【正文】 難接受，國產(chǎn)化是亟待解決的問題。 系統(tǒng)概述在水泥生產(chǎn)過程中，水泥熟料的鍛燒是非常重要的環(huán)節(jié)，而回轉(zhuǎn)窯又是該工藝環(huán)節(jié)的核心，它的運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接關(guān)系到熟料的產(chǎn)量、質(zhì)量、原燃料消耗及成本。最新工藝研究表明，燒成帶內(nèi)與窯軸線垂直的截面圓，是一個個等溫圈，等溫圈內(nèi)窯皮的生成與脫落處于動態(tài)的平衡。開始有一個數(shù)小時的緩變期，隨后進(jìn)入數(shù)十分鐘速變期，出現(xiàn)局部加快變薄的紅點(diǎn)，很快紅點(diǎn)發(fā)展為紅斑，導(dǎo)致紅窯、掉磚。利用紅外測溫、同步掃描、計算機(jī)實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理及圖像顯示等先進(jìn)技術(shù)，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時地送入計算機(jī)進(jìn)行處理和分析，以數(shù)字和圖形的形式準(zhǔn)確、迅速、直觀地給出許多窯內(nèi)重要信息。通過對窯胴體溫度連續(xù)在線監(jiān)測，能夠反映窯內(nèi)的熱工過程、穿襯及窯內(nèi)物料的變化，通過先進(jìn)的計算機(jī)圖像和圖形處理技術(shù)，可以十分明確地得知窯內(nèi)窯皮是否均勻，窯皮生長與脫落狀況，窯皮結(jié)圈的位置和厚薄，以及掉窯皮、掉磚、紅窯等情況。在回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行期間，隨時了解窯內(nèi)狀況，及時采取相應(yīng)措施、防止窯襯及窯胴體損壞，才有可能實現(xiàn)窯經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。 本文研究的主要內(nèi)容本課題在研究分析了窯胴體溫度檢測的目的、意義、功能要求，以及國內(nèi)窯體溫度監(jiān)測的現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對窯胴體溫度紅外在線監(jiān)測功能及原理進(jìn)行設(shè)計；對紅外掃描控制軟硬件進(jìn)行了重點(diǎn)研究，提出了一種同步掃描控制思想，設(shè)計出了一種自動采集控制系統(tǒng)；研究了系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)信息處理，詳細(xì)地研究系統(tǒng)軟件的功能及開發(fā)，為了提高監(jiān)測系統(tǒng)的檢測精度，進(jìn)行了在線檢測與系統(tǒng)性能評價，分析了系統(tǒng)檢測精度，得到系統(tǒng)測量誤差產(chǎn)生的原因及提高檢測精度的途徑。第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計論證在工業(yè)生產(chǎn)中，水泥回轉(zhuǎn)窯的最大特點(diǎn)是：體積龐大，直徑一般為3到5米，長度為40到100米，工況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，價格昂貴。從目前水泥行業(yè)來看，中小型企業(yè)較多，由于國外的設(shè)備昂貴，對中小型企業(yè)可望人不可及。為了能使監(jiān)測的窯胴體溫度數(shù)據(jù)與位置準(zhǔn)確對應(yīng)，系統(tǒng)采用同步掃描技術(shù)，使紅外測溫儀在控制系統(tǒng)作用下，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)角掃描，完成對窯胴體的監(jiān)測。傳統(tǒng)的溫度測量不僅反應(yīng)速度慢，而且必須與被測物體接觸。 測溫元件比較方案一：采用傳統(tǒng)的接觸式測量方式，但傳統(tǒng)的溫度測量不僅反應(yīng)速度慢，測量精度不高，測量范圍小，而且必須與被測物體接觸。方案二：另一種是以紅外測溫為代表的非接觸式測量，自然界一切溫度高于絕對零度的物體，都在不停地向外發(fā)出紅外線。因此我們通過測量物體輻射出的紅外能量的大小就能測定物體的表面溫度。實際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這個輻射系數(shù)，就是發(fā)射率ε，或稱之為比輻射率，其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比，該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度。 紅外掃描方式比較方案一：采用往復(fù)直線移動掃描工作方式，以模擬儀表和記錄儀作為二次儀表，對溫度和位置信號作顯示與記錄。方案二：采用步進(jìn)擺角掃描工作方式，以單片機(jī)對檢測所獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，再對溫度及段面作多元數(shù)字顯示。方案三：采用步進(jìn)轉(zhuǎn)角掃描工作方式測溫，數(shù)據(jù)的實時采集與處理則由計算機(jī)來完成。監(jiān)測系統(tǒng)能通過計算機(jī)給出窯胴體表面溫度場的分布，全面而直觀地揭示窯內(nèi)狀況，及時地為操作人員做出預(yù)報與提示，在國內(nèi)應(yīng)用與推廣的過程中受到廣泛的歡迎與好評。解決系統(tǒng)的掃描速度與系統(tǒng)價格之間的矛盾，為用戶提供掃描速度比較快、價格低廉的窯胴體溫度檢測系統(tǒng)，是我們應(yīng)集中力量加以解決的新課題。 上位機(jī)虛擬儀器部分虛擬儀器（Virtual Instrument）就是在通用計算機(jī)上加上軟件和硬件，實現(xiàn)傳統(tǒng)電子儀器所具有的各種功能。虛擬儀器系統(tǒng)利用計算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，結(jié)合相應(yīng)的硬件，大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、處理等方面的限制，使用戶可以方便地對其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展、升級等。 LabVIEW是一種基于圖形編程語言（G語言）的開發(fā)環(huán)境，它與C， Basic， VB，Delphi等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處，如相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結(jié)構(gòu)、程序調(diào)試工具，以及模塊化的編程特點(diǎn)等。 LabVIEW軟件的主要特點(diǎn)：1）圖形化的編程方式，無需設(shè)計者編寫文本格式的代碼；2）提供豐富的數(shù)據(jù)采集、分析、及存儲的庫函數(shù)；3）提供傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時提供獨(dú)特的執(zhí)行工具，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷；4）32位的編譯器編譯生成32位的應(yīng)用程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測試和測量方案的高速、精確執(zhí)行；5）提供PCI，GPIB，PXI，VXI，RS232/485，USB等各種總線標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，簡化設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計；6）提供大量與外部代碼和軟件進(jìn)行鏈接的機(jī)制，如DLL、DDE、ActiveX等。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，顯示在曲線圖和表格中，也可以以文件的形式保存到磁盤上。 設(shè)計程序的執(zhí)行界面，包括用戶控制和參數(shù)設(shè)置部分，參數(shù)顯示部分和數(shù)據(jù)顯示部分。 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計和工作原理簡述 系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)的總體示意圖如圖21：計算機(jī)為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。單片機(jī)查詢串口輸入，讀入命令字，根據(jù)該命令執(zhí)行相應(yīng)的程序模塊，如：啟動溫度數(shù)據(jù)，發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，顯示熱像圖等。總體方案如圖21所示。下位機(jī)由直流無刷電機(jī)驅(qū)動，A/D轉(zhuǎn)換，串口通信和STC 12C5A16AD組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)這四大部分組成。在單片機(jī)和PC機(jī)之間為由MAX485組成的電平轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)PC 機(jī)和單片機(jī)的串行通信。制冷系統(tǒng)LED顯示按鍵設(shè)定部分溫度掃描系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換電路（MAX485）圖22下位機(jī)系統(tǒng)框圖A/D轉(zhuǎn)換部MCU（STC 12C5A16D） 系統(tǒng)工作原理簡述紅外測溫系統(tǒng)在計算機(jī)的控制下，紅外掃描測溫儀中的輻射測溫儀按快速掃描的方式，將窯胴體表面各測量元的溫度按一定順序和掃描軌跡轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)前置放大器處理后，采集到單片機(jī)中，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和同步數(shù)據(jù)處理發(fā)送到上位機(jī)作顯示、保存等處理。簡言之，要求做到不漏不重,稱為N–N原則。系統(tǒng)控制直流無刷電機(jī)帶動紅外掃描頭作高速旋轉(zhuǎn)每分鐘1500轉(zhuǎn)，掃描胴體橫向溫度數(shù)據(jù)，從窯頭到窯尾共128個數(shù)據(jù)；由于水泥窯的自轉(zhuǎn)每分鐘4轉(zhuǎn)，相對外紅掃描頭的旋轉(zhuǎn)速度水泥窯的自轉(zhuǎn)速度較慢。掃描原理如圖23所示。下面就對本系統(tǒng)下位機(jī)硬件模塊進(jìn)行詳細(xì)分析。（1）單片機(jī)控制部分：處理器采用STC 12C5A16AD單片機(jī)。 （3）電機(jī)驅(qū)動部分：采用德國佛朗克公司的FBL60K01151RS型號無刷直流電機(jī)。（5）通訊部分：主從CPU之間的通訊采用MAX 485串口通信。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計STC 12C5A16AD器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，具有32個數(shù)字I/O引腳。圖31 STC 12C5A16AD單片機(jī)引腳圖下面列出了一些主要特性： CPU，1T，單時鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512. 工作電壓： （5V單片機(jī)）3. 工作頻率范圍：0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0～420MHz4. 片上集成1280字節(jié) RAM5. 通用I/O口：每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA6. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（）直接下載用戶程序，數(shù)?即可完成一片7. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)8. 看門狗（外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）: ：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為177。10% 以內(nèi))，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準(zhǔn)，兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0 和T1，沒有定時器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再?上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器，14. 外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/, CCP0/(), CCP1/()(2路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路） 也可用來當(dāng)2路D/A使用 也可用來再實現(xiàn)2個定時器 也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持), 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件 ，可再用定時器或PCA軟件可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口18. 工作溫度范圍：40 ~ +85℃(工業(yè)級) / 0 ~ 75℃(商業(yè)級)單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖32所示。由紅外測溫儀、前置放大電路等組成。任何物體都會不停地向周圍空間輻射能量，這種能量是以紅外線形式存在的，我們通常稱之為熱輻射。也就是說，檢測到物體的輻射功率，即可以獲知物體的溫度，這就是輻射測溫的基本原理。在胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)中檢測的一般為輻射溫度。 該測溫儀采用了碲鍋汞光電導(dǎo)型芯片作為紅外敏感元件；并采用了微型熱電致冷器制冷，來提供敏感元件與環(huán)境的溫差。另外，在致冷器的冷面上還裝有測溫元件，以便于測定和控制芯片的工作溫度。下面重點(diǎn)介紹紅外傳感器A2PTMI，紅外傳感器A2PTMI是一種內(nèi)部集成了專用信號處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓。對入射進(jìn)行調(diào)制即可獲得一個交流的信號電壓。給探測芯片加偏置，一般采用恒流電源。串聯(lián)電阻R可按下式估算：R5*探測器的電阻 或R=電源電壓/偏置電流探測芯片的噪聲輸出一般比較低，偏置電路的組成應(yīng)該確保低噪聲，串聯(lián)電阻應(yīng)采用低噪聲電阻（如金屬膜電阻）。偏置電路如圖33所示。根據(jù)熱電堆溫度測量原理，熱電堆電壓可能是正或者負(fù)，取決于目標(biāo)溫度是否高于或者低于A2TPMI 的環(huán)境溫度。為了熱電堆放大電路偏置電壓的調(diào)整，放大器上帶了一個能產(chǎn)生有8 bit 分辨率偏置電壓的可編程調(diào)整部分。為了溫度補(bǔ)償，放大的熱電堆信號和溫度參考信號相加于一個放大器。A2TPMI 的工作特性由一個內(nèi)部隨機(jī)存取寄存器進(jìn)行配置，所有的參數(shù)/配置永久地存在并行E2PROM 內(nèi)。A2TPMI 傳感器通常不需要使用串口，SDAT，SCLK 引腳被內(nèi)部連到VDD。在放大微弱信號的場合，放大器自身的噪聲對信號的干擾可能很嚴(yán)重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。放大電路如圖34所示。除了電機(jī)本身外，前者還多一個換向電路，電機(jī)本身和換向電路緊密結(jié)合在一起。直流無刷電動機(jī)的電機(jī)本身是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換部分，它除了電機(jī)電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶有傳感器。早期用機(jī)電位置傳感器獲得位置信號，現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。無刷直流電機(jī)在重量和體積上要比有刷直流電機(jī)小的多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量可以減少40％—50％左右。電機(jī)外觀如圖35所示。圖36 電機(jī)接線圖 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計單片機(jī)STC 12C5A16D不僅和傳統(tǒng)的89C51指令兼容，而且內(nèi)部置有AD，這里采用單片機(jī)內(nèi)置的AD。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。STC 12C5A16D單片機(jī)的ADC（A/D轉(zhuǎn)換器）的結(jié)構(gòu)如圖37所示。單片機(jī)與外部的基本通訊方式有兩種：●并行通訊——是指數(shù)據(jù)的各位同時傳送，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸數(shù)據(jù)速度快，缺點(diǎn)是有多少位數(shù)據(jù)就需要多少根傳輸線，這在數(shù)據(jù)位數(shù)較多，傳輸距離較遠(yuǎn)時就不宜采用。對本系統(tǒng)來說，對傳輸速度要求不高，但傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)，若選用并行通訊就需要大量傳輸線，不經(jīng)濟(jì)。 MAX485本設(shè)計采用MAX485進(jìn)行串口通信， MAX485的性能和特點(diǎn)滿足本設(shè)計的需要，而且價格便宜，電子市場即可買到。1 、單 5V 電源工作2 、 LinBiCMOSTM 工藝技術(shù)3 、 兩個驅(qū)動器及兩個接收器4 、 177。圖310中單片機(jī)的串口引腳RXD和TXD分別連接MAX485的R1 OUT和T1 IN引腳，以進(jìn)行串行數(shù)據(jù)交換。圖38接口電路 電源電路設(shè)計電源電路設(shè)計的整個系統(tǒng)運(yùn)行的根本。電路如圖39所示。整個硬件系統(tǒng)由直流無刷電機(jī)驅(qū)動控制電路、紅外測溫部分、前置放大電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計當(dāng)硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。二是執(zhí)行軟件（子程序），它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如AD轉(zhuǎn)換、狀態(tài)顯示、通訊等。 單片機(jī)主程序上電復(fù)位后，系統(tǒng)先執(zhí)行各初始化程序，如外部振蕩器初始化程序，ADC初始化程序，串口初始化程序等，然后調(diào)用各功能子程序，如按鍵控制子程序等。單片機(jī)主程序部分的流程圖如圖41所示。初始化程序包括：外部振蕩器的初始化，數(shù)據(jù)交叉開關(guān)、通用I/O口的初始化，串口的初始化等。 振蕩器初始化STC 12C5A16AD有一個內(nèi)部振蕩器和一個外部振蕩器驅(qū)動電路，每個驅(qū)動電路都能產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。當(dāng)復(fù)位引腳為低電平時，兩個振蕩器都被禁止?？紤]到要進(jìn)行高速的串口通信，所以本設(shè)計選用外部振蕩器。定義延時計數(shù)器開始啟動外部振蕩器等待外部振蕩器起振等待晶體振蕩器穩(wěn)定選擇外部振蕩器為系統(tǒng)時鐘允許時鐘丟失檢測器結(jié)束圖42 振蕩器初始化流程圖 數(shù)據(jù)交叉開關(guān)設(shè)置及初始化STC 12C5A16AD具有標(biāo)準(zhǔn)8051兼容的I/O端口。I/O端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。需對這些端口進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置如下：允許UART0，允許交叉開關(guān)和