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旋風(fēng)預熱器是由旋風(fēng)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(lái)加熱水泥生料，兼有預熱分解，提高產(chǎn)品質(zhì)量與節能環(huán)保諸多功效。旋風(fēng)預熱器空間內存在復雜的流體動(dòng)力和熱交換過(guò)程，這使其成為一個(gè)很好的研究對象。我們截取實(shí)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(shí)踐和科研的需要做了一些改進(jìn)，構造出一個(gè)完整、開(kāi)放的教研平臺。整個(gè)系統由旋風(fēng)預熱筒設備、單片機控制系統、調速風(fēng)機及電加熱等執行裝置及其上位機管理系統組成，本文對其各組成部分的軟硬件設計實(shí)現進(jìn)行了闡述，對其技術(shù)特點(diǎn)做了詳細說(shuō)明，最后給出了基于該平臺的若干教研成果。 1 教研平臺系統的組成 整個(gè)教研系統由旋風(fēng)預熱筒設備、單片機控制系統、調速風(fēng)機及電加熱等執行裝置及其上位機管理系統組成。旋風(fēng)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(shí)際工程旋風(fēng)預熱筒一致。整個(gè)設備由透明有機塑料制成便于試驗觀(guān)測，圓柱形管壁分層分布有諸多小孔，可將根據實(shí)驗需求可將各類(lèi)傳感器裝配其上。調速風(fēng)機出口通過(guò)風(fēng)管與錐形底部連接，同時(shí)在風(fēng)管處設有電加絲。這些系統中的電信號都接入單片機系統。單片機控制系統是旋風(fēng)預熱教研平臺的核心，其硬件框圖如圖1所示。 圖1 系統硬件框圖 大體數據流程為各類(lèi)傳感器信號讀入到ADUC841內并在存儲器內暫存，同時(shí)將信息顯示在LCD上。然后通過(guò)串口上行將數據上傳到上位PC機。同時(shí)上位機將控制信息通過(guò)串口下行發(fā)送到AT89C051，它與同步、檢測、技術(shù)電路相配合來(lái)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(guò)程中多多動(dòng)手實(shí)踐，故在設計平臺時(shí)所采用的軟硬件技術(shù)起點(diǎn)基本在本科生能力范圍內。 2 單片機控制系統 2.1 ADuC841外圍電路設計 整個(gè)系統由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)筒內的溫度，壓力、空氣流量等信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、并將數據與上傳PC機的等功能。下圖為ADUC841的接線(xiàn)圖。從圖上可看到總線(xiàn)連接方案為：采用線(xiàn)選方式與高密度存儲芯片62256接駁，即 P0作為地址線(xiàn)時(shí)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(xiàn)上， P2.0-P2.6直接與 62256RAM的高7位地址線(xiàn)相連，同時(shí)P2.7連接片選信號以實(shí)現其 0000H- 7FFFFH空間的訪(fǎng)問(wèn)。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(xiàn)時(shí)接到 74LS138的ABC上，譯碼后用來(lái)控制液晶顯示器顯示與串口通訊。P0口的作數據線(xiàn)時(shí)直接和 RAM與LCD的數據線(xiàn)連接。 2.2信號采集放大電路 采用恒流源驅動(dòng)，首先采用儀表放大器 AD620放大傳感器來(lái)的信號。四集成運放合一的 LM324，組成常規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(shí)現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)閿底至坎⒆鋈舾闪烤V變化后，從其TXD/RXD口輸出。 其信號首先通過(guò)MAX232將TTL電平裝換為RS232電平，繼而通過(guò)系統串口與上位計算機間的串口相連。實(shí)現將所采集的各個(gè)傳感器的信號上傳到PC機，數字電源與模擬電源分別采用7805穩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(xiàn)圖 2．3 可控硅控制電路 可控硅控制板由三部分組成：1. 計數振蕩生成電路；2. 同步檢測電路；3. 可控硅控制電路。 計數振蕩生成電路采用16.384MHz 的有源晶振作為計數脈沖振蕩源，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。 同步檢測電路采用一個(gè)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(guò)光電耦合器TIL113 等組成的同步電路，得到與正弦信號的真實(shí)過(guò)零點(diǎn)同步的脈沖序列，作為可控硅的同步信號，送可預置計數器CD4516 的預置端PE。 系統中采用兩片CD4516級聯(lián)組成的8位二進(jìn)制加法計數器對頻率為25.6kHz的振蕩脈沖計數。由于計數脈沖頻率為 25.6kHz，因此理論上在 180度應該有 25600/(2*500)=256個(gè)計數脈沖；相位分辨率為 180/256=0.7度。這樣使可控硅全導通的數值對應為 FFH(十進(jìn)制數255)；使可控硅關(guān)斷的數值對應為0。顯然若希望可控硅從θ角開(kāi)始導通，則計數器需要計θ*256/180取整個(gè)脈沖。 AT89C2052 接收到上位機從串口傳來(lái)的控制信號(0-255對應期望導通角 ), 將其轉化為一個(gè)八位二進(jìn)制數后通過(guò)其P1口分送到兩個(gè)CD4516的預置數端。正弦波過(guò)零點(diǎn)時(shí)，同步的脈沖為1輸入到CD4516 的預置端PE，將預置數值寫(xiě)入 CD4516。正弦波過(guò)零點(diǎn)后，同步的脈沖為0，CD4516開(kāi)始脈沖計數。當計數到達預設值時(shí)它的 CO端輸出負脈沖，經(jīng)驅動(dòng)器7407后送給光電耦合器MOC3020的腳2，來(lái)觸發(fā)可控硅 G極，導通可控硅來(lái)驅動(dòng)電機。這樣通過(guò)控制雙向可控硅的導通角對風(fēng)機的輸入電壓進(jìn)行了控制，從而得到不同的電機轉數進(jìn)而得到預設的風(fēng)量。 3 上位機管理系統 上位機管理系統由前段界面與后臺數據庫組成常規C/S系統。同時(shí)包含有通訊處理程序通過(guò)串口與單片機系統進(jìn)行數據交互。 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(shí)將 ADU841送來(lái)的檢測數據信號讀入。此處的難點(diǎn)是串口通訊程序與數據庫存儲程序之間的配合，經(jīng)過(guò)多次測試后采用了環(huán)形鏈表緩沖區方案。即串口通訊程序在響應ComEvReceive事件中將單片機傳來(lái)數據的寫(xiě)入環(huán)形鏈表(節點(diǎn)同時(shí)標記時(shí)間戳)數據區尾部。同時(shí)定時(shí)器周期觸發(fā)存儲事件，通過(guò)ADO將環(huán)形鏈表數據區頭部一定數量的節點(diǎn)數據寫(xiě)入到 SQL Server2000數據庫中的表，成功存入后清空其節點(diǎn)內容為串口程序寫(xiě)入新的上傳數據騰出空間。見(jiàn)圖4環(huán)形鏈表運行示意圖。通過(guò)合理設置環(huán)形鏈表節點(diǎn)數、波特率和定時(shí)器事件間隔時(shí)間，使得在緩沖區內寫(xiě)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(shí)現程序的高效運行，同時(shí)固定的緩沖儲存區的方案較動(dòng)態(tài)數組開(kāi)辟空間方案更加穩定。 前端界面上用戶(hù)可直接選擇設置端口數據，顯示感興趣的信號數據并對風(fēng)機等裝置進(jìn)行控制。為了數據檢索顯示方便數據庫中分別建有不同測試信號的視圖和常規處理存儲過(guò)程。從而實(shí)現相關(guān)數據的顯示、回放和分析。 空數據區準備數據寫(xiě)入 圖3環(huán)形鏈表運行示意圖 4 相關(guān)教研成果 基于本教研平臺，已開(kāi)展了多批次的開(kāi)放性試驗。設計和正在進(jìn)行的有：傳感器數值顯示和保護電路、串口改USB口通訊軟硬件設計及實(shí)現，數據庫數據常規統計存儲過(guò)程實(shí)現等。同時(shí)亦有學(xué)生接合該平臺進(jìn)行研究來(lái)完成碩士論文，進(jìn)行流量溫度tpye2型模糊控制系統、基于ARM的旋風(fēng)預熱器觸摸屏人機界面系統設計工作等。同學(xué)們普遍反映通過(guò)參與該平臺的相關(guān)開(kāi)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 論 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)在：基于現場(chǎng)工程對象，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化革新設計自制出旋風(fēng)預熱器教研平臺。整個(gè)系統涵蓋數據采集，控制調速、數據存儲分析等一個(gè)整套功能和流程，具有典型性和開(kāi)放性。 實(shí)踐結果表明，其上進(jìn)行探索性的綜合性開(kāi)放試驗，較之傳統教學(xué)的驗證性試驗，能更好地培養了學(xué)生的綜合能力和實(shí)踐能力。同時(shí)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(gè)很好的平臺去開(kāi)展基于空間復雜對象的控制策略研究。 |
