基于A(yíng)DUC841的旋風(fēng)預熱器教研平臺的設計

　　旋風(fēng)預熱器是由旋風(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。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。

　　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

　　2.1ADuC841外圍電路設計

　　整個(gè)系統由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A(yíng)DUC841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。

　　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[7]，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[7]。

　　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。