本文章介绍了一种电子皮带秤的设计方法：从其工作原理和电磁兼容性原理，并从电路设计、元器件选择与布局、PCB印刷电路板设计、电缆布线、主机箱屏蔽和软件抗电磁干扰等几方面详细阐述了电子皮带秤的电磁兼容性设计。
1 前言
目前，进行运输皮带上物流量动态检测的计量(或控制)设备主要是电子皮带秤和核子皮带秤，电子皮带秤由于其安装越来越方便，检测精度也越来越高，且不像核子秤存在核辐射等安全问题，因此，在冶金、矿山、化工、建材等领域有着广大市场。而在使用中影响其性能的主要因素有四个方面：传感器及其安装的机械结构特性、前置放大器的稳定性、连接电缆及电源的抗干扰性能、数据采集及显示系统的精度等。
传感器的机械安装结构总体来说有直接承力和非直接承力(通过杠杆作用间接承力)两种，随着称重传感器技术的发展，传感器精度不断提高，安装也很方便。因此，安装时，只需根据安装空间选择合适的机械结构和传感器型号，并根据皮带跑偏情况、皮带张力情况选择恰当的安装位置，就能够保证传感器检测的需要。 然而，影响电子皮带秤性能最关键的还是其使用环境的电磁特性及其自身所具有的电磁兼容性能力，它直接关系到电子皮带秤能否长期正常运行，计量秤的计量精度，控制器的控制特性等等，因此，电子皮带秤的电磁兼容性就成为衡量电子皮带秤好坏的一个重要标志。
2 电磁兼容性基本原理
电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility简称EMC)是指用电设备(或系统)在规定的电磁环境电平下，其设计水平或性能不因受其他设备产生的电磁辐射的干扰而降低能力，同时，它们自身所产生的电磁辐射也不应大于规定的极限电平，干扰其它用电设备或系统的正常运行。 电磁兼容性(EMC)是一门新兴的边缘科学，主要研究用电设备的电磁干扰(EMI)和抗干扰问题。随着社会的进步和发展，用电设备大幅增加，电磁干扰问题也就越来越严重，甚至影响到了人类自身的健康和安全，为此，世界各国都制订了相应的电磁兼容性标准，来控制用电设备的电磁辐射干扰和抗干扰能力，以达到用电设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠工作的目的。实践经验表明，各种电器和电子产品在设计及安装之初就进行电磁兼容性考虑，将可提高设备的开发效率，并节约大量的人力与物力。 电磁干扰发生的三要素是：干扰源；干扰能量传播的耦合路径；被干扰对象。所以控制干扰源的电磁辐射、切断或抑制电磁干扰的耦合通道、提高设备的抗干扰能力都是用电设备进行抗干扰的主要措施，也是电磁兼容设计研究的主要目标。
3 电子皮带秤硬件结构及工作原理
皮带秤的称重传感器(S型拉压传感器)的输出信号(0-20mV)经前置放大、V／F(电压／频率转换器LM331)转换成高频信号后，再用电缆传输到系统主板；高频信号经光电隔离(TLP521—2光电隔离器)后，由高频计数器统计出频率数据，再交由AT89C52单片机进行数字滤波、非线性校正、数据转换等处理，最后将转换结果送LED显示或转换成标准输出信号(4—20mA)供其它控制器仪表使用。 系统以AT89C52单片机作为中央处理单元，AT89C52是一款功能齐全的51系列兼容单片机，内含8K程序存储单元，512个RAM存储单元，因此，无需外扩程序存储器和RAM随机存储器，只需外扩一个可电擦除的参数存储器(93C46)即可工作。 系统具有累计量、瞬时量数码显示功能，数码显示器、键盘的驱动管理由8279芯片来完成。 系统配置的电源监控芯片(MAX813L)对CPU的工作进行实时监控，在欠压或过压、上电瞬间、自动复位信号、CPU程序飞跳死机时，看门狗功能输出复位信号，使系统复位。 电源模块转换输出5V、10V、±15V等直流电压，以提供CPU等芯片、传感器和运算放大器的电源需求。 电子皮带秤一般都用于电磁干扰比较严重的工业环境，从其结构来看，很容易受到电磁干扰的影响，因此，电子皮带秤设计时很有必要从硬件和软件两个方面分别进行EMC设计，以提高其EMC性能，扩展其使用范围。
4 硬件的抗电磁干扰设计
电子皮带秤硬件EMC性能决定了电子皮带秤的主要性能，因此，必须在设计过程中充分考虑硬件设计的EMC性能，以免设计不能满足现场EMC环境的需要，进而造成反复设计的人力、财力浪费。下面分别从电路设计、元器件选择与布局、PCB设计、主机箱的电磁屏蔽(ESD)等几个方面分别介绍电子皮带秤硬件的EMC设计。
4．1 皮带秤电路设计技术原则
电子皮带秤的所有功能均依靠电子线路来实现，因此，电路设计是EMC设计的一个重要方面，CPU可选用目前市场上性价比比较高的89C52单片机，避免了扩展存储电路引进干扰；CPU时钟电路单独分区布置，并紧靠CPU，还需充分考虑电磁屏蔽和高频滤波；前置放大板输出的高频信号经电缆传输到主机板后，先进行光电隔离和脉冲整形，再传给CPU处理；电路中的每一个芯片都必须考虑高频滤波处理，即每个芯片使用一个0．01uF的瓷片电容进行滤波；电源电路单独设计，电源进入各电路板时需用luF到470uF的电解电容进行滤波；电源变压器应设计静电屏蔽，除变压器壳体需接地外，屏蔽壳体也需可靠接地；模拟地和数字地分开布置，再接合处还要考虑滤波处理。
4．2 元器件选择与布局原则
电路设计好后，就需要考虑元件选择，元件选择时，应根据电路的功能及设备的EMC程度选择合适的、能够满足电磁兼容性要求的元器件，也就是要求元器件的频率响应特性远离基频；电阻、电容在使用中应尽量缩短引线长度，集成电路元件不要使用lC插座，以避免高频时产生寄生电感、电容，有条件的情况下尽量使用表贴元件；电路装配也须尽量满足电磁兼容的要求；电路应尽可能分组布置，如按使用电压种类、数字电路和模拟电路、高速电路和低速电路、使用电流大小、电路功能等分块布置，并按照电路流程安排各功能单元的位置，使布局更便于信号流通；应尽可能使功能相同的元件平行排列，便于PCB板布线、装焊、批量生产和减小元件间的分布参数；位于电路板边沿的元器件，离电路板边沿一般不应小于2mm；需要进行调节的元器件，如电位器、可调电感电容等的安装位置应根据电路板成品的安装位置而确定，以免成型后调节不便；发热元件应远离关键集成电路，敏感器件应远离时钟电路，电源线和地线须单独综合考虑等等，都是在元件布局中必须特别重视的。
4．3 印刷电路(PCB)板设计原则
印刷电路板的设计是在EMC设计中的另一重要方面，所有的电路设计都是靠PCB板的设计来实现的，电子皮带秤是由前置放大板、电源板、主机板等几块PCB板组成。 1)印刷电路板选择。印刷电路板尺寸应根据元器件布局、电路设计情况及电路板的安装位置来合理选择，尺寸应适中，且呈3:2或4:3的矩形状；尺寸过大，易造成布线过长而增加阻抗，引入噪声，成本也相应增加；尺寸过小，则元件布局紧密，散热不好，且易形成相互干扰；当成品板的尺寸太大时，应注意板的机械强度及安装固定方式； 印刷电路板的层面应综合考虑性价比，如果能通过很少的跳线就不需要增加层面的话，也可以使用适当的跳线，以节约成本。
2)印刷电路板布线。印刷电路板上的元器件都是靠板上的敷铜线按所设计的电路相互连接在一起的，因此，布线的成功与否直接影响到成品板的性能，特别是成品板的EMC性能。
(1)在布线之前，应根据所设计的电路对布线的走向有一个整体的概念，特别是多层板，对每一层的走线要事先划分走向，如：顶层线可选择尽量垂直走线，那么，下一层就可以选择尽量水平走线，这样，不但避免了上下层之间出现过长的平行走线而引入干扰，而且，可以减少过多的过孔，布线也相对较容易。
(2)走线宽度要视该线所流过的电流人小来确定，一般来说，敷铜厚度为0．05mm，宽度为1～15mm时，流过2A的电流，温度不会超过3℃ ，因此，在集成电路中，特别是在数字电路中，由于线路比较多，选线一般比较细，通常为0．02～0．5mm，当然，如果可能的话，走线线路应尽量宽。而导线间的间距主要视相邻线间的绝缘电阻和击穿电压来决定，同时还需考虑电路板的制作工艺条件，在允许的条件下应尽量宽。
(3)电源线和地线的走线宽度应≥1．5mm，并尽可能靠近，在整块板上尽量呈“井”字形分布，这样不但便于使分布电流平衡，而且，便于实现高速电路中的高频滤波。
(4)尽量避免大面积敷铜，否则，在受热时易引起铜箔膨胀脱落，在必要时可使用网格栅替代，并将其可靠接地，同时，也可将其用作信号线的线间隔离。
(5)布线时，走线应尽量做到短而粗，且走线要均匀。
(6)布线过程中，不要出现直角转角，以免在转角的内部边缘形成集中的电场，进而产生噪声干扰，因此，转角处均应设计成45。角的转角，且转角线长度应>13倍的走线宽度。
(7)焊盘中心孔应根据元器件引线直径分别设置，过大则容易造成虚焊，过小，则引线无法穿过焊盘焊接。
(8)多层板中的过孔不宜太多，应尽量设法避免，特别是在高速电路中，易引入分布电感和电容，必要时要保证并行走线的布线(如地址线和数据线)的过孔数目保持一致。
4．4 电缆线的电磁兼容性设计原则
电子线路的实现除了依靠PCB板外，还需要电缆线的连接来完成。电子皮带秤传感器与前置放大器之间、前置放大器与主机之间、主机与上位机之间(控制秤中) 和主机内部都需要通过电缆线来实现信号传递或电源传输，而电缆又是干扰引入的主要途径之一，因此，对电缆线布线应综合考虑，对于220V的交流电源线，使用普通电缆即可，而对于直流10V电源(传感器用)则可和传感器输出信号共用一根单点接地的4芯屏蔽电缆。在干扰比较大的环境中，信号屏蔽电缆还需使用金属软管或镀锌管进行屏蔽，并进行可靠接地，必要时，还可在屏蔽电缆的屏蔽层与公共地之间进行可靠滤波，特别是频率信号传输时；在布线时，信号电缆和低压电缆应避免与干扰大的电缆一起走线或捆扎。
4．5 主机箱的电磁兼容性设计原则
主机箱是电子皮带秤的人机交互通道，也是屏蔽电磁辐射，减少电磁干扰最有效的途径之一，机箱底板、机壳的结构材料和装配技术设计的好坏常常决定了电子皮带秤对不同EMC工作环境的适应程度。材料选用应根据仪器性能及使用环境决定，如屏蔽电场干扰，可选用铝、铜材料；屏蔽磁场干扰则使用高导磁率合金或铁磁材料；使用塑料壳体时可在其内表面涂喷屏蔽材料或注塑时掺入金属纤维。机壳的接缝、开口、穿透和底板与机壳的搭接等因素也会直接影响到EMC设计效果。
电子皮带秤机箱内部的走线也是影响EMC效果的因素之一，裸线走线应尽量短；不同的电子信号线(模拟、数字信号线或电源线)应分组捆扎走线；扁平电缆两信号线之间插接地线等等都是机箱布线时应充分考虑的。
另外，按钮、继电器、接触器等开关元件接通时会产生火花放电，必须用RC电路加以吸收，一般R取1～2KΩ，C取2．2～4．7uF即可。
5 电子皮带秤软件的电磁兼容性设计
称重软件的功能主要是：数据采集；数据处理；参数管理；数据显示、键盘管理和系统自身管理等功能。在EMC设计中应对数据处理及系统自身管理等方面予以充分考虑。
系统的看门狗功能，有助于系统出现死机时的自动恢复，提高了系统的运行可靠性。
信号在传感、放大、传输等过程中虽然进行了各种抗干扰处理，但难免还会有干扰信号侵入，软件的数据处理功能除了将采集到的数据通过非线性校正来消除硬件处理中的线性误差，并计算出瞬时量、累计量外，更重要的是要能够分辨出受干扰的异常数据，并进行滤波处理，因此，通过软件进行数字滤波来减小干扰，在EMC 设计中也是非常重要的。
数据滤波分为平均值法、滑动平均值法、加权平均法等等，最常用的是将采集到的数据剔除过大或过小的值再进行滑动平均，如果必要的话还可以通过加权平均，以提高皮带秤的精度和抗干扰能力，当然，设计时还需要充分考虑采样时间及皮带转速对滤波周期的影响，以免出现实时数据变化过快或迟滞等现象。
6 结论
由于在皮带秤系统设计中充分考虑了现场的EMC因素，并在电子皮带秤设计中采取了相应的措施，大大地提高了称重的精度、准确性和稳定性，因此，我厂生产的电子皮带秤配合深圳龙芯生产的皮带秤控制仪表在铜、铁、锰等金属矿山得到了很好的运用，具有较高的实用价值，值得广泛推广和应用。

本文源于网络转载，如有侵权，请联系删除