楊艷慈+王娜

摘 要 文章介紹了一種以單片機(jī)為核心，采用鐵精粉品位能夠引起電感線圈電感值變化的原理研制的快速在線鐵精粉品位水分分析儀。該儀表成本低、性能穩(wěn)定，滿足了小型礦山企業(yè)鐵精粉生產(chǎn)過程在線檢測控制的要求。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；鐵精粉品味；傳感器

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）04-0020-02

我國作為鋼鐵大國，鐵精粉的生產(chǎn)卻較為落后。我國鐵精粉的生產(chǎn)企業(yè)分布較廣，大多規(guī)模較小，大部分選礦設(shè)備較為落后，生產(chǎn)過程不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，嚴(yán)重制約了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提高，主要原因是由于自動(dòng)在線檢測儀表的限制，而鐵精粉品位的在線測量分析問題較為突出。目前國內(nèi)鐵精粉的品位和水分測量，主要采用實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析方法，測量工序復(fù)雜、測量時(shí)間長、儀器成本和耗材高、儀器及附件體積大、且容易造成環(huán)境污染，無法實(shí)現(xiàn)在線測量。一部分大型企業(yè)裝備的鐵精粉品位在線測量分析儀器，系統(tǒng)復(fù)雜，投資巨大，進(jìn)口儀表的價(jià)格更是昂貴，國產(chǎn)儀表雖價(jià)格低些，但穩(wěn)定性較差，維護(hù)費(fèi)用高，均不適合小型企業(yè)使用。

針對選礦設(shè)備自動(dòng)控制的要求，急需開發(fā)符合我國企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉的鐵精粉品位在線分析儀表。本文介紹了一種以單片機(jī)為核心，低成本、性能穩(wěn)定的在線鐵精粉品位水分分析儀。

1 分析儀的測量原理

我們知道鐵精粉作為亞鐵磁性的鐵礦產(chǎn)品，磁鐵礦鐵精粉含有大量的Mn2+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e2+等磁性離子，它們既具有較高的介電常數(shù)，又有一定的磁化率，所以，在外磁場的作用下磁鐵礦鐵精粉能夠表現(xiàn)較強(qiáng)的磁化作用。鐵精粉含鐵量越高，則導(dǎo)磁性越強(qiáng)，換言之磁阻越低。那么受電流激勵(lì)的電感線圈在靠近鐵精粉樣品時(shí)電感會(huì)發(fā)生變化，鐵精粉品位越高電感越大。利用這個(gè)原理我們就能通過測量電感值測量出鐵精粉的品位。

電感線圈作為測量傳感器其結(jié)構(gòu)形狀直接關(guān)系著測量精度，應(yīng)根據(jù)分析儀采樣方法，盡可能選擇對樣品反映最靈敏的幾何形狀及結(jié)構(gòu)。電感線圈工作時(shí)，其自感電動(dòng)勢根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得：

ε=Ldi（t）/dt （1）

式中：ε為電感線圈的自感電動(dòng)勢；L為線圈的電感量；i（t）為電流。

這樣，在特定電流源激勵(lì)下電動(dòng)勢與線圈電感成正比，測量電動(dòng)勢的變化也就測量出了鐵精粉品味。

測量電感線圈制造完成后，利用市場購買的鐵精粉樣品，通過摻雜SiO2粉末的方式，改變鐵精粉品位，大量試驗(yàn)取得鐵精粉品位與電感電動(dòng)勢的對應(yīng)數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，在單片機(jī)軟件中實(shí)現(xiàn)品位測量計(jì)算編程。

2 分析儀的硬件原理框圖

在線鐵精粉品位水分分析儀由單片機(jī)AT89C51芯片作為本儀表中心，輔助下列外圍接口：鐵精粉品位傳感器測量接口電路、鐵精粉水分傳感器測量接口電路、儀表LCD顯示接口電路、打印接口電路、按鍵電路、看門狗和狀態(tài)指示電路接口等部分組成。圖1為鐵精粉品位水分分析儀原理框圖。

圖1 鐵精粉品位水分分析儀原理框

下面就各部分功能及組成分述如下。

2.1 單片機(jī)AT89C51芯片

作為儀表的核心完成下列功能：

1）測量鐵精粉品位傳感器電感量的變化（感應(yīng)電勢），根據(jù)電感-品位模型算法，計(jì)算出鐵精粉品位。

2）測量鐵精粉水分傳感器電路電勢變化，計(jì)算出鐵精粉水分。

3）接受按鍵設(shè)置調(diào)整指令，驅(qū)動(dòng)外部接口顯示、打印。

2.2 鐵精粉品位傳感器測量接口電路

該部分接口電路完成對鐵精粉品位傳感器的激勵(lì)，在傳感器線圈中產(chǎn)生隨鐵精粉品位的變化而改變的自感電勢，并完成對自感電勢測量。主要包括三角波震蕩電路、電流源激勵(lì)電路、電壓測量及A/D轉(zhuǎn)換電路。

具體工作過程如下：單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)低頻方波電壓信號(hào)，通過D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送給積分器，三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波電壓信號(hào)，經(jīng)V/I變換及功率放大后轉(zhuǎn)換成三角波電流信號(hào)，該信號(hào)為自感式鐵精粉品位電感傳感器的激勵(lì)信號(hào)，在其作用下，傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)電壓信號(hào)輸入傳感器測試電路，經(jīng)放大、相位變換后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。

2.3 鐵精粉水分傳感器測量接口電路

該部分接口電路由一片DHT11智能式濕度傳感器及一只5K上拉電阻構(gòu)成。

DHT11智能式濕度傳感器感受鐵精粉中的濕度變化轉(zhuǎn)變?yōu)闈穸刃盘?hào)，通過它的一條數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的數(shù)據(jù)接口相連，將采集到的濕度信號(hào)送入單片機(jī)；此信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，簡化了硬件電路，同時(shí)也簡化了軟件編程；DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

2.4 LCD顯示接口及微型打印機(jī)接口

顯示接口電路采用液晶顯示模塊LCD1602完成鐵精粉品味、水分以及故障代碼的顯示；微型打印機(jī)接口與單片機(jī)采用串口通訊方式。

2.5 看門狗、狀態(tài)指示電路

看門狗復(fù)位監(jiān)控模塊選用X25045可編程監(jiān)控E2PROM。它為AT89C51提供了安全運(yùn)行保護(hù)，在系統(tǒng)啟動(dòng)和工作電壓降到低于AT89C51的轉(zhuǎn)換電壓時(shí)發(fā)出復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位，在系統(tǒng)由于外界干擾或軟件的錯(cuò)誤執(zhí)行引起程序“飛掉”時(shí)，1.4 s后重新熱啟動(dòng)系統(tǒng)。狀態(tài)指示燈分別指示儀表工作狀態(tài)，品位傳感器、濕度傳感器的故障狀態(tài)。

3 分析儀軟件設(shè)計(jì)

分析儀主程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要有：初始化模塊、按鍵處理模塊、濕度采樣模塊、品位測量計(jì)算模塊等。主程序框圖如圖2。

4 結(jié)束語

本分析儀可測量鐵精粉的品位和水分，目前已有兩種形式的儀表：自動(dòng)在線形式和便攜式，核心采用單片機(jī)，具有快速方便，性能穩(wěn)定，測量精度高，成本低的特點(diǎn)，可以廣泛作為礦山鐵品位分析儀表，用于鐵精粉生產(chǎn)過程檢測分析和流程控制，節(jié)約分析時(shí)間和化學(xué)藥品費(fèi)用，保護(hù)環(huán)境。尤其適合我國礦山企業(yè)分布廣、規(guī)模小、礦石品位差的國情，如推廣應(yīng)用，定會(huì)創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

項(xiàng)目基金

2012年邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃研究項(xiàng)目《磁性物質(zhì)含量及鐵精粉品位水分在線快速分析儀》（課題批準(zhǔn)號(hào)：1221103082-5）。

參考文獻(xiàn)

[1]王麗杰，秦勇，周真，等.磁鐵礦鐵精粉品位傳感技術(shù)的研究[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，27（3）：375-377.

[2]曾云南.現(xiàn)代選礦過程在線品位分析儀的研究進(jìn)展（續(xù)）[J].有色設(shè)備，2008（6）：26-29.

作者簡介

楊艷慈（1967-），河北安平人，副教授，1989年7月畢業(yè)于河北科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，本科學(xué)歷，2006年獲得天津大學(xué)計(jì)算機(jī)碩士學(xué)位。endprint