三、系统总体设计

1．重锤料位计原理

重锤料位计由一次侧传感设备（以下称一次仪表）和二次侧控制仪表（以下称二次仪表）构成。一次仪表主要由可逆电机、减速器、灵敏杠杆、行程开关和霍尔开关、滑轮（内嵌永磁体）、重锤和钢丝绳等组成。一次仪表安装在料仓顶部，由二次仪表对其传感器信号进行检测，并对其电机施加控制，如图1-4所示。

重锤料位计的探测过程：二次仪表发出启动测量信号，给出电动机正转信号，经减速后带动绕线筒转动，使钢丝绳下放，带动重锤由仓顶下降。当重锤降至料面时被料面托起而失重，钢丝绳松弛，灵敏杠杆动作使微动开关接触，二次仪表得到该信号立即发出电机反转命令，重锤上升返回，直到重锤上升到接近原点处，触发霍尔开关，电机停转，重锤回到仓顶原点位置，完成一次探测过程。

料位高度与各参数的关系如图1-5所示。

料位高度计算公式如下：

料位高度=料仓高度-重锤行程+（安装高度-料仓高度）

空高距离=料仓高度-料位高度

在此测量过程中，重锤下放过程会通过钢丝绳带动一次表绕线轴转动，绕线轴镶嵌有永磁体，会触发霍尔元件产生脉冲序列，二次仪表通过检测此脉冲序列个数，计算出重锤从仓底到料面间的距离，经过上面公式的转换，计算出料位高度并在液晶屏上显示，同时在后面板端子上输出与料位高度对应的标准电流信号，如图1-6所示。

2．系统构成

二次仪表微处理器采用了51内核单片机（STC89C58），由程序控制传感器的整个探测过程的动作并检测其信号，进行计算，在面板上通过12864液晶屏显示料位高度数值和空高距离数值，以光柱形式显示高度比例，并有相应的4～20mA模拟电流信号输出，测量可定时自动进行，也可手动测量。系统构成如图1-7所示。

3．设计思路

（1）单片机信号采集和处理模块。单片机信号采集和处理模块主要完成对一次仪表所有传感器信号的采集和处理，并控制电机的运行和停止，驱动液晶屏显示等。微控制器芯片采用STC89C58单片机，其内部程序存储器（Flash）可达32kB, E2PROM达29kB，内置看门狗电路，可以满足项目设计要求。

（2）标准电流信号发生模块。物料高度除了在液晶显示器上显示，还需要转换成4～20mA电流信号送给监控室。4～20mA电流信号是仪表常用的对外输出标准电流信号，本二次仪表采用Analog Device公司的AD558和AD694芯片组成标准电流信号发生模块。AD558是一片8位D/A转换芯片，电压输出8位数模转换器，集成输出放大器、完全微处理器接口和精密基准电压源；AD694为专用的4～20mA单芯片电流发射器。该电路具有高精度、高线性度的特点。它具有输入缓冲放大器、U/I转换电路、4mA电流偏置及其选通和微调电路、参考电压电路、输入量程选择端、开路和越限报警输出端，功能很强，使用时不接或只接很少的外部元件，广泛应用于过程控制和工业自动化仪表中。

（3）电机多级互锁保护。电机在单片机的控制下工作，正转时下放重锤，反转时收回重锤。如果单片机给出的控制逻辑永远正确，则不会出现问题。可是如果单片机由于不可测因素给出了错误控制信号，比如在电机正转时，错误地给出了反转信号，则可能出现短路或者烧坏电机的情况。为避免此类故障发生，在本仪表设计中采用了软、硬件多级互锁保护，即在软件层面设计逻辑互锁控制，在硬件层面设计硬件联锁保护电路，从根本上保证电机正转时不会进入反转状态，反转时不会进入正转状态，避免系统上电冲击或误动作使得一次表电机主、副绕组同时带电造成电机发热损坏的不良后果，保证电机的绝对安全。

（4）显示电路。传统料位仪表主要是以数码管提供显示功能，显示内容受限制。本仪表采用LCM12864液晶屏模组作为显示器，以点阵式取模为主要驱动方式，不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、分区开窗口、反转、闪烁等功能。

（5）电源模块。为了提供稳定可靠的电源，同时降低产品体积，本仪表采用了+5V和+24V双路开关电源模块。该模块具有轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的特点，为产品的成功开发提供了稳定的电源保障。

（6）控制策略。如何通过一次仪表内的放锤到位行程开关和收锤到位霍尔开关这仅有的两个位置传感器信号，判断重锤是否出现丢锤、埋锤等故障状态，是对控制策略和程序设计的一个挑战。通过设计有限状态机（FSM）程序，解决了对重锤运行过程中可能出现的故障状态的监测、判断和处理过程。

（7）界面设计和多级菜单。为了提供良好的用户体验，在主界面中设计了动画、图标、公司标志、汉字、数字、光标等元素；菜单设计借鉴以人为本的设计理念，以多级菜单展现仪表提供的诸多功能，操作方便，简单易用，使用者甚至可以在不看说明书的情况下直接完成仪表的设置和测量工作。