旋風預熱器教研平臺的設計與實現(xiàn)

1、旋風預熱器教研平臺的設計與實現(xiàn)0 引言 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(zhuǎn)窯高溫尾氣來加熱水泥生料，兼有預熱分解，提高產(chǎn)品質(zhì)量與節(jié)能環(huán)保諸多功效。旋風預熱器空間內(nèi)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12。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(gòu)造出一個完整、開放的教研平臺。整個系統(tǒng)0 引言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(zhuǎn)窯高溫尾氣來加熱水泥生料，兼有預熱分解，提高產(chǎn)品質(zhì)量與節(jié)能環(huán)保諸多功效。旋風預熱

2、器空間內(nèi)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12。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(gòu)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(diào)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(shù)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(diào)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

3、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(diào)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(nèi)并在存儲器內(nèi)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(shù)電路相配合來觸發(fā)可控硅控制電機轉(zhuǎn)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(shù)起點基

4、本在本科生能力范圍內(nèi)。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、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(nèi)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

5、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(qū)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(nèi)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(nèi)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TX

6、D/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。23 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，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

7、行計數(shù)。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(guān)斷的數(shù)值對應為0。顯然若希望可控硅

8、從角開始導通，則計數(shù)器需要計*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(zhuǎn)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(qū)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(qū)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(zhuǎn)數(shù)進而得到預設的

9、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(shù)上主要使用VB的Ms Comm控件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

10、存入后清空其節(jié)點內(nèi)容為串口程序?qū)懭胄碌纳蟼鲾?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(nèi)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(guān)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4 相關(guān)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)設計工作等。同學們普遍反映通過參與該平臺的相關(guān)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(jié) 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