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1、常州工学院毕业设计论文摘 要在水泥的生产过程中，回转窑是实现水泥熟料煅烧的核心设备，决定窑能否优质、高产、低消耗地生产熟料和安全运转的关键因素是窑衬。因此,在窑运转过程中,及时了解窑状况,防止窑衬及窑筒体损坏是回转窑经济运行的重要保证。窑筒体表面温度经处理分析后能客观地反映窑内状况。该系统通过红外测温扫描仪对窑筒体表面温度连续在线实时监测、分析预测,防止由于过烧等各种原因造成的窑衬及窑筒体损坏,达到提高效益的目的。本文介绍了一种基于单片机的红外线测温系统，该系统由上位机和下位机两大部分组成。本设计主要完成下位机部分，下位机采用与8051兼容的高性能、高速单片机STC 12C5A16AD为控制器
2、，安装在无刷直流电机上的红外测温扫描仪高速旋转，完成对水泥回转窑窑体温度的数据扫描，然后通过前置放大器将红外扫描仪采集的数据经放大后，送至ADC进行模数转换，且系统与计算机通过MAX-485通讯，将采集到的温度数据传输到上位机处理。该系统通过红外测温扫描仪对窑筒体表面温度连续在线实时监测、分析预测,防止由于过烧等各种原因造成的窑衬及窑筒体损坏, 经处理分析后就能客观、及时地反映窑内状况，从而达到保障生产安全，提高效益的目的。 关键词 STC 12C5A16AD，AD转换，485串口通信，红外测温AbstractIn the cement production process, rotary k
3、iln is to realize the core equipment of cement clinker pellets，the decision whether kiln high-quality, high yield, low production of clinker and security is a key factor in the operation of the kiln lining. So, in the process of kiln operation, the kiln to keep abreast of the situation, to prevent t
4、he kiln lining and the kiln is a rotary cylinder damaged an important guarantee for economic operation. Surface temperature of the kiln shell analysis can be treated objectively reflect the situation in the kiln. The system through infrared temperature scanner, the surface temperature of the kiln sh
5、ell for online real-time monitoring, analysis and forecast, prevent burn-off caused by a variety of reasons, such as furnace and kiln shell lining damage, to improve benefits.In this paper, a MCU based on infrared temperature measurement system, the system consists of upper and lower machine compose
6、d of two major parts. Completed the design of the main part of the next-bit machine, the next-bit machine with a 8051-compatible high-performance, high-speed single-chip-STC 12C5A16AD controller, Brushless DC Motor installed in the infrared temperature scanner, high-speed rotation, the completion of
7、 cement rotary kiln temperature data from scanned, and then through the pre-amplifier will be infrared scanner data collected by the amplified, sent to ADC for analog-to-digital conversion, and system and computer through the MAX-485 communications, the temperature data collected transmitted to the
8、Host Machine.The system through the infrared temperature scanners surface temperature of the kiln shell for online real-time monitoring, analysis and forecast, prevent burn-off caused by a variety of reasons, such as furnace and kiln shell lining damage, after processing analysis hind can objectivel
9、y and timely reflect the stove, thus achieved the security situation of production safety, to improve benefits.Keywords STC 12C5A16AD，ADC ，485 Serial Communications， Infrared Temperature Measurement,目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪 论11.1 系统背景11.2 系统来源及现状21.2.1 系统来源21.2.2 水泥窑温度监测现状21.3 系统概述31.4 本文研究的主要内容
10、4第2章 系统方案设计论证52.1 下位机数据采集部分52.1.1 测温元件比较52.1.2 红外扫描方式比较62.2 上位机虚拟仪器部分72.3 系统的总体方案设计和工作原理简述82.3.1 系统总体方案设计82.3.2 系统工作原理简述9第3章 系统硬件设计103.1系统模块电路组成103.2 单片机最小系统设计113.3红外扫描测温部分133.3.1红外测温原理133.3.2红外测温仪的选型和结构143.3.3 前置放大器153.4.2无刷直流电机选型163.5 AD转换电路设计183.6 通讯电路设计193.6.1通讯方式的比较193.6.2 MAX-485193.6.3 MAX485
11、构成的通讯接口电路203.7 电源电路设计213.9 本章小结21第4章 系统软件设计214.1 单片机主程序224.2 各部分程序初始化224.2.1 振荡器初始化234.2.2 数据交叉开关设置及初始化234.2.3 定时器3设置及程序初始化244.2.4 ADC0设置及程序初始化254.2.5 定时器0设置及程序初始化264.3 各功能程序274.3.1 ADCO中断服务子程序274.3.2 串口通信284.3.3 横向数据同步子程序294.4 本章小结31第5章 系统调试315.1 单片机调试工具315.1 分步调试325.1.1 电机调试325.1.2 串口通信调试325.1.3 模
12、数转换调试335.2 上下位机联合调试345.3本章小结34IV第1章 绪 论1.1 系统背景在现代水泥工业中，整个生产过程中最重要的工艺环节是水泥的熟料煅烧，回转窑是该环节的核心，回转窑内温度过高、热振荡过大，会损坏回转窑的窑衬，严重时将殃及窑胴体，所以说，它的运转情况直接关系到回转窑产出熟料的产量、质量、原燃料消耗和成本。在回转窑运行期间，及时了解窑内状况，适时采取相应措施，防止窑衬及窑胴体损坏，才有可能实现窑经济运行的目标。然而在回转窑的运行过程中，由于耐火砖分布在窑内，同时分布区域面比较广，范围较大，而且处于运动状态，无法采用直接的方法进行跟踪，只有通过对窑筒体表面温度的测量判断，间接
13、地反应窑内耐火砖和窑皮的基本情况。窑筒体表面温度的测量采用非接触式的测温设备红外扫描测温仪，既解决了运动目标的测量问题，又满足了测定区域范围比较广的要求。本系统可以长时间不间断地实时监测窑胴体温度，窑胴体温度经微机分析处理后，能够客观、及时地反映窑内状况，帮助窑系统操作人员有效地改善窑的操作，防止窑衬和窑胴体损坏，减少非计划停窑时间，提高回转窑的运转率，保证回转窑安全可靠的运行。因此窑胴体温度微机监测系统是实现水泥窑经济运行的重要监测设备，它可在一定的时间内对回转窑胴体温度信息全面细致的监测与分析一遍，使操作人员可以及时全面地了解窑内窑皮、耐火砖的状况，对防止窑内窑皮异常状况的进一步恶化提供了
14、准确可靠的依据，并及时地跟踪监测显示及报警。窑胴体表面温度是窑内外多种因素共同作用的结果，且窑胴体温度变化属大惯性滞后变化缓慢，采用快速转角扫描式对窑胴体外表面进行扫描监测与快速线扫描式具有同等效力。通过监测胴体表面温度、窑头内火焰温度及窑内火焰和熟料的状态，实时了解表面温度分布及其变化，经处理、分析以后提取出揭示窑内状况的有用信息，指导操作人员及时采取相应措施，是实现窑经济运行的有效技术手段。1.2 系统来源及现状1.2.1 系统来源在水泥生产中，实时监测水泥回转窑内煅烧情况已变得日益重要。这是因为水泥回转窑内的煅烧情况直接关系到水泥熟料的产量、质量、原燃料消耗和成本。过高煅烧温度和过大的热
15、振荡不仅燃料消耗很大，甚至有可能对窑衬造成损害，严重时将伤及窑胴体。煅烧温度过低会严重影响水泥熟料的质量。水泥回转窑窑内的热工过程、窑衬及窑内物料的变化，从很大程度上综合的、间接的反映到了窑体表面所形成的温度场。利用先进的计算机技术及先进的仪器，对窑体温度进行实时在线监测，控制窑胴体温度，避免热点，及时发现掉砖，避免红窑等事故发生，从而改善回转窑系统的操作，提高回转窑的运转效率，大大减少不正常窑况出现的频率，延长窑内耐火砖的寿命，减少回转窑维修而增加的时间、人工及材料的消耗，提高经济效益。鉴于此，我们提出对水泥窑胴体温度进行在线监测系统的研究开发。1.2.2 水泥窑温度监测现状20世纪70年代
16、以前，国内回转窑的操作工通常根据经验来判断窑胴体温度的高低，如根据窑外淋水蒸发情况、或根据扫帚把在胭体表面扫过时冒烟的情况、或根据人体对窑辐射热浪的感觉来判断窑胭体温度的高低。20世纪70年代末，我国实行改革开放政策，通过引进国外先进技术和成套设各，先后建设了几个大型现代化水泥厂，促进了水泥生产过程自动控制技术的发展。此时，国内出现了采用往复直线移动扫描方式测温，以模拟仪表和记录仪为显示、记录窑胴体温度。这类监测系统存在如下缺点:扫描速度太慢，易造成漏检，附属设备多，系统可靠性低;且仅用模拟仪表对温度和位置信号的瞬时值作单一的显示，信息量小，反映的窑内状况欠全面与直观，预报不够及时。八十年代初
17、，我国陆续引进先进生产工艺和成套装备，窑胴体温度在线监测设备也随之引进，自此，窑胴体温度在线监测技术开始应用于我国水泥工业。通过消化、吸收引进技术，我国相继推出了几种型号的国产化窑胴体温度检测系统，HWX1型窑胴体温度检测系统是国产化检测系统中比较有代表性的一种，该系统采用往复直线移动扫描工作方式，以模拟仪表和记录仪作为二次仪表，对温度和位置信号作显示与记录。该系统有两个明显的缺点：一是扫描速度太慢，测温头形成的检测靶面在扫描过程中不能完全覆盖烧成带胴体表面，造成漏检，且附属设备多，故障率高，降低了系统的可靠性，也降低了系统的性能价格比；二是仅用模拟仪表对温度和位置信号作单一的瞬时值显示，提供
18、的信息量小，反映的窑内状况欠全面与直观，预报不够及时，在一定程度上妨碍了操作人员对不正常窑况进行及时而有效的干预。另一种比较有代表性的检测系统采用步进摆角扫描工作方式，以单片机对检测所获的数据进行采集和处理，再对温度及段面作多元数字显示。这类系统的扫描速度和可靠性都有所提高，但提供的信息量仍较小。进入20世纪90年代，国内自行研制开发快速线扫描式窑服体温度监测系统。早期，采用步进扫描方式监测，由于扫描速度及数据处理速度较慢，一般需要在窑转儿周后，才能获得整个窑体表面完整的温度信息，实时性较差，且扫描面积较大，测温精度不高，系统软件是DOS系统。接着，研制出了快速线扫描方式监测系统，红外辐射测温
19、探头引进美国雷泰、德国凯乐等生产红外测温仪的原装产品，其扫描速度及数据处理速度均大幅提升，一般均可在窑转一周后就可获得整个窑胴体表面完整的温度信息，基本可实现实时性温度监测，扫描面积较小，测温精度提高，应用软件功能进一步加强，且系统软件转换成window风格。后来，采用了连续高速光机式扫描方式，整个高速红外测温仪选用了美国雷泰等大公司的原装产品，扫描速度及数据处理速度更快，可实现完全的实时性监测，扫描面积进一步减小，测温精度进一步提高。但由于主要监测设备仍然引进国外的产品，其价格昂贵，对中小型水泥企业很难接受，国产化是亟待解决的问题。解决系统的扫描速度与系统价格之间的矛盾，为用户提供扫描速度比
20、较快、价格低廉的窑胴体温度检测系统，是我们应集中力量加以解决的新课题。1.3 系统概述在水泥生产过程中，水泥熟料的锻烧是非常重要的环节，而回转窑又是该工艺环节的核心，它的运转情况直接关系到熟料的产量、质量、原燃料消耗及成本。窑内的热工过程、窑衬及窑内物料的变化，从很大程度上综合地、间接地反映到了窑体表面所形成的温度场。最新工艺研究表明，烧成带内与窑轴线垂直的截面圆，是一个个等温圈，等温圈内窑皮的生成与脱落处于动态的平衡。窑况变动时平衡被打破，窑皮变化。开始有一个数小时的缓变期，随后进入数十分钟速变期，出现局部加快变薄的红点，很快红点发展为红斑，导致红窑、掉砖。因此，如果能及时、准确地检测出窑胴
21、体表而各点的温度，经处理分析后将有可能客观、及时地反映窑内状况。利用红外测温、同步扫描、计算机实时数据采集和数据处理及图像显示等先进技术，将监测到的数据实时地送入计算机进行处理和分析，以数字和图形的形式准确、迅速、直观地给出许多窑内重要信息。实现对窑胴体表面温度进行实时在线监测可达到如目的：(1) 能够快速、准确、完整、连续地监测窑胴体表面温度分布；(2) 能够揭示窑内的熟料锻烧情况及耐火材料的烧损情况；(3) 能够及时发现热点，同时进行声光报警，并能显示出热点的具体位置，以指导现场操作人员对热点处理；(4) 能在窑皮的缓变期及时发现窑皮微小、缓慢的变化趋势，提前数小时指导人工干预，使得窑皮长
22、期维持在平衡状态；(5) 可以存储历史温度和位置数据，以便对温度变化进行分析；(6) 能够对未来温度变化趋势进行分析和预测，指导管理人员安排回转窑检修计划；(7) 提高现有窑的生产率和产品质量，降低燃料和耐火材料消耗，增加窑寿命。通过对窑胴体温度连续在线监测，能够反映窑内的热工过程、穿衬及窑内物料的变化，通过先进的计算机图像和图形处理技术，可以十分明确地得知窑内窑皮是否均匀，窑皮生长与脱落状况，窑皮结圈的位置和厚薄，以及掉窑皮、掉砖、红窑等情况。这些窑内信息对回转窑的操作、异常情况的发现和及时处理都十分有用，可以指导现场操作人员对回转窑进行操作，控制窑胴体温度，避免热点，及时发现掉砖，避免红窑
23、等事故发生，从而改善窑系统的操作，提高回转窑的运转效率，大大减少不正常窑况出现的频率，延长窑内耐火砖的使用寿命，也减少了因回转窑维修而增加的时间、人工及材料的消耗，具有明显的经济效益。在回转窑运行期间，随时了解窑内状况，及时采取相应措施、防止窑衬及窑胴体损坏，才有可能实现窑经济运行的目标。在实际水泥生产过程中，直接监视回转窑内部锻烧情况是非常困难的:窑胴体温度又是一个灼热的温度场，它是在窑内、外多种因素作用下形成的，自然也包含着不少来自窑内的信息，这些信息在很大程度上客观地反映了窑内情况。1.4 本文研究的主要内容本课题在研究分析了窑胴体温度检测的目的、意义、功能要求，以及国内窑体温度监测的现
24、状的基础上，对窑胴体温度红外在线监测功能及原理进行设计；对红外扫描控制软硬件进行了重点研究，提出了一种同步扫描控制思想，设计出了一种自动采集控制系统；研究了系统软件及数据信息处理，详细地研究系统软件的功能及开发，为了提高监测系统的检测精度，进行了在线检测与系统性能评价，分析了系统检测精度，得到系统测量误差产生的原因及提高检测精度的途径。本课题研究的窑胴体温度微机监测系统，采用红外测温、同步扫描、计算机实时采集数据和处理数据与图像显示等先进技术对窑胴体温度进行连续在线监测，将检测到的数据送入计算机进行处理和分析，以数字和图形的形式准确、迅速、直观地给出窑皮均匀与否、结圈大小、窑皮或窑衬脱落位置、
25、热斑范围等诸多窑内重要信息，帮助操作人员及时了解窑内状况，有效地改善窑的操作，预防窑衬及窑胴体损坏，显著提高经济效益，实现回转窑的经济运行。第2章 系统方案设计论证在工业生产中，水泥回转窑的最大特点是：体积庞大，直径一般为3到5米，长度为40到100米，工况复杂，环境恶劣，价格昂贵。针对这些特点和水泥窑胴体温度检测的功能要求，本章对窑胴体温度微机检测功能及原理进行了分析和设计。从目前水泥行业来看，中小型企业较多，由于国外的设备昂贵，对中小型企业可望人不可及。因此，系统研究的最大目的就是在以最少的投资情况下完成对窑胴体温度的监测。为了能使监测的窑胴体温度数据与位置准确对应，系统采用同步扫描技术，
26、使红外测温仪在控制系统作用下，实现同步转角扫描，完成对窑胴体的监测。2.1 下位机数据采集部分温度测量主要有两种方式：一种是传统的接触式测量，另一种是以红外测温为代表的非接触式测量。传统的温度测量不仅反应速度慢，而且必须与被测物体接触。红外测温以红外传感器为核心进行非接触式测量，特别适用于高温和危险场合的非接触测温，得到了广泛的应用。2.1.1 测温元件比较方案一：采用传统的接触式测量方式，但传统的温度测量不仅反应速度慢，测量精度不高，测量范围小，而且必须与被测物体接触。由于水泥窑运行时一直处于转动中，接触式测温很不方便。方案二：另一种是以红外测温为代表的非接触式测量，自然界一切温度高于绝对零
27、度的物体，都在不停地向外发出红外线。物体发出的红外线能量大小及其波长分布同它的表面温度有密切关系，物体的辐射能量与温度的4 次方成正比，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克定律。因此我们通过测量物体辐射出的红外能量的大小就能测定物体的表面温度。微小的温度变化会引起明显的辐射能量变化，因此利用红外辐射测量温度的灵敏度很高。实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。只要引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比，该系数表示实
28、际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度。鉴于红外测温的巨大优势和系统的设计要求，本设计采用方案二，即以红外测温仪器作为本设计的测温元件。 2.1.2 红外扫描方式比较方案一：采用往复直线移动扫描工作方式，以模拟仪表和记录仪作为二次仪表，对温度和位置信号作显示与记录。该系统有两个明显的缺点：一是扫描速度太慢，测温头形成的检测靶面在扫描过程中不能完全覆盖烧成带胴体表面，造成漏检，且附属设备多，故障率高，降低了系统的可靠性，也降低了系统的性能价格比；二是仅用模拟仪表对温度和位置信号作单一的瞬时值显示，提供的信息量小，反映的窑内状况欠全面与直观，预报不够及时，在一定程度上妨碍了操作人员对不正常窑况进行及时
29、而有效的干预。方案二：采用步进摆角扫描工作方式，以单片机对检测所获的数据进行采集和处理，再对温度及段面作多元数字显示。这类系统的扫描速度和可靠性都有所提高，但提供的信息量仍较小。方案三：采用步进转角扫描工作方式测温，数据的实时采集与处理则由计算机来完成。这类系统技术先进、性能优良、运行稳定可靠，在数据的处理与显示方面已达到国外同类系统水平。监测系统能通过计算机给出窑胴体表面温度场的分布，全面而直观地揭示窑内状况，及时地为操作人员做出预报与提示，在国内应用与推广的过程中受到广泛的欢迎与好评。推广应用窑胴体温度在线检测技术过程中，我们在湿法窑系统碰到了这样的问题：如果不采用快速扫描技术，将烧成带胴
30、体表面温度完整地检测一次，耗时约五十分钟到一个小时，大大影响了胴体温度检测的实时性和采取相应对策的及时性，用户希望提高系统的扫描速度；但是，具备快速扫描功能的行扫描仪价格昂贵，系统价格动辄近百万元人民币，用户又无法承受。解决系统的扫描速度与系统价格之间的矛盾，为用户提供扫描速度比较快、价格低廉的窑胴体温度检测系统，是我们应集中力量加以解决的新课题。综合考虑，方案三更具优势，如果不采用快速扫描技术，将烧成带胴体表面温度完整地检测一次，耗时约五十分钟到一个小时，大大影响了胴体温度检测的实时性和采取相应对策的及时性，能够准确、及时地的反映窑胴体表面温度场的分布，全面而直观地揭示窑内状况，故选择方案三
31、扫描方式。2.2 上位机虚拟仪器部分虚拟仪器（Virtual Instrument）就是在通用计算机上加上软件和硬件，实现传统电子仪器所具有的各种功能。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，对硬件输入的数据进行各种处理，灵活的定义各种输出，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器系统利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等。 LabVIEW是目前国际上应用最广、发展最快、功能最强的图形化
32、虚拟仪器开发环境之一，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示等领域。 LabVIEW是一种基于图形编程语言（G语言）的开发环境，它与C， Basic， VB，Delphi等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程；而LabVIEW使用图形语言（即各种图标、图形符号、连线等）编程，界面非常直观形象，使用的都是人们熟悉的旋钮、开关、波形图等。 LabVIEW软件的主要特点：1）图形化的编程方式，无需设计者编写文本格式的代码；2）提供丰富的数据采集、分析、及存储的库函数；3）提供传统
33、的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供独特的执行工具，使程序的调试和开发更为便捷；4）32位的编译器编译生成32位的应用程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速、精确执行；5）提供PCI，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485，USB等各种总线标准的功能函数，简化设备驱动程序的设计；6）提供大量与外部代码和软件进行链接的机制，如DLL、DDE、ActiveX等。利用LabVIEW设置串口通讯，向单片机发送命令，读入温度采集数据。对这些数据进行处理后，显示在曲线图和表格中，也可以以文件的形式保存到磁盘上。用户可以对采集参数进行设置或更改，如：测量时间间隔、温度上下限报警、通道
34、显示方式等。 设计程序的执行界面，包括用户控制和参数设置部分，参数显示部分和数据显示部分。为了能充分利用计算机强大的数据处理能力和良好的人机控制界面，本次设计使用LabVIEW8.2版设计虚拟仪器界面。2.3 系统的总体方案设计和工作原理简述2.3.1 系统总体方案设计系统的总体示意图如图2-1：计算机为主机，单片机为从机。计算机通过图形化的界面接收用户的命令和参数设置，通过串口向单片机发送相应的命令和参数。单片机查询串口输入，读入命令字，根据该命令执行相应的程序模块，如：启动温度数据，发送温度数据，显示热像图等。单片机完成一次温度数据采集后，将数据发送到串口，计算机接收温度数据，进行格式转换
35、后，显示输出，并对温度数据进行一些处理，如温度上下限报警、保存数据等。总体方案如图2-1所示。图2-1总体方案图本设计重点完成下位机部分，下位机总体方案图如如图2-2。下位机由步进电机驱动，A/D转换，串口通信和STC 12C5A16AD组成的单片机最小系统这四大部分组成。通过驱动无刷电机带动温度采集系统对水泥窑胴体温度进行采集，并将采集到的温度信息经A/D转换后传给单片机。在单片机和PC机之间为由MAX-485组成的电平转换电路，实现PC 机和单片机的串行通信。下位机系统如图2-2所示。制冷系统LED显示按键设定部分温度扫描系统电平转换电路（MAX485）图2-2下位机系统框图A/D转换部M
36、CU（STC 12C5A16D）2.3.2 系统工作原理简述红外测温系统在计算机的控制下，红外扫描测温仪中的辐射测温仪按快速扫描的方式，将窑胴体表面各测量元的温度按一定顺序和扫描轨迹转换成电信号，经前置放大器处理后，采集到单片机中，再经AD转换和同步数据处理发送到上位机作显示、保存等处理。系统采用复合快速扫描是一种同步扫描，它满足下述基本条件：（1）由于回转窑是不停地旋转的，且旋转速度不断变化，作为一个监测系统，温度检测的扫描速度应和窑旋转速度的变化正确地对应，称为SR同步；（2）窑胴体温度是一个可表达为：T = f(x，y，t，c，e)的多变量函数，检测所得的温度值必需和与其相对应的测量元在
37、窑胴体表面的位置正确对应，称为DP同步；（3）作为窑胴体温度监测系统，必需保证在扫描过程中，被监测范围内的任何一个测量元不会被漏检，避免形成所谓的“盲点”；同时，为了提高系统的效率和可靠性，也不能对某些测量元重复检测。简言之，要求做到不漏不重,称为NN原则。整个待测段胴体表面划分成若干个测量元。系统控制步进电机带动红外扫描头作高速旋转每分钟1500转，扫描胴体横向温度数据，从窑头到窑尾共128个数据；由于水泥窑的自转每分钟4转，相对外红扫描头的旋转速度水泥窑的自转速度较慢。这样就完成了水泥窑胴体二维热像图的扫描，经计算系统把水泥回转窑纵向180等分，并由水泥回转窑下面的窑同步传感器完成纵向同步
38、扫描，形成成128*180的二维热像图，并保证了扫描的温度值与测量元位置正确对应。扫描原理如图2-3所示。窑体长度角度/度0图 2-3 扫描原理示意图第3章 系统硬件设计系统下位机的功能是由硬件电路配合软件来共同实现的，硬件主要由红外测温扫描仪部分、单片机控制部分、电源电路、串口通讯、AD转换电路和无刷直流电机部分等模块组成。下面就对本系统下位机硬件模块进行详细分析。3.1系统模块电路组成系统主要有以下几个模块组成：单片机控制部分、无刷直流电机驱动部分、串口通信、状态显示、前置信号处理等部分组成。（1）单片机控制部分：处理器采用STC 12C5A16AD单片机。（2）红外扫描测温部分：包括红外
39、测温仪、低噪声前置放大器。 （3）电机驱动部分：采用德国佛朗克公司的FBL-60K01151RS型号无刷直流电机。（4）AD转换部分：采用单片机内置模数转换器ADC。（5）通讯部分：主从CPU之间的通讯采用MAX-485串口通信。（6）电源部分：电源电路包括单片机控制系统以及外围芯片的供电。3.2 单片机最小系统设计STC 12C5A16AD器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有32个数字I/O引脚。引脚如图3-1所示。图3-1 STC 12C5A16AD单片机引脚图下面列出了一些主要特性：1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统80512.工作电压：5
40、.5V - 3.5V（5V单片机）3.工作频率范围：035MHz，相当于普通8051的0420MHz4.片上集成1280字节RAM5.通用I/O口：每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA6.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数即可完成一片7.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)8.看门狗9.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）10.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器
41、11.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5%到10%以内)，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准12.共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再上2路PCA模块可再实现2个16位定时器13.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟14. 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3
42、.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2), CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)15.PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）-也可用来当2路D/A使用-也可用来再实现2个定时器-也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)16.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)17.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件 ，可再用定时器或PCA软件可再用定时器或PCA
43、软件实现多串口18.工作温度范围：-40 +85(工业级)/0 75(商业级)单片机最小系统如图3-2所示。图3-1 STC 12C5A16AD管脚图图3-2 单片机最小系统3.3红外扫描测温部分红外扫描测温部分，主要检测窑胴体烧成带的表面温度。由红外测温仪、前置放大电路等组成。通过驱动装置带动红外测温仪高速旋转和水泥窑的自转完成对回转窑的二维温度扫描，红外测温仪将回转窑的窑体温度信号转换为电信号，经前置放大电路和滤波电路处理后送至单片机分析和处理。3.3.1红外测温原理任何物体都会不停地向周围空间辐射能量，这种能量是以红外线形式存在的，我们通常称之为热辐射。由此可以检测物体的热辐射，进而根据
44、物体的热辐射与温度之间的定量关系来确定物体温度的测温，这种方法称为辐射测温法。也就是说，检测到物体的辐射功率，即可以获知物体的温度，这就是辐射测温的基本原理。在具体操作的时候，因检测的物理量和检测方法的不同，红外辐射测温又可以分为检测辐射温度、亮度温度和颜色温度。在胴体温度监测系统中检测的一般为辐射温度。3.3.2红外测温仪的选型和结构红外测温仪是红外扫描测温系统的主要装置，由于现场条件恶劣，因此对红外测温仪的性能要求较高，同时又要保证性价比，本设计选用上海技术物理研究所生产的热电制冷型碲镉汞红外测温仪。 该测温仪采用了碲锅汞光电导型芯片作为红外敏感元件；并采用了微型热电致冷器制冷，来提供敏感
45、元件与环境的温差。具有室温工作、灵敏度高、响应快、高可靠与稳定性、致冷快、方便易用等的特点。另外，在致冷器的冷面上还装有测温元件，以便于测定和控制芯片的工作温度。 红外测温仪由传感器A2PTMI、透镜、反射镜、参考黑体、电机和外壳组成，其工作原理如下：红外传感器通过反射镜的反射测量到被测目标，电机驱动反射镜的高速旋转完成对被测目标的扫描。下面重点介绍红外传感器A2PTMI，红外传感器A2PTMI是一种内部集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途红外热电堆传感器，这种集成红外传感器模块将目标的热辐射转换成模拟电压。其原理如下：该芯片为一个光导型电阻元件，当有一与其波段响应对应的红外辐射
46、投射在光敏元上时，其电导增大，通过偏置电路将其电导的改变转换成电压的改变。对入射进行调制即可获得一个交流的信号电压。因此该器件工作是必须有一个工作电流（偏流）。给探测芯片加偏置，一般采用恒流电源。通常的偏置电路，参照图3-4。串联电阻R可按下式估算：R5*探测器的电阻 或R=电源电压/偏置电流探测芯片的噪声输出一般比较低，偏置电路的组成应该确保低噪声，串联电阻应采用低噪声电阻（如金属膜电阻）。在一定的范围内，偏流增大探测器的电压响应率随之增大，器件的噪声也随之增大，每个器件均有达到最佳噪声比值的最佳工作偏流。偏置电路如图3-3所示。DC12V串联电阻R探测器图3-3 偏置电路图该传感器自带距离
47、系数D：S=8：1 的光学系统，通过该透镜接收空气中的红外辐射，然后转换成相应的电压信号，该信号通过一个8 bit 分辨率的可编程放大器放大。根据热电堆温度测量原理，热电堆电压可能是正或者负，取决于目标温度是否高于或者低于A2TPMI 的环境温度。为了使负电压信号能在单电源系统处理，所有的内部信号都连接到1.255 V 内部电压参考(Vref) ， 作为虚拟模拟地信号。为了热电堆放大电路偏置电压的调整，放大器上带了一个能产生有8 bit 分辨率偏置电压的可编程调整部分。此外，A2TPMI 内部还集成有温度传感器来探测环境温度，这个信号被放大后匹配热电堆放大信号曲线的反向特性，进行信号处理。为了温度补偿，放大的热电堆信号和温度参考信号相加于一个放大器。经过温度补偿放大后的信号输出到VTobj 脚，温度参考信号或者参考电压输出到Vtamb 脚。A2TPMI 的工作特性由一个内部随机存取寄存器进行配置，所有的参数/配置永久地存在并行E2PROM 内。控制单