学位论文基于单片机的胴体红外测温系统设计论文Word文档下载推荐.docx

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KeywordsSTC12C5A16AD，ADC 

，485SerialCommunications 

，InfraredTemperatureMeasurement,

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，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，

　　HWX—1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、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，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ε，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

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。

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。

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。

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，故选择方案三扫描方式。

2.2上位机虚拟仪器部分

虚拟仪器（VirtualInstrument）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STC12C5A16AD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。

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