王 威,薛光周,王少軒,林本愛

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州 450052)

基于ME MS傳感器的振動(dòng)篩工況檢測(cè)技術(shù)研究

王 威,薛光周,王少軒,林本愛

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,河南鄭州 450052)

基于MEMS技術(shù)的 3軸加速度傳感器MMA7260Q,應(yīng)用飛思卡爾公司新型 S08AW60和智能數(shù)據(jù)處理技術(shù),研制出具有微型化、智能化、高集成度的振動(dòng)篩有載工況檢測(cè)裝置,可同時(shí)測(cè)量振動(dòng)篩任意位置的 X、Y、Z3軸加速度參數(shù),該裝置由振動(dòng)檢測(cè)電路、MCU核心單元、加速度信號(hào)預(yù)處理軟件和上位機(jī)顯示界面等組成,可以應(yīng)用于散粒體 (糧食)新型加工裝備的研究、設(shè)計(jì)和技改驗(yàn)收等.

振動(dòng)篩;MEMS;S08AW60

0 前言

在散粒體加工業(yè) (如糧食、煤炭、化工、塑料等)的生產(chǎn)線上,混合物料的分級(jí)和清理主要采用振動(dòng)篩,即利用振動(dòng)篩的多孔工作面,通過(guò)施加于篩面的周期性振動(dòng),使物料松散、分層、透篩、定向輸送,并將散粒體混合物料按粒度、質(zhì)量或比重等進(jìn)行分離[1].由于振動(dòng)篩對(duì)散粒體 (如谷物)的清理和分級(jí)作用是通過(guò)篩面的規(guī)律性運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的,因此篩面的運(yùn)動(dòng)狀況決定了清理和分級(jí)效果的好壞.傳統(tǒng)的振動(dòng)篩檢測(cè)裝置體積和質(zhì)量較大,甚至檢測(cè)裝置本身就會(huì)影響振動(dòng)篩的振動(dòng)工況,使測(cè)得的振動(dòng)數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確地反映振動(dòng)篩的運(yùn)行狀況.

作者研制了一臺(tái)小型、高集成度的智能型振動(dòng)篩工況檢測(cè)儀原理樣機(jī),并應(yīng)用于 TQLZ60＊150振動(dòng)篩的現(xiàn)場(chǎng)工況檢測(cè),效果良好.該技術(shù)可有效地檢測(cè)散粒體 (糧食)振動(dòng)篩的加速度、速度等工況,可顯示諸振動(dòng)參數(shù)的時(shí)域曲線,為振動(dòng)設(shè)備的生產(chǎn)、校驗(yàn)維修和研發(fā)提供技術(shù)數(shù)據(jù)支持.

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

振動(dòng)篩工況檢測(cè)儀由微控制器 S08AW60、加速度傳感器 MMA7260Q、TTL-EI A電平轉(zhuǎn)換電路和上位筆記本計(jì)算機(jī)等部分組成,如圖 1所示.

圖1 振動(dòng)篩工況檢測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)

振動(dòng)篩工況檢測(cè)儀的工作原理:檢測(cè)儀正常運(yùn)行時(shí),MMA7260Q加速度傳感器對(duì)振動(dòng)篩的工況 (3軸加速度)進(jìn)行采集,并通過(guò) MMA7260Q內(nèi)部的濾波、放大和溫度補(bǔ)償處理后,將振動(dòng)篩的 3軸加速度模擬信號(hào)通過(guò)接口傳送給微控制器(MCU),微控制器 S08AW60片上自帶 10位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊,它將振動(dòng)篩的 3軸加速度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為MCU能識(shí)別和處理的數(shù)字信號(hào),并對(duì)數(shù)字信號(hào)做進(jìn)一步的智能化處理,之后再經(jīng)過(guò)RS232串口將數(shù)據(jù)傳送給上位筆記本計(jì)算機(jī),在彩色 LCD屏幕上顯示振動(dòng)篩的 3軸加速度波形與數(shù)值.

2 振動(dòng)加速度檢測(cè)傳感器(MEMS)

微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)是 21世紀(jì)的朝陽(yáng)技術(shù),是新世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn),因?yàn)樗ㄟ^(guò)微型化和集成化構(gòu)建了新的工作原理、新的功能、新的材料、新的結(jié)構(gòu)、新的工藝,開辟了一個(gè)新的科學(xué)技術(shù)研究應(yīng)用領(lǐng)域,并迅速地被產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?MEMS正在工業(yè)過(guò)程控制、計(jì)算機(jī)、環(huán)境保護(hù)與檢測(cè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域迅速地推廣應(yīng)用[2].

作者選用的振動(dòng)篩 3軸加速度傳感器MMA7260Q是基于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)原理的新型傳感器,體積只有 6 mm ×6 mm ×1.45 mm,內(nèi)部由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理與控制電路、通訊接口和電源等部件組成,其內(nèi)部組成如圖 2所示,它將 3軸加速度信息的獲取、處理集成在一起,具有極高的智能化和可靠性水平.

MMA7260Q由美國(guó)飛思卡爾公司 (原摩托羅拉)生產(chǎn),是一款低成本微型硅半導(dǎo)體電容式加速度傳感器,具有 3軸加速度的檢測(cè)功能,提供 4個(gè)可選加速度量程 (1.5g/2g/4g/6g),能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z3軸同時(shí)測(cè)量[3].該傳感器體積和重量非常小,能夠很好地滿足本課題的技術(shù)要求.

圖2 MMA7260Q的內(nèi)部電路

3 微控制器 S08AW60

振動(dòng)篩工況檢測(cè)的主控制器采用飛思卡爾公司提供的 S08AW60.S08AW60是增強(qiáng)型 8位微控制器,擁有 62KB片上在線可編程 FLASH存儲(chǔ)器和 2 KB片上 RAM,具有模塊保護(hù)與安全選項(xiàng)功能,支持 2.7～5.5 V電源,其內(nèi)部集成了高性能模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)和串行通信模塊,具有很寬的工作溫度范圍 (-40～125℃),可適應(yīng)各類惡劣工況.該芯片可通過(guò)硬件調(diào)試器 (BDM)進(jìn)行在線編程及后臺(tái)調(diào)試,穩(wěn)定性高,調(diào)試方便.微控制器 S08AW60接口電路如圖 3所示.

圖3 微控制器 S08AW60模塊

4 軟件設(shè)計(jì)

振動(dòng)篩工況檢測(cè)裝置的軟件由兩大部分組成:S08AW60微控制器軟件和上位計(jì)算機(jī)軟件.

4.1 S08AW 60微控制器軟件

微控制器 S08AW60的編程軟件采用飛思卡爾公司專用開發(fā)軟件 CodeWarrior I DE 6.0,它可以在不同的操作系統(tǒng) (包括 W indows,Macintosh和Linux)下使用,而且在這些操作系統(tǒng)下的界面完全相同.振動(dòng)篩工況檢測(cè)裝置的微控制器軟件主要由 A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、時(shí)鐘標(biāo)定、串行通訊、溫度補(bǔ)償?shù)炔糠纸M成,限于篇幅,僅介紹微控制器的中斷服務(wù)程序.

微控制器的中斷服務(wù)程序有 3個(gè):A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序、SCI1接收中斷服務(wù)程序和 SCI1發(fā)送中斷服務(wù)程序.A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)加速度傳感器的模擬信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換,為MCU內(nèi)部運(yùn)算提供原始數(shù)字信息,其工作流程如圖 4所示,其中 WH-AD值 1、2、3為子程序編號(hào).SCI1接收中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的信息,而SCI1發(fā)送中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)向上位機(jī)發(fā)送MCU處理后的數(shù)據(jù).

4.2 上位機(jī)圖形顯示軟件

上位計(jì)算機(jī)波形顯示界面是利用 VB6.0集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)的.Visual Basic是美國(guó)微軟公司推出一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言.振動(dòng)篩工況檢測(cè)裝置的上位機(jī) VB軟件包括MSComm串行通信控件、圖形顯示程序、界面設(shè)置程序等模塊.

圖4 A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

振動(dòng)篩工況檢測(cè)裝置的試驗(yàn)平臺(tái)采用TQLZ60＊150振動(dòng)篩,是河南省郾漯糧食機(jī)械廠生產(chǎn)的一款激振往返式清理振動(dòng)篩,適用于原糧、制米、制粉、飲料、食品、加工等行業(yè)的散狀物料清理.振動(dòng)篩工況檢測(cè)裝置的安裝比較簡(jiǎn)單,可直接把加速度檢測(cè)模塊直接與待測(cè)部位的外部殼體固聯(lián),如圖 5所示.

圖5 振動(dòng)篩與加速度檢測(cè)裝置

振動(dòng)篩工況檢測(cè)儀對(duì)振動(dòng)篩 TQLZ60＊150進(jìn)行工況檢測(cè)時(shí),可同時(shí)獲得待測(cè)部位的 X、Y、Z 3軸加速度數(shù)據(jù),通過(guò)測(cè)試,可以驗(yàn)證振動(dòng)篩工作時(shí)的加速數(shù)據(jù)主要是在 Y軸和 Z軸方向,也就是谷物進(jìn)入振動(dòng)篩后,在振動(dòng)篩的作用下谷物向前移動(dòng)為主.X軸的加速度稍低,主要是為了使谷物向前運(yùn)動(dòng)時(shí)能向兩側(cè)攤開,便于提升雜質(zhì)清理效果,實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)與振動(dòng)篩設(shè)計(jì)初衷是一致的.

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì) TQLZ60＊150振動(dòng)篩的現(xiàn)場(chǎng)工況檢測(cè),作者研制的振動(dòng)篩工況檢測(cè)儀取得了較好的效果,可有效地檢測(cè)散粒體 (糧食)振動(dòng)篩的加速度、速度,并顯示振動(dòng)參數(shù)的時(shí)域曲線,為振動(dòng)設(shè)備的生產(chǎn)、維修和研發(fā)提供技術(shù)支持.在進(jìn)一步的研究中,擬采用無(wú)線通信模式完成振動(dòng)數(shù)據(jù)的傳遞,使之適用于全封閉的新型振動(dòng)篩的監(jiān)控和研發(fā),另外還可應(yīng)用 LABV IEW平臺(tái),配合虛擬儀器技術(shù)開發(fā)功能更加強(qiáng)大的智能型振動(dòng)篩現(xiàn)場(chǎng)工況檢測(cè)裝置.

[1] 賈成祥.農(nóng)場(chǎng)品加工機(jī)械使用與維修[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[2] 劉軍營(yíng),楮金奎,朱向榮,等.微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,17(1):107-110.

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[4] 童常根,郭曉宇,鄭玉冰.基于 DSP的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008,16(5):627-628,646.

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[6] 龔沛曾,楊志強(qiáng),陸慰民.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程 [M].北京:高等教育出版社,2007.

WORK COND ITI ON DETECTI ON TECHNOLOGY OF V I BRATING SCREEN BASED ON MEMS SENSOR

WANGWei,XUE Guang-zhou,WANG Shao-xuan,L IN Ben-ai
(School of Electrical Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

The paper developed a miniaturized,intelligent and high-integrity on-load work condition detection device of a vibrating screen based on the MEMS three-axis acceleration sensor(MMA7260Q),the novel S08AW60 and intelligent data processing technique of Freescale Semiconductor.The on-load work condition detection device could measure theX-axis,Y-axis andZ-axis acceleration parameters at any positions of the vibrating screen at the same ti me.The device consisted of a vibration detection circuit,anMCU,acceleration signal preprocessing software,a display on the upper computer and so on,and was applied to research,design,technique innovation,acceptance inspection and so on of the novel granularmaterial(grain)processing equipment.

vibrating screen;MEMS;MC9S08W60

TS203

B

1673-2383(2011)01-0070-04

2010-10-30

河南工業(yè)大學(xué)科研基金項(xiàng)目(08XPT001)

王威 (1957-),男,河南商丘人,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榍度胧接?jì)算機(jī)應(yīng)用、食品裝備機(jī)電集成及智能測(cè)控技術(shù).