基于ADUC841的旋風預熱器教研平臺的設計

　　旋風預熱器是由旋風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加熱水泥生料，兼有預熱分解，提高產品質量與節能環保諸多功效。我們截取實際工程中的五級旋風筒的第一級原型按比例縮小，并針對綜合教學實踐和科研的需要做了一些改進，構造出一個完整、開放的教研平臺。整個系統由旋風預熱筒設備、單片機控制系統、調速風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現進行了闡述，對其技術特點做了詳細說明，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

　　整個教研系統由旋風預熱筒設備、單片機控制系統、調速風機及電加熱等執行裝置及其上位機管理系統組成。旋風預熱設備可近似視為底部為錐形，上部為圓柱形的連接體，與實際工程旋風預熱筒一致。整個設備由透明有機塑料制成便于試驗觀測，圓柱形管壁分層分布有諸多小孔，可將根據實驗需求可將各類傳感器裝配其上。調速風機出口通過風管與錐形底部連接，同時在風管處設有電加絲。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傳感器信號讀入到ADUC841內并在存儲器內暫存，同時將信息顯示在LCD上。然后通過串口上行將數據上傳到上位PC機。同時上位機將控制信息通過串口下行發送到AT89C051，它與同步、檢測、技術電路相配合來觸發可控硅控制電機轉速。

　　老師希望我們在平臺的制作過程中多多動手實踐，故在設計平臺時所采用的軟硬件技術起點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。主要對旋風筒內的溫度，壓力、空氣流量等信號進行實時檢測、并將數據與上傳PC機的等功能。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芯片62256接駁，即P0作為地址線時首先接到八進制三態鎖存器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P2.7連接片選信號以實現其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口的作數據線時直接和RAM與LCD的數據線連接。

　　2.2信號采集放大電路

　　采用恒流源驅動，首先采用儀表放大器AD620放大傳感器來的信號。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為數字量并做若干量綱變化后，從其TXD/RXD口輸出。

　　其信號首先通過MAX232將TTL電平裝換為RS232電平，繼而通過系統串口與上位計算機間的串口相連。實現將所采集的各個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施密特觸發器對其進行整形[7]，經計數器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端進行計數[7]。

　　同步檢測電路采用一個220V/15V的變壓器得到15V的交流電，然后對其進行全波整流，再通過光電耦合器TIL113等組成的同步電路，得到與正弦信號的真實過零點同步的脈沖序列，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級聯組成的8位二進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(十進制數255)；使可控硅關斷的數值對應為0。顯然若希望可控硅從θ角開始導通，則計數器需要計θ*256/180取整個脈沖。

AT89C2052接收到上位機從串口傳來的控制信號(0-255對應期望導通角),將其轉化為一個八位二進制數后通過其P1口分送到兩個CD4516的預置數端。正弦波過零點時，同步的脈沖為1輸入到CD4516的預置端PE，將預置數值寫入CD4516。正弦波過零點后，同步的脈沖為0，CD4516開始脈沖計數。當計數到達預設值時它的CO端輸出負脈沖，經驅動器7407后送給光電耦合器MOC3020的腳2，來觸發可控硅G極，導通可控硅來驅動電機。這樣通過控制雙向可控硅的導通角對風機的輸入電壓進行了控制，從而得到不同的電機轉數進而得到預設的風量。