《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于嵌入式的水泥回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電子科技
楊怡婷 黃凱峰 歐陽名三
摘要: 本設(shè)計(jì)采用ARM LPC2119芯片及μC/0S-II操作系統(tǒng),快速紅外測溫掃描儀對回轉(zhuǎn)窯胴體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的測量,測量數(shù)據(jù)處理后,可以根據(jù)窯正常運(yùn)行的胴體表面不同區(qū)段的溫度范圍,設(shè)定報(bào)警溫度。窯運(yùn)行過程中,胴體表面任意一處實(shí)際溫度超過正常溫度時(shí),系統(tǒng)立即給出報(bào)警信號。
Abstract:
Key words :

0 引言

    在水泥生產(chǎn)過程中,最重要的工藝環(huán)節(jié)是水泥熟料的煅燒,回轉(zhuǎn)窯是實(shí)現(xiàn)水泥熟料煅燒的核心設(shè)備,它的運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接關(guān)系到熟料的產(chǎn)量、質(zhì)量和原料、燃料消耗。溫度過高、熱振蕩過大會引起回轉(zhuǎn)窯窯襯的損壞,嚴(yán)重時(shí)還會殃及窯胴體,回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)熟料的過程中,決定窯能否優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗地生產(chǎn)和安全運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素是窯襯。有鑒于此,在窯運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,實(shí)時(shí)地了解窯內(nèi)狀況,及時(shí)采取相應(yīng)的措施,防止窯襯及窯胴體損壞是回轉(zhuǎn)窯實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保證。

    回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)行過程中是不停地回轉(zhuǎn)的,其回轉(zhuǎn)速度不斷變化;窯胴體表面溫度是一個(gè)多變量函數(shù),它不但與時(shí)間、窯軸向位置、窯胴體表面周向位置等因素相關(guān),還受環(huán)境溫度及其它因素的影響,因此,窯胴體表面溫度不同于其他熱工參數(shù),難以用常規(guī)的檢測手段來檢測和顯示。

    本設(shè)計(jì)采用ARMLPC2119芯片及μC/OS-II操作系統(tǒng),快速紅外測溫掃描儀對回轉(zhuǎn)窯胴體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的測量,測量數(shù)據(jù)處理后,可以根據(jù)窯正常運(yùn)行的胴體表面不同區(qū)段的溫度范圍,設(shè)定報(bào)警溫度。窯運(yùn)行過程中,胴體表面任意一處實(shí)際溫度超過正常溫度時(shí),系統(tǒng)立即給出報(bào)警信號。

1 紅外輻射測溫原理簡介

    溫度高于絕對零度的物體,它就在不停地向周圍空間輻射電磁波。這種由于物體內(nèi)部的帶電粒子在原子和分子內(nèi)振動而產(chǎn)生的電磁波,稱為熱輻射。熱輻射只是整個(gè)電磁波的一個(gè)組成部分,熱輻射電磁波是由波長相差很大的紅外線、可見光、紫外線所組成。紅外輻射一般指波長在0.75~1000μm之間的熱輻射。普朗克黑體輻射模型是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn),絕對黑體的輻射能力與波長(λ)及溫度(T)之間的函數(shù)關(guān)系如式(1)所示:
    
    依據(jù)這一公式,我們可以繪制出在不同的絕對溫度(T)下,絕對黑體的單色輻射亮度(Lλ)與波長(λ)的函數(shù)曲線如圖1所示。


    由圖1可知:

    (1)隨著溫度的升高,輻射能量增加。這是紅外輻射測溫的理論依據(jù)。

    (2)隨著溫度的升高,輻射波峰向短波方向移動,其規(guī)律由維恩位移定律描述。
    λm·T=2898μm·K。通過維恩定律公式計(jì)算出的與某一確定的T所對應(yīng)的λm就是輻射波峰所對應(yīng)的波長。

    (3)輻射能量在短波長處隨溫度增加比長波長處快。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2. 1 系統(tǒng)組成

    本監(jiān)測系統(tǒng)由快速紅外測溫掃描儀、窯回轉(zhuǎn)同步信號發(fā)生器與嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成。如圖2所示。


    快速紅外測溫掃描儀是一種具有快速掃描功能的紅外輻射測溫儀,安裝在距回轉(zhuǎn)窯30~100m處的適當(dāng)位置,掃描角度為90°。它的旋轉(zhuǎn)掃描器通過光學(xué)系統(tǒng)接收來自回轉(zhuǎn)窯胴體表面一個(gè)特定區(qū)域(稱為測量元)的紅外輻射,測量元沿平行于回轉(zhuǎn)窯軸線的方向呈直線狀排列。快速紅外測溫掃描儀沿回轉(zhuǎn)窯軸線的方向每秒鐘掃描150次,回轉(zhuǎn)窯每轉(zhuǎn)一圈,產(chǎn)生200~400個(gè)完整掃描。某一個(gè)掃描得到的是:代表回轉(zhuǎn)窯胴體表面某一個(gè)狹窄區(qū)域溫度分布的電壓信號和基準(zhǔn)溫度的電壓信號,這些數(shù)據(jù)再經(jīng)過相關(guān)處理就可以得到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)某一區(qū)段的工況。如窯皮均勻與否、結(jié)圈情況、窯皮或窯襯脫落位置、熱斑的范圍等信息。

    窯同步基準(zhǔn)信號發(fā)生器在回轉(zhuǎn)窯每轉(zhuǎn)一整圈時(shí),產(chǎn)生一個(gè)用作同步基準(zhǔn)的同步脈沖,送入嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)以同步脈沖為基準(zhǔn),采集窯的溫度數(shù)據(jù)。

2.2 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    本嵌入式系統(tǒng)以LPC2119為核心,由最小系統(tǒng)、輸入通道和輸出通道等構(gòu)成,其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。


2.2.1 最小工作系統(tǒng)

    最小工作系統(tǒng)以PHILIPS公司的LPC2000系列ARM7微控制器LPC2119為核心,采用11.0592MHz晶振,并利用MAX708SD組成復(fù)位電路,它包含一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)微處理器復(fù)位模塊、一個(gè)供電失敗比較器及一個(gè)手動復(fù)位輸入模塊。系統(tǒng)電源采用78M05、LMlll7-3.3、LMlll7-1.8三種電路產(chǎn)生所需的工作電壓。

2.2.2 輸入通道設(shè)計(jì)

    輸入通道主要傳輸窯同步信號,采用TLP52l-2光電器件進(jìn)行隔離,同時(shí)采用三極管限流防止外部接線短路。輸入通道如圖4所示。

2.2.3 輸出通道設(shè)計(jì)

    輸出采用數(shù)碼管動態(tài)顯示回轉(zhuǎn)窯各區(qū)段溫度及工況,共計(jì)5位共陰極數(shù)碼管組成狀態(tài)顯示電路,由單向總線緩沖器74HC244提供段驅(qū)動,由反向緩沖器7406提供位驅(qū)動,輸出通道電路如圖5所示。

3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)采用μC/OS-II操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的平臺,可以避免傳統(tǒng)的前后臺程序設(shè)計(jì)時(shí)伴隨系統(tǒng)功能增加而造成程序編寫量呈指數(shù)增加以及資源調(diào)度不當(dāng)發(fā)生的死鎖現(xiàn)象,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

3.1 μC/OS-II的移植

    μC/OS-II是一個(gè)源碼開放的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其核心代碼結(jié)構(gòu)簡潔精練,具有足夠的穩(wěn)定性和安全性。μC/OS-II的移植對處理器有一定的要求,比如必須具有響應(yīng)中斷的能力,并具有開關(guān)中斷的指令,處理器必須可支持一定數(shù)量的硬件堆棧,并且應(yīng)該有對堆棧指令進(jìn)行讀/寫操作的指令等。同時(shí),移植時(shí)編譯器應(yīng)該具有產(chǎn)生可重入代碼的能力。本設(shè)計(jì)所選用的處理器LPC2119以及開發(fā)工具ADSl.2能滿足移植要求。μC/OS-II的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括核心代碼部分、配置代碼部分、處理器相關(guān)代碼部分。其中處理器相關(guān)代碼部分是移植時(shí)需要修改的部分,它包括OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S 3個(gè)文件,OC_CPU.H包括數(shù)據(jù)類型定義、堆棧單位定義、堆棧增長方向定義、關(guān)中斷和開中斷宏定義等。

    OS_CPU_C.C包含6個(gè)函數(shù),其中,OSInetEnter()是任務(wù)堆棧初始化函數(shù),是必需的,其他5個(gè)函數(shù)都是鉤子函數(shù),可以為空。

    OS_CPU_A.S這部分需要對處理器和寄存器進(jìn)行操作,用匯編語言編寫,包括四個(gè)函數(shù):OSStartHighRdy()函數(shù)被OSStart()調(diào)用,使就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行:OSCtwSw()在任務(wù)級切換函數(shù)中調(diào)用,保存任務(wù)環(huán)境變量,將當(dāng)前SP存入TCB中,載入就緒最高優(yōu)先級任務(wù)的SP,中斷返回等;OSIntCtxSw()在退出中斷服務(wù)函數(shù)OSIntExit()中調(diào)用,實(shí)現(xiàn)中斷級任務(wù)的切換;OSTicklSR()是系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍中斷服務(wù)函數(shù),它為內(nèi)核提供時(shí)鐘節(jié)拍,頻率越高系統(tǒng)負(fù)荷越重;使用硬件定時(shí)器作為時(shí)鐘中斷源,定時(shí)中斷頻率一般為10~100Hz。

3.2 用戶任務(wù)設(shè)計(jì)

    嵌入式系統(tǒng)中,合理的劃分任務(wù)及優(yōu)先級,不但能簡化軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、任務(wù)調(diào)度的正確性,而且還能增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、健壯性以及實(shí)時(shí)性。

    本系統(tǒng)軟件主要功能有:a.回轉(zhuǎn)窯工況顯示:b.溫度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理;c.窯同步信號采集;d.回轉(zhuǎn)窯胴體溫度掃描。

    基于μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),根據(jù)回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求,劃分了任務(wù)以及優(yōu)先級,任務(wù)優(yōu)先級取偶數(shù),為以后系統(tǒng)升級留下空間。如表1所示。

    TaskSart()是μC/OS-II初始化后運(yùn)行的第一個(gè)任務(wù),由它來創(chuàng)建自動信號系統(tǒng)的其他任務(wù),該任務(wù)執(zhí)行一次后刪除,自身不再執(zhí)行。Task_TemScan()任務(wù)對回轉(zhuǎn)窯胴體溫度掃描,Task_Synlnput()對回轉(zhuǎn)窯同步信號采集,Task_TemDataAccess()任務(wù)對掃描得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理,生成窯橫向、縱向溫度分布數(shù)據(jù),TasK_StaDisplay()任務(wù)顯示回轉(zhuǎn)窯各區(qū)段工況,Task_Clock()任務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘,各任務(wù)關(guān)系如圖6所示。

 


    在起始任務(wù)中,建立郵箱、信號量以及各個(gè)任務(wù);郵箱及信號量如下:

    Syn_Input=OSSemCreate(0);同步信號采集啟動信號量
    Tem Scan=OSSemCreate(0);溫度掃描啟動信號量
    Tem Data=OSSemCreate(0);溫度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理啟動信號量
    TC Mbox=OSMboxCreate((void*)(0)):回轉(zhuǎn)窯工況顯示郵箱

    軟件流程框圖如圖7所示。

4 結(jié)論

    (1)ARM系列微處理器LPC2119及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,增加了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性及靈活性。

    (2)基于LPC2119和μC/OS-II的水泥回轉(zhuǎn)窯胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)各項(xiàng)功能已初步得到驗(yàn)證。

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