磁斑传输胶带测速装置

磁斑传输胶带测速装置

贾伟璐王昭雷满清波方剑刚贾伟晶

（山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿261400）

现有的胶带测速技术利用滚轮旋转产生脉冲信号，当滚轮（或胶带）有打滑现象时，不能反应传输胶带的真实线速度。本文介绍一种新型非接触式胶带测速装置，姑且名曰“磁斑传输胶带测速装置”。

1传感器构成

本装置要求出厂的传输胶带进行一项改革，即在胶带的边沿每隔一定的距离（比如50mm）镶嵌一块“磁斑”，可用柔软且便于粘接的橡胶磁铁和铁磁胶制作。传感器为一开口铁芯，采用中频正弦波电源励磁；胶带边沿按照一定的几何规则镶嵌有“磁斑”，胶带通过磁靴之间运行，并且要求磁靴的长度要小于磁斑之间的中心距离。当磁斑正好处于磁靴之间时，由于磁靴之间的磁阻明显减小，铁芯中通过的磁通强度增大，导致信号线圈的输出电压增大；非磁斑区域通过磁靴时，输出信号虽然频率不变，但是其幅值相对要小。励磁和信号电压波形如图1所示，其中t0表示磁斑进入磁靴的时刻，可见信号电压的幅值明显增大了。

图1信号电压波形示意图

2电气原理

本装置电气原理如图2所示。图中时钟信号CP在两个电路中共用，它是由单片机编程输出的，其频率可程控。CD4018为可预置1/N计数器，将其反码输出端与反馈输入端DS连接，可实现1/10分频，U2和U3串联即可完成对CP时钟的1/100分频。查看CD4018的波形图可知，U3随着CP1计数脉冲由1—5逐个增加，—逐次由高电平翻转为低电平，在5—10计数阶段—则逐次由低电平翻转为高电平，输出端—的电压变化通过电阻R1?—R5的分压叠加，即可得到一个按正弦曲线分布的8次阶梯状电压Ur。MAX291是一种8阶低通巴特沃斯型开关电容滤波器，通过程控CP时钟的频率确定该滤波器的截止频率，截止频率可调范围为0.1Hz—25kHz,时钟频率和截止频率的比率是100:1,所以采用U2和U3进行1/100分频。阶梯电压Ur经过U4滤波之后，其输出电压接近标准正弦波，高次谐波基本消除。LM386常用为音频放大器，其频带宽度为300kHz，我们用之为中频功率放大器，以驱动传感器励磁线圈,适当调整电源电压VCC，输出功率可达3W。

图2信号处理电路

如图2所示，信号电压Ui亦采用MAX291滤波，并且采用同一个时钟控制，两个电路滤波芯片程序相同、时钟同步可以取得更好的滤波效果。滤波后的信号电压经U7A同相放大，即可得到的电压u2，应将其幅值调整为小于且接近5V。二极管D1将信号电压u2进行半波整流，得到的电压u3，这个电压送单片机内嵌的电压比较器进行比较，可在磁斑经过磁靴的时刻引发中断。U7B比较器对信号电压u2进行过零比较，将信号电压u2转变为幅值为5V的正负脉冲方波，经D2检波，得到脉冲信号u4,将u4连接单片机CCP0单元（Pin20）,以便在适当的时刻开启脉冲捕捉中断，探测脉冲频率。

3单片机配置

STC15W408AS为国产增强型8051单片机，1T（单时钟/机器周期），速度比普通8051快8-12倍；内嵌8kFlash程序存贮器,1kE2PROM可记录系统参数，512字节SRAM;支持ISP/IAP技术，无需编程器和仿真器。

此种单片机只有2个定时器/计数器，本系统中设置定时器Timer0工作在16位自动重装模式，对单片机系统时钟进行分频输出（PIN16），建议设置单片机主频为22.1184MHz,若设置寄存器(RL_TH0，RL_TLO)为65531（&HFFFB），则输出CP频率为2211.84kHz,励磁频率则为22.1184kHz。另一个定时器Timer2可用作单片机串口波特率发生器。

单片机内嵌一个高精度电压比较器，比较器翻转时可引发中断服务。该比较器正输入端（PIN9）连接电压u3，负输入端（PIN7）连接一个8位数字电位器MCP4010(U8)。U8只需要在调试阶段或装置上电时进行数值设定，可以先启用ADC7（PIN6）对u3电压关键区段进行模数转换，取得u3电压关键值，再借助P3.6和P3.7两管脚软件模拟SPI总线，来完成U8输出电压值UK的设置，即程控比较器阈值。参见图2，从t0时刻开始磁斑进入磁靴，u3电压立即升高，到t1时刻达到比较器阈值Uk，此时单片机发生比较器中断。在这个中断服务程序中，我们需要立即开启CCP/PCA116位软件定时器，来读取和记录（t1，t5）之间的时间间隔Δt。设单片机主频22.1184MHz,如果胶带运行速度小于1.4m/s，两个磁斑之间的时间间隔Δt≥35.55ms，则需要CCP/PCA1若干次中断服务来完成计时。显然，胶带线速度即为ΔL/Δt,比较器每中断1次，胶带通过ΔL距离。在比较器中断服务程序中，我们还可以开启CCP/PCA0（PIN20）通道为16位上升沿捕获模式来测量信号电压的频率，即在图2表示的t3和t4时刻发生PCA0捕捉中断，读取（t3，t4）之间的时间间隔即为信号电压的周期，这个周期和我们发出的CP时钟周期应正好相差100倍，据此可以判定装置收到的信号电压是否“合法”，否则进行报警处理。STC15W408AS单片机还有1路CCP/PCA2，我们也设置为16位软件定时器，以便系统定时进行各项例行任务。传统胶带测速装置采用比较复杂的机械结构，传感器直接与胶带摩擦接触，其主要部件处于旋转工作状态，容易损坏，安装维护困难。本装置采用新技术新材料，机械、电气结构简单，需要按一定几何规则在胶带边沿镶嵌“磁斑”，克服了传统测速装置摩擦滚轮打滑带来的负面影响，最大计量误差乃两个“磁斑”之间的距离ΔL，十分准确。