旋風預熱器是由旋風筒和連接管道組成的熱交換器，廣泛應用于新型水泥生產(chǎn)工藝中。它利用水泥回轉窯高溫尾氣來加熱水泥生料，兼有預熱分解，提高產(chǎn)品質量與節(jié)能環(huán)保諸多功效。旋風預熱器空間內存在復雜的流體動力和熱交換過程，這使其成為一個很好的研究對象[1][2]。我們截取實際工程中的五級旋風筒的第一級原型按比例縮小，并針對綜合教學實踐和科研的需要做了一些改進，構造出一個完整、開放的教研平臺。整個系統(tǒng)由旋風預熱筒設備、單片機控制系統(tǒng)、調速風機及電加熱等執(zhí)行裝置及其上位機管理系統(tǒng)組成，本文對其各組成部分的軟硬件設計實現(xiàn)進行了闡述，對其技術特點做了詳細說明，最后給出了基于該平臺的若干教研成果。
1 教研平臺系統(tǒng)的組成
整個教研系統(tǒng)由旋風預熱筒設備、單片機控制系統(tǒng)、調速風機及電加熱等執(zhí)行裝置及其上位機管理系統(tǒng)組成。旋風預熱設備可近似視為底部為錐形，上部為圓柱形的連接體，與實際工程旋風預熱筒一致。整個設備由透明有機塑料制成便于試驗觀測，圓柱形管壁分層分布有諸多小孔，可將根據(jù)實驗需求可將各類傳感器裝配其上。調速風機出口通過風管與錐形底部連接，同時在風管處設有電加絲。這些系統(tǒng)中的電信號都接入單片機系統(tǒng)。單片機控制系統(tǒng)是旋風預熱教研平臺的核心，其硬件框圖如圖1所示。
大體數(shù)據(jù)流程為各類傳感器信號讀入到ADUC841內并在存儲器內暫存，同時將信息顯示在LCD上。然后通過串口上行將數(shù)據(jù)上傳到上位PC機。同時上位機將控制信息通過串口下行發(fā)送到AT89C051，它與同步、檢測、技術電路相配合來觸發(fā)可控硅控制電機轉速。
老師希望我們在平臺的制作過程中多多動手實踐，故在設計平臺時所采用的軟硬件技術起點基本在本科生能力范圍內。
500)this.style.width=500;" border="0" />
2 單片機控制系統(tǒng)
2.1 ADuC841外圍電路設計
整個系統(tǒng)由ADUC841微控制器 [3][4]、LCD顯示電路、DAC輸出電路、ADC采集電路、 RS232通信電路等組成。主要對旋風筒內的溫度，壓力、空氣流量等信號進行實時檢測、并將數(shù)據(jù)與上傳PC機的等功能。下圖為ADUC841的接線圖。從圖上可看到總線連接方案為：采用線選方式與高密度存儲芯片62256接駁，即 P0作為地址線時首先接到八進制三態(tài)鎖存器 74HC573再連接到 62256RAM的低8位地址線上， P2.0-P2.6直接與 62256RAM的高7位地址線相連，同時P2.7連接片選信號以實現(xiàn)其 0000H- 7FFFFH空間的訪問。與 LCD及其MAX485的接駁則采用全譯碼方式，P2口的4，5，6腳作地址線時接到 74LS138的ABC上，譯碼后用來控制液晶顯示器顯示與串口通訊。P0口的作數(shù)據(jù)線時直接和 RAM與LCD的數(shù)據(jù)線連接。
2.2信號采集放大電路
采用恒流源驅動，首先采用儀表放大器 AD620放大傳感器來的信號。四集成運放合一的 LM324，組成常規(guī)正向電壓放大和跟隨電路，用于檢測信號的放大、整形。由于 ADUC841內集成有12-bit的ADC缺省與P1端口連接，故將放大整形后的檢測信號直接連接到 P1口即實現(xiàn)了模擬量檢測信號的讀入。在單片機內將所采集的檢測信號變?yōu)閿?shù)字量并做若干量綱變化后，從其TXD/RXD口輸出。
其信號首先通過MAX232將TTL電平裝換為RS232電平，繼而通過系統(tǒng)串口與上位計算機間的串口相連。實現(xiàn)將所采集的各個傳感器的信號上傳到PC機，數(shù)字電源與模擬電源分別采用7805穩(wěn)壓并在輸出電容處并有發(fā)光二極管作為電源指示用。
500)this.style.width=500;" border="0" />
2．3 可控硅控制電路
可控硅控制板由三部分組成：1. 計數(shù)振蕩生成電路；2. 同步檢測電路；3. 可控硅控制電路。 計數(shù)振蕩生成電路采用16.384MHz 的有源晶振作為計數(shù)脈沖振蕩源，并用 74LS14 施密特觸發(fā)器對其進行整形[7]，經(jīng)計數(shù)器74LS90 十分頻和 CD4020六十四分頻后，得到頻率為
25.6kHz 的振蕩脈沖給 CD4516 的CP 端進行計數(shù)[7]。
同步檢測電路采用一個220V/15V的變壓器得到 15V 的交流電，然后對其進行全波整流，再通過光電耦合器TIL113 等組成的同步電路，得到與正弦信號的真實過零點同步的脈沖序列，作為可控硅的同步信號，送可預置計數(shù)器CD4516 的預置端PE。
系統(tǒng)中采用兩片CD4516級聯(lián)組成的8位二進制加法計數(shù)器對頻率為25.6kHz的振蕩脈
沖計數(shù)。由于計數(shù)脈沖頻率為 25.6kHz，因此理論上在 180度應該有 25600/(2*500)=256個計數(shù)脈沖；相位分辨率為 180/256=0.7度。這樣使可控硅全導通的數(shù)值對應為 FFH(十進制數(shù)255)；使可控硅關斷的數(shù)值對應為0。顯然若希望可控硅從θ角開始導通，則計數(shù)器需要計θ
*256/180取整個脈沖。
AT89C2052接收到上位機從串口傳來的控制信號(0-255對應期望導通角 ), 將其轉化為一個八位二進制數(shù)后通過其P1口分送到兩個CD4516的預置數(shù)端。正弦波過零點時，同步的脈沖為1輸入到 CD4516 的預置端PE，將預置數(shù)值寫入 CD4516。正弦波過零點后，同步的脈沖為0，CD4516開始脈沖計數(shù)。當計數(shù)到達預設值時它的 CO端輸出負脈沖，經(jīng)驅動器7407后送給光電耦合器MOC3020的腳2，來觸發(fā)可控硅 G極，導通可控硅來驅動電機。這樣通過控制雙向可控硅的導通角對風機的輸入電壓進行了控制，從而得到不同的電機轉數(shù)進而得到預設的風量。
3 上位機管理系統(tǒng)
上位機管理系統(tǒng)由前段界面與后臺數(shù)據(jù)庫組成常規(guī)C/S系統(tǒng)。同時包含有通訊處理程序通過串口與單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。
技術上主要使用VB的Ms Comm控件 [10]將上位機的控制指令發(fā)往 AT89c2051,同時將 ADU841送來的檢測數(shù)據(jù)信號讀入。此處的難點是串口通訊程序與數(shù)據(jù)庫存儲程序之間的配合，經(jīng)過多次測試后采用了環(huán)形鏈表緩沖區(qū)方案。即串口通訊程序在響應ComEvReceive事件[8]中將單片機傳來數(shù)據(jù)的寫入環(huán)形鏈表(節(jié)點同時標記時間戳)數(shù)據(jù)區(qū)尾部。同時定時器周期觸發(fā)存儲事件，通過ADO將環(huán)形鏈表數(shù)據(jù)區(qū)頭部一定數(shù)量的節(jié)點數(shù)據(jù)寫入到 SQL Server2000數(shù)據(jù)庫中的表，成功存入后清空其節(jié)點內容為串口程序寫入新的上傳數(shù)據(jù)騰出空間。見圖4環(huán)形鏈表運行示意圖。通過合理設置環(huán)形鏈表節(jié)點數(shù)、波特率和定時器事件間隔時間，使得在緩沖區(qū)內寫入和讀出清除兩種操作的平均吞吐率保持一致即可。這樣可以實現(xiàn)程序的高效運行，同時固定的緩沖儲存區(qū)的方案較動態(tài)數(shù)組開辟空間方案更加穩(wěn)定。
前端界面上用戶可直接選擇設置端口數(shù)據(jù)，顯示感興趣的信號數(shù)據(jù)并對風機等裝置進行控制。為了數(shù)據(jù)檢索顯示方便數(shù)據(jù)庫中分別建有不同測試信號的視圖和常規(guī)處理存儲過程。從而實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的顯示、回放和分析。
空數(shù)據(jù)區(qū)準備數(shù)據(jù)寫入
500)this.style.width=500;" border="0" />
4 相關教研成果
基于本教研平臺，已開展了多批次的開放性試驗。設計和正在進行的有：傳感器數(shù)值顯示和保護電路、串口改USB口通訊軟硬件設計及實現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)常規(guī)統(tǒng)計存儲過程實現(xiàn)等。同時亦有學生接合該平臺進行研究來完成碩士論文，進行流量溫度tpye2型模糊控制系統(tǒng)、基于ARM的旋風預熱器觸摸屏人機界面系統(tǒng)[5][6]設計工作等。同學們普遍反映通過參與該平臺的相關開放性試驗和研究，加深了對所學知識的理解，易于掌握所學技能。
5 結 論
本文作者創(chuàng)新點在：基于現(xiàn)場工程對象，經(jīng)過簡化革新設計自制出旋風預熱器教研平臺。整個系統(tǒng)涵蓋數(shù)據(jù)采集，控制調速、數(shù)據(jù)存儲分析等一個整套功能和流程，具有典型性和開放性。
實踐結果表明，其上進行探索性的綜合性開放試驗，較之傳統(tǒng)教學的驗證性試驗，能更好地培養(yǎng)了學生的綜合能力和實踐能力。同時由于模型的不明確性和復雜性，對于老師和研究生而言亦是一個很好的平臺去開展基于空間復雜對象的控制策略研究。
參考文獻
[1］池宏軍，陳理君 .基于ARM和μC/OS-II 的水泥回轉窯旋風預熱器控制系統(tǒng)設計 2008年1月
[2]傅建玲，趙磊 .基于ADuC841的水泥回轉窯旋風筒控制系統(tǒng)設計 2008年7月
[3］ADiC841 Datasheet．Analogy Devices，lnc．2003E．
[4］ADiC841 User's Manua1．Analogy Devices，lnc．2003[J]
[5]張愛平．LabVIEW入門與虛擬儀器 [M]．北京電子工業(yè)出版社． 2005．
[6]張熙，王曉峰．基于 labview的虛擬示波器的設計與實現(xiàn)［ J］．電子測試 .2007(6)：21—25．
[7]康華光．電子技術基礎 [M]．北京高等教育出版社， 1999
[8]Diane zak．Programming With Microsoft Visual Basic 6.0 [M]．電子工業(yè)出版社，2002
[9] Microchip．MAX038 2007 MicrochipTechnology Inc：32—41E ．
[10]姜靜波，李思忍等 . 海洋要素多通道實時采集系統(tǒng)的設計 [J]，微計算機信息，2009， 25-4：91-92
下載文檔
