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，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。我們截取實(shí)際工程中的五級(jí)旋風(fēng)筒的第一級(jí)原型按比例縮小，并針對(duì)綜合教學(xué)實(shí)踐和科研的需要做了一些改進(jìn)，構(gòu)造出一個(gè)完整、開放的教研平臺(tái)。整個(gè)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(duì)其各組成部分的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)做了詳細(xì)說明，最后給出了基于該平臺(tái)的若干教研成果。
1教研平臺(tái)系統(tǒng)的組成
整個(gè)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(shí)際工程旋風(fēng)預(yù)熱筒一致。整個(gè)設(shè)備由透明有機(jī)塑料制成便于試驗(yàn)觀測(cè)，圓柱形管壁分層分布有諸多小孔，可將根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)在風(fēng)管處設(shè)有電加絲。這些系統(tǒng)中的電信號(hào)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(tái)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(hào)讀入到ADUC841內(nèi)并在存儲(chǔ)器內(nèi)暫存，同時(shí)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(shí)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(cè)、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?cè)谄脚_(tái)的制作過程中多多動(dòng)手實(shí)踐，故在設(shè)計(jì)平臺(tái)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(nèi)。
2單片機(jī)控制系統(tǒng)
2.1ADuC841外圍電路設(shè)計(jì)
整個(gè)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(duì)旋風(fēng)筒內(nèi)的溫度，壓力、空氣流量等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、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(chǔ)芯片62256接駁，即P0作為地址線時(shí)首先接到八進(jìn)制三態(tài)鎖存器74HC573再連接到62256RAM的低8位地址線上，P2.0-P2.6直接與62256RAM的高7位地址線相連，同時(shí)P2.7連接片選信號(hào)以實(shí)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(shí)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(shí)直接和RAM與LCD的數(shù)據(jù)線連接。
2.2信號(hào)采集放大電路
采用恒流源驅(qū)動(dòng)，首先采用儀表放大器AD620放大傳感器來的信號(hào)。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(cè)信號(hào)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(cè)信號(hào)直接連接到P1口即實(shí)現(xiàn)了模擬量檢測(cè)信號(hào)的讀入。在單片機(jī)內(nèi)將所采集的檢測(cè)信號(hào)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(hào)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(jì)算機(jī)間的串口相連。實(shí)現(xiàn)將所采集的各個(gè)傳感器的信號(hào)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。
2．3可控硅控制電路
可控硅控制板由三部分組成：1.計(jì)數(shù)振蕩生成電路；2.同步檢測(cè)電路；3.可控硅控制電路。計(jì)數(shù)振蕩生成電路采用16.384MHz的有源晶振作為計(jì)數(shù)脈沖振蕩源，并用74LS14施密特觸發(fā)器對(duì)其進(jìn)行整形[7]，經(jīng)計(jì)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(jì)數(shù)[7]。
同步檢測(cè)電路采用一個(gè)220V/15V的變壓器得到15V的交流電，然后對(duì)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(hào)的真實(shí)過零點(diǎn)同步的脈沖序列，作為可控硅的同步信號(hào)，送可預(yù)置計(jì)數(shù)器CD4516的預(yù)置端PE。
系統(tǒng)中采用兩片CD4516級(jí)聯(lián)組成的8位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器對(duì)頻率為25.6kHz的振蕩脈沖計(jì)數(shù)。由于計(jì)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(gè)計(jì)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(duì)應(yīng)為FFH(十進(jìn)制數(shù)255)；使可控硅關(guān)斷的數(shù)值對(duì)應(yīng)為0。顯然若希望可控硅從θ角開始導(dǎo)通，則計(jì)數(shù)器需要計(jì)θ*256/180取整個(gè)脈沖。
AT89C2052接收到上位機(jī)從串口傳來的控制信號(hào)(0-255對(duì)應(yīng)期望導(dǎo)通角),將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)后通過其P1口分送到兩個(gè)CD4516的預(yù)置數(shù)端。正弦波過零點(diǎn)時(shí)，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(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)它的CO端輸出負(fù)脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)。這樣通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通角對(duì)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(tái)數(shù)據(jù)庫組成常規(guī)C/S系統(tǒng)。同時(shí)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MsComm控件[10]將上位機(jī)的控制指令發(fā)往AT89c2051,同時(shí)將ADU841送來的檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)讀入。此處的難點(diǎn)是串口通訊程序與數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)程序之間的配合，經(jīng)過多次測(cè)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[8]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(shí)標(biāo)記時(shí)間戳)數(shù)據(jù)區(qū)尾部。同時(shí)定時(shí)器周期觸發(fā)存儲(chǔ)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SQLServer2000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(shí)器事件間隔時(shí)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(shí)現(xiàn)程序的高效運(yùn)行，同時(shí)固定的緩沖儲(chǔ)存區(qū)的方案較動(dòng)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(hào)數(shù)據(jù)并對(duì)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(cè)試信號(hào)的視圖和常規(guī)處理存儲(chǔ)過程。從而實(shí)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
4相關(guān)教研成果
基于本教研平臺(tái)，已開展了多批次的開放性試驗(yàn)。設(shè)計(jì)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(jì)及實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)常規(guī)統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)過程實(shí)現(xiàn)等。同時(shí)亦有學(xué)生接合該平臺(tái)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)[5][6]設(shè)計(jì)工作等。同學(xué)們普遍反映通過參與該平臺(tái)的相關(guān)開放性試驗(yàn)和研究，加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)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(chǎng)工程對(duì)象，經(jīng)過簡(jiǎn)化革新設(shè)計(jì)自制出旋風(fēng)預(yù)熱器教研平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)涵蓋數(shù)據(jù)采集，控制調(diào)速、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析等一個(gè)整套功能和流程，具有典型性和開放性。
實(shí)踐結(jié)果表明，其上進(jìn)行探索性的綜合性開放試驗(yàn)，較之傳統(tǒng)教學(xué)的驗(yàn)證性試驗(yàn)，能更好地培養(yǎng)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(fù)雜性，對(duì)于老師和研究生而言亦是一個(gè)很好的平臺(tái)去開展基于空間復(fù)雜對(duì)象的控制策略研究。