示意圖

2.2.3 通信模塊

(1)USB 通信

該設計中USB 通信模塊主要是采用了PL2303 集成芯片。PL2303 是Prolific 公司生產的一種高度集成的RS232－USB 接口轉換器。該器件作為USB/RS232雙向轉換器，片內擁有USB1.1 收發(fā)器，5 V 轉3.3 V的穩(wěn)壓器，完全符合USB 規(guī)范2.0，完全兼容USB1.1 協(xié)議，一方面從調試設備接收USB 數據并將其轉換為RS232 信息流格式發(fā)送給外設;另一方面從RS232 外設接收數據轉換為USB 數據格式傳送回調試設備。通信時PL2303 芯片外接12 MHz 的晶振。其示意圖如圖7所示。

圖7 USB 通信示意圖

(2)RS485 總線通信

當若干個皮帶跑偏檢測系統(tǒng)同時工作時，上位機讀取各跑偏系統(tǒng)檢測數據需進行總線通信，此系統(tǒng)中采用RS485 總線。廣東致遠公司的RSM485 系列隔離收發(fā)器模塊集電源隔離、電氣隔離、RS485 接口芯片和總線保護器件于一身，方便嵌入用戶設備。為了電源的統(tǒng)一，設計中選擇了RSM485CHT 模塊，該模塊工作電壓為5 V，最高波特率為115 200 bps。其各引腳連接如圖8所示，CON 為發(fā)送、接受控制引腳，接單片機的一個I/O 口，該I/O 口低電平時為發(fā)送器工作狀態(tài)，高電平時為接收器工作狀態(tài)。信號可通過A、B 兩根雙絞線連接到RS485 總線。

圖8 RS485 通信電路原理圖

3 軟件設計

皮帶跑偏測量系統(tǒng)主要包括上位機軟件設計和下位機軟件設計二部分。

3.1 下位機程序設計

下位機程序是使用C 語言進行編程并通過Keil編譯器編譯生成HEX 文件，通過ISP 方式燒錄到單片機中。下位機程序流程圖如圖9所示。

圖9 下位機程序流程圖

下位機程序首先對單片機進行初始化，然后與PC 機建立通信;通信建立好后，當接受到上位機的“發(fā)送命令”時，調用中斷程序，通過讀取I/O 口采集數據;接著對跑偏信號進行剔除異值、均值化等數據處理;最后將數據打包通過串口發(fā)送給上位機，繼續(xù)等待下條命令。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件使用VB6.0 作為開發(fā)工具，其上位機程序流程如圖10所示。上位機程序主要實現以下功能:

(1)系統(tǒng)初始化設置。通信接口的設置，設置與下位機相匹配參數，保證上、下位機之間的通信;對測量參數進行初始標定。

(2)狀態(tài)監(jiān)測。實時顯示跑偏數據及其變化曲線，并在超出跑偏范圍時能提出警告。

(3)數據后處理。將跑偏的原始數據與標定進行比對，求出相對跑偏值等。

(4)數據存儲。將數據導入數據庫或保存為其他形式如Word 格式，以便數據查詢以及后續(xù)對因跑偏而引起的皮帶秤測量的誤差補償提供一定的數據參考。

圖10 上位機程序流程圖

3.2.1 數據庫

該系統(tǒng)使用的數據庫開發(fā)平臺是MS SQL Server 2005 數據庫，在數據庫中創(chuàng)建了一個數據表單，其以文件形式保存，數據文件的擴展名是MDF。表單中包括“跑偏距離”、 “跑偏相對距離”、 “數據序號”以及“采集時間”數據列，數據類型皆為“char”型。上位機每采集到一個數據，立刻導入到數據庫中，實時更新［9－10］。

3.2.2 數據采集界面

如圖11所示，這是跑偏測量系統(tǒng)上位機的簡易數據采集界面。

圖11 上位機數據采集界面

采用VB 開發(fā)界面能夠方便實現數據采集功能，界面簡潔、具有一定的友好度，方便與數據庫連接。如圖11所示，界面分為采集數據狀態(tài)區(qū)、參數設置區(qū)、數據顯示區(qū)。狀態(tài)區(qū)顯示當前采集到的跑偏量信息;設置區(qū)主要用來設置參數、保存路徑設置以及進行簡單的測量控制;數據顯示區(qū)主要是動態(tài)顯示數據記錄以前的跑偏曲線。

4 結論

現場的大量實驗數據證明:基于陣列式光電三極管的跑偏測量系統(tǒng)結構簡單、光源簡單，滿足皮帶跑偏的動態(tài)測量要求，測量范圍可滿足最大型號皮帶的跑偏范圍0.5 m，精度可達1 mm。該系統(tǒng)響應快，信號皆為數字信號，方便處理、傳輸，抗干擾性強，成本低。該系統(tǒng)的上位機人機交互界面友好，操作簡單，能夠適合相當惡劣的工作環(huán)境。

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