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旋風(fēng)預(yù)熱器是由旋風(fēng)筒和連接管道組成的熱交換器，廣泛應(yīng)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(yù)熱分解，提高產(chǎn)品質(zhì)量與節(jié)能環(huán)保諸多功效。旋風(fēng)預(yù)熱器空間內(nèi)存在復(fù)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。我們截取實際工程中的五級旋風(fēng)筒的第一級原型按比例縮小，并針對綜合教學(xué)實踐和科研的需要做了一些改進(jìn)，構(gòu)造出一個完整、開放的教研平臺。整個系統(tǒng)由旋風(fēng)預(yù)熱筒設(shè)備、單片機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)速風(fēng)機(jī)及電加熱等執(zhí)行裝置及其上位機(jī)管理系統(tǒng)組成，本文對其各組成部分的軟硬件設(shè)計實現(xiàn)進(jìn)行了闡述，對其技術(shù)特點(diǎn)做了詳細(xì)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(fēng)預(yù)熱筒設(shè)備、單片機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)速風(fēng)機(jī)及電加熱等執(zhí)行裝置及其上位機(jī)管理系統(tǒng)組成。旋風(fēng)預(yù)熱設(shè)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(fēng)預(yù)熱筒一致。整個設(shè)備由透明有機(jī)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(fēng)機(jī)出口通過風(fēng)管與錐形底部連接，同時在風(fēng)管處設(shè)有電加絲。這些系統(tǒng)中的電信號都接入單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)控制系統(tǒng)是旋風(fēng)預(yù)熱教研平臺的核心，其硬件框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)硬件框圖 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(jī)。同時上位機(jī)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(jī)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(shè)計平臺時所采用的軟硬件技術(shù)起點(diǎn)基本在本科生能力范圍內(nèi)。 2 單片機(jī)控制系統(tǒng) 2.1 ADuC841外圍電路設(shè)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(fēng)筒內(nèi)的溫度，壓力、空氣流量等信號進(jìn)行實時檢測、并將數(shù)據(jù)與上傳PC機(jī)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(jìn)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(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(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)，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。 圖2 ADUC841的外圍接線圖 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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)同步的脈沖序列，作為可控硅的同步信號，送可預(yù)置計數(shù)器CD4516 的預(yù)置端PE。 系統(tǒng)中采用兩片CD4516級聯(lián)組成的8位二進(jìn)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(yīng)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(dǎo)通的數(shù)值對應(yīng)為 FFH(十進(jìn)制數(shù)255)；使可控硅關(guān)斷的數(shù)值對應(yīng)為0。顯然若希望可控硅從θ角開始導(dǎo)通，則計數(shù)器需要計θ*256/180取整個脈沖。 AT89C2052 接收到上位機(jī)從串口傳來的控制信號(0-255對應(yīng)期望導(dǎo)通角 ), 將其轉(zhuǎn)化為一個八位二進(jìn)制數(shù)后通過其P1口分送到兩個CD4516的預(yù)置數(shù)端。正弦波過零點(diǎn)時，同步的脈沖為1輸入到CD4516 的預(yù)置端PE，將預(yù)置數(shù)值寫入 CD4516。正弦波過零點(diǎn)后，同步的脈沖為0，CD4516開始脈沖計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)值時它的 CO端輸出負(fù)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(dǎo)通可控硅來驅(qū)動電機(jī)。這樣通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通角對風(fēng)機(jī)的輸入電壓進(jìn)行了控制，從而得到不同的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)進(jìn)而得到預(yù)設(shè)的風(fēng)量。 3 上位機(jī)管理系統(tǒng) 上位機(jī)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)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(diǎn)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(yīng)ComEvReceive事件中將單片機(jī)傳來數(shù)據(jù)的寫入環(huán)形鏈表(節(jié)點(diǎn)同時標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)行示意圖。通過合理設(shè)置環(huán)形鏈表節(jié)點(diǎn)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(yùn)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(shè)置端口數(shù)據(jù)，顯示感興趣的信號數(shù)據(jù)并對風(fēng)機(jī)等裝置進(jìn)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(zhǔn)備數(shù)據(jù)寫入 圖3環(huán)形鏈表運(yùn)行示意圖 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(shè)計和正在進(jìn)行的有：傳感器數(shù)值顯示和保護(hù)電路、串口改USB口通訊軟硬件設(shè)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(xué)生接合該平臺進(jìn)行研究來完成碩士論文，進(jìn)行流量溫度tpye2型模糊控制系統(tǒng)、基于ARM的旋風(fēng)預(yù)熱器觸摸屏人機(jī)界面系統(tǒng)設(shè)計工作等。同學(xué)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(xué)知識的理解，易于掌握所學(xué)技能。 5 結(jié) 論 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在：基于現(xiàn)場工程對象，經(jīng)過簡化革新設(shè)計自制出旋風(fēng)預(yù)熱器教研平臺。整個系統(tǒng)涵蓋數(shù)據(jù)采集，控制調(diào)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(jié)果表明，其上進(jìn)行探索性的綜合性開放試驗，較之傳統(tǒng)教學(xué)的驗證性試驗，能更好地培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力和實踐能力。同時由于模型的不明確性和復(fù)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(fù)雜對象的控制策略研究。 |
