旋风预热器教研平台的设计与实现

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。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。  


  
图1 系统硬件框图  

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。  

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、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。  


  
图2 ADUC841的外围接线图  

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，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。  

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。