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。
3上位機管理系統
上位機管理系統由前段界面與后臺數據庫組成常規C/S系統。同時包含有通訊處理程序通過串口與單片機系統進行數據交互。
技術上主要使用VB的MsComm控件[10]將上位機的控制指令發往AT89c2051,同時將ADU841送來的檢測數據信號讀入。此處的難點是串口通訊程序與數據庫存儲程序之間的配合，經過多次測試后采用了環形鏈表緩沖區方案。即串口通訊程序在響應ComEvReceive事件[8]中將單片機傳來數據的寫入環形鏈表(節點同時標記時間戳)數據區尾部。同時定時器周期觸發存儲事件，通過ADO將環形鏈表數據區頭部一定數量的節點數據寫入到SQLServer2000數據庫中的表，成功存入后清空其節點內容為串口程序寫入新的上傳數據騰出空間。見圖4環形鏈表運行示意圖。通過合理設置環形鏈表節點數、波特率和定時器事件間隔時間，使得在緩沖區內寫入和讀出清除兩種操作的平均吞吐率保持一致即可。這樣可以實現程序的高效運行，同時固定的緩沖儲存區的方案較動態數組開辟空間方案更加穩定。
前端界面上用戶可直接選擇設置端口數據，顯示感興趣的信號數據并對風機等裝置進行控制。為了數據檢索顯示方便數據庫中分別建有不同測試信號的視圖和常規處理存儲過程。從而實現相關數據的顯示、回放和分析。
空數據區準備數據寫入
4相關教研成果
基于本教研平臺，已開展了多批次的開放性試驗。設計和正在進行的有：傳感器數值顯示和保護電路、串口改USB口通訊軟硬件設計及實現，數據庫數據常規統計存儲過程實現等。同時亦有學生接合該平臺進行研究來完成碩士論文，進行流量溫度tpye2型模糊控制系統、基于ARM的旋風預熱器觸摸屏人機界面系統[5][6]設計工作等。同學們普遍反映通過參與該平臺的相關開放性試驗和研究，加深了對所學知識的理解，易于掌握所學技能。
5結論
本文作者創新點在：基于現場工程對象，經過簡化革新設計自制出旋風預熱器教研平臺。整個系統涵蓋數據采集，控制調速、數據存儲分析等一個整套功能和流程，具有典型性和開放性。
實踐結果表明，其上進行探索性的綜合性開放試驗，較之傳統教學的驗證性試驗，能更好地培養了學生的綜合能力和實踐能力。同時由于模型的不明確性和復雜性，對于老師和研究生而言亦是一個很好的平臺去開展基于空間復雜對象的控制策略研究。