CN2779365Y - 适于矿井产量检测的低功耗智能动态电子吊秤 - Google Patents

Abstract

适于矿井产量检测的低功耗智能动态电子吊秤，它包括设置在秤体外壳(8)内的加速度传感器(3)、RF无线数传模块(4)、高度计单元电路(6)、拉式称重传感器(7)、电池(8)、中央处理器(10)、电源管理控制电路(11)以及A/D采样电路(12)；所述加速度传感器的信号输出端接入中央处理器内部A/D转换器的相应输入接口，高度计单元电路的数字接口接入中央处理器的SP工口线，拉式称重传感器的信号输出端接入A/D采样电路的模拟输入端，A/D采样电路通过数字接口与中央处理器连接，RF无线数传模块的输入接口与连接中央处理器的I/O口相连接，电池接入电源管理控制电路，电源管理控制电路的输出端分别接入拉式称重传感器、中央处理器和RF无线数传模块的相应输入接口；拉式称重传感器的上、下两端装有吊环。

Description

适于矿井产量检测的低功耗智能动态电子吊秤

技术领域

本实用新型属于动态电子称重设备，具体说是涉及一种适于矿井产量检测的低功耗智能动态电子吊秤。该电子吊秤特别适用于作为矿山开采业立式矿井产量的自动检测计量装置，也可用于生产加工、贸易等行业的物品计量。

背景技术

目前，应用于矿山开采行业的矿井产量计量方式和产品主要分两大类：一类是以罐笼(煤斗)提升电机工作电流的大小作为测量依据的电子产品，此类产品的测量误差大约为30％，实际使用中多采用计数不计量方式结合定量煤斗由人工计算出产量；第二类采用电子称重传感器及仪表的常规或非常规衡器及检测系统，依据其计量原理及安装部位的不同细分为二小类：其一为采用皮带秤或核子秤的计量方式，主要适用于大型矿井或矿井类型为斜井的生产企业，其主要特点是计量精度高、设备投资大、安装复杂、维护工作量大等。其二是一种最新形式的动态轴重称量设备，原理类似于动态电子轨道衡、汽车衡，主要技术特点为通过安装于矿井天轮轴座下面的一对称重台板构成的称重台面，将罐笼(煤斗)、提升钢绳、天轮等的总重信号采集出来，描绘其重量变化曲线然后用计算机进行跟踪、分析、计算，求出单次提升(或投入)的煤产量(或物料投入量)，周而复始实现连续地动态检测。产品特点是检测精度较高，自动检测、自动计算、无须人工干预，缺点是安装、调试复杂；矿井井架多为非标设计的安装结构方式，决定了该产品不利于批量化工业生产制造；安装使用后存在较大的安全隐患，且不利于井架设施的保养、维护；使用一段时期后性能下降，精度变差；现场检定不方便，也不利于标校。此种产品目前主要应用于税务部门或国土资源等行政部门对煤矿企业产量的实时监测方面，并以监测的产量数据作为征收税款或资源开采费的重要评估依据。

发明内容

本实用新型的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种计量精度高、便于安装调试、长期工作稳定可靠、综合成本低、利于批量化生产制造、可替代现行的矿产检测计量方式的适于矿井产量检测的低功耗智能动态电子吊秤。

本实用新型的目的可通过下述措施来实现：

本实用新型适于矿井产量检测的低功耗智能动态电子吊秤包括设置在秤体外壳内的加速度传感器、RF无线数传模块、高度计单元电路、拉式称重传感器、电池、中央处理器、电源管理控制电路以及A/D采样电路；所述加速度传感器的信号输出端接入中央处理器内部A/D转换器的相应输入接口，高度计单元电路的数字接口接入中央处理器的SPI口线，拉式称重传感器的信号输出端接入A/D采样电路的模拟输入端，A/D采样电路通过数字接口与中央处理器连接，RF无线数传模块的输入接口与连接中央处理器的I/O口相连接，电池接入电源管理控制电路，电源管理控制电路的输出端分别接入拉式称重传感器、中央处理器和RF无线数传模块的相应输入接口；拉式称重传感器的上、下两端通过连接件各安装一吊环。

本实用新型的核心设计思想是无线动态电子吊秤、软硬件电源管理技术、垂向高度定位技术的有机结合。将一般吊秤方案的中央处理器内嵌至吊秤体内，使其具备仪表的计算处理功能，依据垂向高度定位单元的信息判断提煤容器在矿井中竖直运动时的位置，控制称重传感器、A/D等前向单元电路进行重量信号的采集计算，或将计算结果在其处于井口附近时通过RF无线数传模块发送出去，由位于井口上方的接收仪表接收、存储、传输。在整个工作过程中，中央处理器适时的控制各单元电路工作或休眠，实现电能的充分利用大幅降低平均电流，实现低功耗设计，如采用单一10AH/3.6V电池组可24小时制长时间连续工作，最长工作时间可达1～2个月。

本实用新型的工作原理是：中央处理器通过定时唤醒的方式周期性的读取高度传感器单元的信号量值，选择在提升(或下降)过程的中间匀速阶段的某一高度位置附近(该参数由调试时设定)控制A/D电路进行重量信号采集，加速度传感器主要用来选定相对比较匀速的有效采样值或对采样后的重量数据进行补偿计算，从而获得类似静态称量的高精度值。当采集到有效的重量数据后，中央处理器依靠不断刷新的高度位置信息，控制RF无线数传模块在运动至井口附近时将数据发送出去，以便在有效的传输距离内由接收仪表可靠接收。电源管理单元负责称重传感器、RF无线数传模块、高度传感器与加速度传感器单元电路的电源供给工作，由中央处理器在周期性的唤醒工作状态下协调按序工作及关闭，实现电能充分做有用功的低功耗设计。本实用新型的设计要点有以下几个方面：1、选用低电压低功耗元器件或模块，以获得较低的峰值电流消耗。2、各单元电路依据高度位置信息周期性的工作或关闭，中央处理器自身也周期性的休眠和唤醒，从而获得较低的平均电流消耗。3、称重传感器采用间断性供电工作方式，有别于一般民用或工业用称重设备，此种方式保证设备制造、调试、使用环节中，在相同条件下进行标定及称量，可消除或降低传感器自身因温漂和时漂带来的精度影响。该方式在大型测力机构或军工产品中多有应用。4、电池组选用高能量密度大容量自放电率小的电池组，内部封装限流电阻做到本安设计。5、称重传感器及传力机械结构件按照极限安全参数达到500％的要求选用，保证安全性。6、高效冗余的软件设计，使得系统可靠工作，并适应因季节及天气变化导致的大气压强波动带来的影响。

本实用新型是由具备极低功耗和智能状态判断特点的吊秤和接收仪表组成，可完成状态判断、电能高效管理、重量数据采集、计算处理等工作，并将结果通过RF无线通讯单元传至接收仪表，实现矿井产量的连续动态检测，自动计算、存储、传输，无需人工干预。另外，由于本实用新型采用先进的电源管理技术及低功耗设计，使用单一电池组可长期连续工作，维护工作量少；检测精度高；易安装调试；长期工作稳定可靠；无安全隐患；可标准化批量生产制造、周期短；综合成本低。这些特点，使其非常适合用于具有产量监测性质的系统中，如：无线远程矿业产量监测网络系统。

附图说明

图1是本实用新型的系统原理图。

图2是本实用新型的结构安装图。

图3是本实用新型中电子吊秤的电路原理框图。

图4是与实用新型中电子吊秤配套使用的接受仪表的电路原理框图。

图5是本实用新型电子吊秤的电路原理图。

图6是本实用新型的主程序流程图。

具体实施方式

本实用新型以下将结合实施例(附图)进一步描述：

如图1、图2所述，A单元为无线动态电子吊秤，安装连接于提升绞车钢索和罐笼(煤斗)之间，随其作垂直往复运动并在不同的运动状态下，完成内部电路控制、各信息量检测、数据处理、运动方向判断、位置判断、数据传输等工作。B单元为接收仪表，安装于井口上方的井架上，用于接收吊秤发送的称量数据并存储；具备数据远传功能；设有键盘及显示电路，可实现吊秤的标定、调试等功能。C单元为远端管理仪表或远程计算机数据中心，具备数据存储、查询统计、报表打印功能，可与接收仪表进行有线或无线连接，构成网络系统。

B、C单元是本实用新型的附属性设备或管理平台，基本上为通用电子电路或计算机系统，在此不做赘述。

如图2所示，图中1为钢索吊环，7为拉式称重传感器，8为吊秤外壳，三者及其附件组成吊秤的支撑及传力结构件，完成力的传递和力-电转换任务；2为天线，3为加速度传感器，4为RF无线数传模块，9为高能大容量电池组，5为中央处理器电路板，以上各部分组成低功耗智能吊秤A；13为井架天轮，14为有绞车牵引的提升钢索，15为井架，16为盛煤容器罐笼(煤斗)，四者属于矿井生产设施。吊秤上端吊环绑扎有提升钢索14，下端吊环挂接罐笼(煤斗)16。

如图3所示，本实用新型的电子吊秤A包括设置在秤体外壳8内的加速度传感器3、RF无线数传模块4、高度计单元电路6、拉式称重传感器7、电池8、中央处理器10、电源管理控制电路11以及A/D采样电路12；加速度传感器3的信号输出端接入MCU10的内部A/D转换器输入口ADC1；高度计单元电路6的数字接口直连MCU10的SPI口线，其工作所需的32768Hz方波时钟由MCU10的PWM端口OC1B通过软件控制提供；拉式称重传感器7的输出信号经R3、R4、C10、C11、C12进入A/D采样电路12的1通道模拟输入端，A/D采样电路12通过数字接口与MCU10连接，其工作所需的时钟有T2提供；拉式称重传感器7、A/D采样电路12的模拟部分、加速度传感器3的工作电压由电源管理控制电路11供给，并受MCU10的控制；电源管理控制电路11的另一路为MCU10、A/D采样电路12的数字部分、高度计单元电路6以及RF无线数传模块4提供工作电源，且MCU10通过数字接口由程序控制A/D采样电路12、高度计单元电路6、RF无线数传模块4按需进入工作与待机模式，以利节能；RF无线数传模块4的输入接口直接连接MCU10的I/O口，并经天线2完成数据收发工作；电池8接入电源管理控制电路11为系统电路提供能源；拉式称重传感器7的上、下两端通过连接件各安装一吊环1。

如图4所示，接收仪表B由天线20，RF无线数传模块21，单片机(MCU)22，数据传输接口23，大容量存储器24，键盘及显示电路25，电源26组成。吊秤A发出的结果数据通过天线20进入RF无线数传模块21，并传送至单片机(MCU)22，并控制存入与其连接的大容量存储器24或通过数据传输接口23向远端传送，键盘及显示电路25经数字接口接入单片机(MCU)22，为调试工作提供人机界面，电源26为各部分电路提供电能。

如图5所示，电路中U1(型号为REG710-5)、U3(型号为REG711-3)是电荷泵式自动升降压高效(DC/DC)芯片可输出30-50mA电流，U2(型号为ATMEGA8L)为中央处理器，U4(型号为CS5550)为内含增益放大电路的A/D采样芯片，RF1(型号为PTR8500)为无线数传模块，Sensor1(型号为宁波柯力产NB系列)为拉式称重传感器，Sensor2(型号为SCA610-C28H1A)为单轴向加速度传感器，Sensor3(型号为AP8834)为集成一体化数字式气压传感器(高度计传感器)。其中U1为U4模拟部分、Sensor1、Sensor2提供恒定5V工作电压，受U2控制周期性工作与关闭；U3为U2、U4数字部分、Sensor3、RF1提供3V工作电压，始终处于工作状态，U2、U4、Sensor3、RF1由程序控制周期性工作或待机休眠；U2采用ATMEGA8L，在3MHz时钟3V电压下，正常工作电流3.6mA、空闲模式下1mA、掉电模式下0.5μA，I/O口可呈三态，内部有4路10位A/D转换器和PWM功能输出引脚；U4采用CS5550或CS5532高性能A/D转换器，平均工作电流≤3mA；RF1可选用PTR8500模块，其在3V电压下发射峰值电流≤15mA、接收状态12.5mA、掉电模式下2.5μA，半双工工作；Sensor1采用输入阻抗为700Q的称重传感器，工作电流约为7.2mA；Sensor2采用测量范围±2g以内、工作电压5V、全量程输出范围2.5±2V的单轴向加速度传感器，如SCA610、SCA220等，其峰值工作电流为4mA；Sensor3采用集成一体化数字式气压传感器AP8834做高度计用，峰值工作电流1mA、待机模式3.5μA。电路工作过程为：U2按照1.5S的定时周期自动地在工作与空闲模式间切换，当其唤醒时首先通过R1、R2构成的电池电量取样电路通过U2的ADC0口进行采样工作，若电池电压低则U2关闭外部电路进入掉电模式并保持，从而起到电池过放保护作用，若电池电压高则控制Sensor3进入工作状态，将读取到的高度位置信息与设定参数比较，依据比较结果通过拉高PD2口控制U1输出5V电压，使Sensor1、U4、Sensor2得电工作，由程序控制内部A/D转换器工作将Sensor2的输入信号经R5、R7分压后进行量化，然后程序控制U4进行重量信号的采样量化工作，完毕后关闭U1输出进行重量计算工作并暂存该值于内部RAM单元；或依据比较结果将有效重量值通过控制RF1发送出去；若比较结果既不是设定中间采样点也不是处于井口位置或虽处于井口位置但无数据要传送则U2关闭外电路后重新进入空闲休眠状态，如此周而复始的工作。U2唤醒工作期间，组合进行的高度位置信息采集、重量值采集、加速度值采集及其他控制工作等平均工作时间可控制在300ms以内，进行有效重量值无线传送工作时最大工作时间不超过100ms，但可多唤醒工作周期连续工作。图中L1、C9组成的滤波电路为U2内部的A/D转换电路提供模拟电源和基准；C22、L2、C21、C20等为RF1模块提供电源滤波；开关SW1由于功能设定或多机地址设定。

系统电路低功耗设计及工作电流估算说明如下：

矿井深度一般为数十至数百米不等，按最大提升(下降)频次每3分钟一次算，则日最大单次提升产量数据为480组，考虑异常情况处理及参数富裕实际数据发送次数按1000次/日，则RF无线数传模块每秒平均消耗电流为1000×15/(24×60×60)≈18μA；中央处理器U2周期性工作与休眠比例为1∶4，则Sensor1和2每秒平均消耗电流为(7.2+4)/5≈2.3mA@5V折合4.2mA@3V；U2、U4、Sensor3每秒平均消耗电流为(3.6-1+3+1)/5+1+3.5μA≈1.4mA；考虑其他杂散消耗取裕度系数为1.2可估算系统电路平均工作电流为(18μA+4.2mA+1.4mA)×1.2≈6.8mA@3V。

Claims (1)

1、一种适于矿井产量检测的低功耗智能动态电子吊秤，其特征在于：它包括设置在秤体外壳(8)内的加速度传感器(3)、RF无线数传模块(4)、高度计单元电路(6)、拉式称重传感器(7)、电池(8)、中央处理器(10)、电源管理控制电路(11)以及A/D采样电路(12)；所述加速度传感器(3)的信号输出端接入中央处理器(10)内部A/D转换器的相应输入接口，高度计单元电路(6)的数字接口接入中央处理器(1)的SPI口线，拉式称重传感器(7)的信号输出端接入A/D采样电路(12)的模拟输入端，A/D采样电路(12)通过数字接口与中央处理器(10)连接，RF无线数传模块(4)的输入接口与连接中央处理器(10)的I/O口相连接，电池(8)接入电源管理控制电路(11)，电源管理控制电路(11)的输出端分别接入拉式称重传感器(7)、中央处理器(10)和RF无线数传模块(4)的相应输入接口；拉式称重传感器(7)的上、下两端通过连接件各安装一吊环(1)。

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