旋风预热器教研平台的设计与实现
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旋风预热器是由旋风筒和连接管道组成的热交换器，广泛应用于新型水泥生产工艺中。它利用水泥回转窑高温尾气来加热水泥生料，兼有预热分解，提高产品质量与节能环保诸多功效。旋风预热器空间内存在复杂的流体动力和热交换过程，这使其成为一个很好的研究对象[1][2]。我们截取实际工程中的五级旋风筒的第一级原型按比例缩小，并针对综合教学实践和科研的需要做了一些改进，构造出一个完整、开放的教研平台。整个系统由旋风预热筒设备、单片机控制系统、调速风机及电加热等执行装置及其上位机管理系统组成，本文对其各组成部分的软硬件设计实现进行了阐述，对其技术特点做了详细说明，最后给出了基于该平台的若干教研成果。
1 教研平台系统的组成
整个教研系统由旋风预热筒设备、单片机控制系统、调速风机及电加热等执行装置及其上位机管理系统组成。旋风预热设备可近似视为底部为锥形，上部为圆柱形的连接体，与实际工程旋风预热筒一致。整个设备由透明有机塑料制成便于试验观测，圆柱形管壁分层分布有诸多小孔，可将根据实验需求可将各类传感器装配其上。调速风机出口通过风管与锥形底部连接，同时在风管处设有电加丝。这些系统中的电信号都接入单片机系统。单片机控制系统是旋风预热教研平台的核心，其硬件框图如图1所示。
大体数据流程为各类传感器信号读入到ADUC841内并在存储器内暂存，同时将信息显示在LCD上。然后通过串口上行将数据上传到上位PC机。同时上位机将控制信息通过串口下行发送到AT89C051，它与同步、检测、技术电路相配合来触发可控硅控制电机转速。
老师希望我们在平台的制作过程中多多动手实践，故在设计平台时所采用的软硬件技术起点基本在本科生能力范围内。
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2 单片机控制系统
2.1 ADuC841外围电路设计
整个系统由ADUC841微控制器 [3][4]、LCD显示电路、DAC输出电路、ADC采集电路、 RS232通信电路等组成。主要对旋风筒内的温度，压力、空气流量等信号进行实时检测、并将数据与上传PC机的等功能。下图为ADUC841的接线图。从图上可看到总线连接方案为：采用线选方式与高密度存储芯片62256接驳，即 P0作为地址线时首先接到八进制三态锁存器 74HC573再连接到 62256RAM的低8位地址线上， P2.0-P2.6直接与 62256RAM的高7位地址线相连，同时P2.7连接片选信号以实现其 0000H- 7FFFFH空间的访问。与 LCD及其MAX485的接驳则采用全译码方式，P2口的4，5，6脚作地址线时接到 74LS138的ABC上，译码后用来控制液晶显示器显示与串口通讯。P0口的作数据线时直接和 RAM与LCD的数据线连接。
2.2信号采集放大电路
采用恒流源驱动，首先采用仪表放大器 AD620放大传感器来的信号。四集成运放合一的 LM324，组成常规正向电压放大和跟随电路，用于检测信号的放大、整形。由于 ADUC841内集成有12-bit的ADC缺省与P1端口连接，故将放大整形后的检测信号直接连接到 P1口即实现了模拟量检测信号的读入。在单片机内将所采集的检测信号变为数字量并做若干量纲变化后，从其TXD/RXD口输出。
其信号首先通过MAX232将TTL电平装换为RS232电平，继而通过系统串口与上位计算机间的串口相连。实现将所采集的各个传感器的信号上传到PC机，数字电源与模拟电源分别采用7805稳压并在输出电容处并有发光二极管作为电源指示用。
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2．3 可控硅控制电路
可控硅控制板由三部分组成：1. 计数振荡生成电路；2. 同步检测电路；3. 可控硅控制电路。 计数振荡生成电路采用16.384MHz 的有源晶振作为计数脉冲振荡源，并用 74LS14 施密特触发器对其进行整形[7]，经计数器74LS90 十分频和 CD4020六十四分频后，得到频率为
25.6kHz 的振荡脉冲给 CD4516 的CP 端进行计数[7]。
同步检测电路采用一个220V/15V的变压器得到 15V 的交流电，然后对其进行全波整流，再通过光电耦合器TIL113 等组成的同步电路，得到与正弦信号的真实过零点同步的脉冲序列，作为可控硅的同步信号，送可预置计数器CD4516 的预置端PE。
系统中采用两片CD4516级联组成的8位二进制加法计数器对频率为25.6kHz的振荡脉
冲计数。由于计数脉冲频率为 25.6kHz，因此理论上在 180度应该有 25600/(2*500)=256个计数脉冲；相位分辨率为 180/256=0.7度。这样使可控硅全导通的数值对应为 FFH(十进制数255)；使可控硅关断的数值对应为0。显然若希望可控硅从θ角开始导通，则计数器需要计θ
*256/180取整个脉冲。
AT89C2052接收到上位机从串口传来的控制信号(0-255对应期望导通角 ), 将其转化为一个八位二进制数后通过其P1口分送到两个CD4516的预置数端。正弦波过零点时，同步的脉冲为1输入到 CD4516 的预置端PE，将预置数值写入 CD4516。正弦波过零点后，同步的脉冲为0，CD4516开始脉冲计数。当计数到达预设值时它的 CO端输出负脉冲，经驱动器7407后送给光电耦合器MOC3020的脚2，来触发可控硅 G极，导通可控硅来驱动电机。这样通过控制双向可控硅的导通角对风机的输入电压进行了控制，从而得到不同的电机转数进而得到预设的风量。
3 上位机管理系统
上位机管理系统由前段界面与后台数据库组成常规C/S系统。同时包含有通讯处理程序通过串口与单片机系统进行数据交互。
技术上主要使用VB的Ms Comm控件 [10]将上位机的控制指令发往 AT89c2051,同时将 ADU841送来的检测数据信号读入。此处的难点是串口通讯程序与数据库存储程序之间的配合，经过多次测试后采用了环形链表缓冲区方案。即串口通讯程序在响应ComEvReceive事件[8]中将单片机传来数据的写入环形链表(节点同时标记时间戳)数据区尾部。同时定时器周期触发存储事件，通过ADO将环形链表数据区头部一定数量的节点数据写入到 SQL Server2000数据库中的表，成功存入后清空其节点内容为串口程序写入新的上传数据腾出空间。见图4环形链表运行示意图。通过合理设置环形链表节点数、波特率和定时器事件间隔时间，使得在缓冲区内写入和读出清除两种操作的平均吞吐率保持一致即可。这样可以实现程序的高效运行，同时固定的缓冲储存区的方案较动态数组开辟空间方案更加稳定。
前端界面上用户可直接选择设置端口数据，显示感兴趣的信号数据并对风机等装置进行控制。为了数据检索显示方便数据库中分别建有不同测试信号的视图和常规处理存储过程。从而实现相关数据的显示、回放和分析。
空数据区准备数据写入
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4 相关教研成果
基于本教研平台，已开展了多批次的开放性试验。设计和正在进行的有：传感器数值显示和保护电路、串口改USB口通讯软硬件设计及实现，数据库数据常规统计存储过程实现等。同时亦有学生接合该平台进行研究来完成硕士论文，进行流量温度tpye2型模糊控制系统、基于ARM的旋风预热器触摸屏人机界面系统[5][6]设计工作等。同学们普遍反映通过参与该平台的相关开放性试验和研究，加深了对所学知识的理解，易于掌握所学技能。
5 结 论
本文作者创新点在：基于现场工程对象，经过简化革新设计自制出旋风预热器教研平台。整个系统涵盖数据采集，控制调速、数据存储分析等一个整套功能和流程，具有典型性和开放性。
实践结果表明，其上进行探索性的综合性开放试验，较之传统教学的验证性试验，能更好地培养了学生的综合能力和实践能力。同时由于模型的不明确性和复杂性，对于老师和研究生而言亦是一个很好的平台去开展基于空间复杂对象的控制策略研究。
参考文献
[1］池宏军，陈理君 .基于ARM和μC/OS-II 的水泥回转窑旋风预热器控制系统设计 2008年1月
[2]傅建玲，赵磊 .基于ADuC841的水泥回转窑旋风筒控制系统设计 2008年7月
[3］ADiC841 Datasheet．Analogy Devices，lnc．2003E．
[4］ADiC841 User's Manua1．Analogy Devices，lnc．2003[J]
[5]张爱平．LabVIEW入门与虚拟仪器 [M]．北京电子工业出版社． 2005．
[6]张熙，王晓峰．基于 labview的虚拟示波器的设计与实现［ J］．电子测试 .2007(6)：21—25．
[7]康华光．电子技术基础 [M]．北京高等教育出版社， 1999
[8]Diane zak．Programming With Microsoft Visual Basic 6.0 [M]．电子工业出版社，2002
[9] Microchip．MAX038 2007 MicrochipTechnology Inc：32—41E ．
[10]姜静波，李思忍等 . 海洋要素多通道实时采集系统的设计 [J]，微计算机信息，2009， 25-4：91-92
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