摘 要

近代以来，中国工业飞速发展，其中水泥也因为中国大量的基建项目而成为了一种关键性的建材。而水泥的生产过程需要用到回转窑来烧制石灰石，在烧制过程中温度最高可以达到一千六百多度。所以回转窑的监控系统变得十分受重视。

由于技术限制，一般厂商只能使用离线检测的方法来控制回转窑的燃烧温度，也就是技术员工到回转窑附近去观察，用经验来判断石灰石的烧制情况。这就十分不利于人身安全。

针对这个问题，我决定设计一个在线监测系统来帮助水泥生产企业来规避一部分威胁人身安全的因素。我将基于单片机来设计一个远程温度显示系统，工人们只需要在回转窑未运行时提前到回转窑上安装传感器，并将控制和显示模块通过信号线连接到安全地区来监测回转窑的运行情况。在实际调查过程中我发现，主要是因为水泥回转窑的传感器工作环境恶劣，其中，温度超出了大部分温度传感器的检测范围，再就是气压传感器，很多气压传感器无法在高温下正常工作，才导致了在线监测系统不易实现。

在这篇论文中，我完成了温度传感器之间的比较，并选择了合适的温度传感器；同时也完成了气压传感器之间的比较，也选择出了合适的的传感器。就系统的可行性来讲，我完成了一个简单的替代仿真实验证明了系统的可行性，并证明了系统可以实现。

关键字：水泥回转窑；单片机；热电偶温度传感器；多点温度气压监测

Abstract

Since modern times, China's industry has developed rapidly, and cement has also become a key building material because of China's massive infrastructure projects. The production process of cement requires the use of a rotary kiln to burn limestone. The temperature can reach a maximum of 1,600 degrees during the firing process. Therefore, the monitoring system of the rotary kiln became very important.

Due to technical limitations, the average manufacturer can only use the offline detection method to control the combustion temperature of the rotary kiln, that is, the technicians go to observe near the rotary kiln and use the experience to judge the firing condition of the limestone. This is very detrimental to personal safety.

In response to this problem, I decided to design an online monitoring system to help cement manufacturers avoid some of the factors that threaten personal safety. I will design a remote temperature display system based on a single-chip microcomputer. The workers only need to install the sensors on the rotary kiln in advance when the rotary kiln is not running, and connect the control and display modules to the safety area through the signal line to monitor the operation of the rotary kiln. . In the actual investigation process, I found that the main reason is that the working environment of the sensor of the cement rotary kiln is poor, in which the temperature exceeds the detection range of most temperature sensors, and then the air pressure sensor, many pressure sensors can not work normally under high temperature, leading to The online monitoring system is not easy to implement.

In this paper, I completed the comparison between the temperature sensors and selected the appropriate temperature sensor. At the same time, the comparison between the air pressure sensors was completed and the appropriate sensors were selected. In terms of the feasibility of the system, I completed a simple alternative simulation experiment to prove the feasibility of the system and proved that the system can be implemented.

Key words: cement rotary kiln; single chip microcomputer; thermocouple temperature sensor; multi-point temperature and pressure monitoring

目 录

1绪论 1

1.1 选题的背景目的及意义 1

1.1.1 背景 1

1.1.2 目的 1

1.1.3 意义 2

1.1.4 国内外研究现状的分析 2

1.2 设计的基本内容 5

2硬件电路设计 6

2.1 硬件开发工具 6

2.1 硬件电路各模块设计 6

2.2.1 MCU模块 6

2.2.2 测温模块 8

2.2.3 气压传感模块 9

2.2.4 七段数码管模块 11

2.2.5 蜂鸣器模块 12

2.2.6 按键模块 12

2.3 总体电路设计 13

3单片机程序设计 15

3.1 软件开发工具 15

3.2 温度传感器模块 15

3.3 气压传感器模块 17

3.4 七段数码管模块 19

3.5 蜂鸣器报警模块 21

3.6 按键模块 22

3.7 仿真结果 23

4结论 24

致 谢 26

1绪论

1.1 选题的背景目的及意义

1.1.1 背景

回转窑是建筑材料生产设备的一种。水泥回转窑是水泥熟料干湿生产线的主要设备。依据加热办法的区别，可分为两种：内部加热和外部加热：

内部加热式回转窑的材料与窑内热量以及窑内气体直接接触，通过调节窑内气氛，实现炉内的氧化或还原气氛。 缸体内壁采用抗火烧砖块砌成，封头内表面和尾盖内表面为强度较高的抗磨损浇注而成的材料， 可在缸体盖和尾部盖与缸体之间形成可动性密封。 能完全清除扬尘和物料外漏。 可采用多级支撑，气缸长度可达六十米，最高的工作状态温度可达一千六百摄氏度。产量大，适用于液化气、天然气、燃料油、煤粉、煤碳等燃料。

外加热回转窑的材料与窑内热量及窑内气体不会直接接触，热量源头在加热炉和筒体中间，经过抵抗高温钢质筒壁传递热量来使物料提升温度，加热炉内表面为耐高温纤维材料，可节能降低材料消耗。受加热升温方法及筒体制造材料的限制，一般来讲筒体最大长度不大于15米，加热的极限只能不高于1200℃。小规模生产，适合使用加热方式为：电动加热、燃烧天然气、燃烧石油、燃烧煤矿等。

回转窑是生产水泥的厂商使用的大型核心生产制造装备，它的工作性能与运转状况队厂家的经济效益有着巨大的影响。只能先保证回转窑的稳定运行和生产安全，其它数据的在线监测才有存在意义，这样分析的话，回转窑的安全工作的监测就是其在线监控的前置条件。综合以上来说，本课题应该对回转窑的窑头、窑尾负压、入窑二次空气温度、窑尾气体温度等参数，进行监测并在不安全状态下报警。

这些年来，我们国家的水泥行业中已达合计六百余台投入使用。水泥年生产量为4亿多吨，位居世界第一。回转窑是水泥生产的核心装备，为了提高水泥的年产量以及质量，就需要且必需提升回转窑的技术核心硬实力。提升回转窑自动化生产水准、提升生产的效率速度、降低设备损坏和事故发生率、减少维修设备消耗的关键核心技术， 也就是实现回转窑的在线监测系统。

1.1.2 目的

这些年来，伴随着我国能源消耗量的缓步加重，能源开发对自然环境的破坏日益严重，环境保护以及能源使用效率逐渐被人们重视起来。而水泥生产行业则是高能源耗费行业，其中回转窑的热量散失损耗占了很大一部分，这也使得回转窑热效的监测慢慢变成了水泥生产行业节约能源减少排放的公众视线焦点。现阶段水泥厂商对水泥熟料烧制系统热效率统计运算有了一个成熟的制度准则，一般来讲，是通过热工标定记录数据，再离线运算获取结果，单热工标定间距耗时较长，无法有效反映实时状况，这队于热效的在线监测有不良影响。

对这种情况，我决定设计一种回转窑在线检测系统，依照实际的生产数据，结合单片机系统和前人经验，设计并改善回转窑的在线检测系统。

1.1.3 意义

现在，最新的干法水泥生产工艺是水泥厂商制造水泥使用的重要生产工艺，水泥生产的回转窑生产部分是最新的干法水泥制造的核心环节， 其主要包括作能源使用的燃料的燃烧效率，燃料燃烧转化为化学能的过程中的无效消耗， 初始热量以多形式的传递与散失。 作为水泥熟料烧制的关键热能损失消耗部分，它的能量消耗的标准直接关系到整条水泥生产线的能量使用效率和整个生产厂的经济。通过对水泥回转窑的在线检测系统的设计，对回转窑烧制水泥的过程中能量使用效率的实时检测，结合人工控制回转窑的工作情况来提升能源使用效率，就能直接达到节约能源减少排放的效果，并提升了生产效率。对回转窑的连续在线监测，就能及时且精确地观测回转窑温度的波动状况；连续在线监测可以免除人工脱机测量情况下漏检；自动监测系统能直接迅速地表示出温度数据并辅助人工进行温度分析，这减少了技术员工的劳动量，使用在线检测系统也能巨幅减少检测员工的作业强度； 在线监测还能及时发现掉窑皮、掉砖、红窑等等情况，可以极大地削减事故发生概率，还能辅佐管理者队未来的温度变化曲线进行分析，合理地安排检查设备维护的计划，从而减少生产的投资。

1.1.4 国内外研究现状的分析

这些年以来，水泥制造厂的能量利用率的公众关注度日益增高，伴随我国“十一五”发表的节约能源减少排放的口号，这就令降低水烧制期间能量利用的高效变得重要且关键。而且作为世界工业生产领军国家，德国，在2011年提出了第四代工业，其被定义为十大未来项目之一，这已经升级成为了国家级策略，为了加速我国工业生产区域的改革的研究与创新的出现。为了提高水泥生产的能量利用效率，国内外的学者进行了较多研究，比如新型干法水泥工艺的提出，通过改造，减少了耐火砖等的材料消耗，提高了换热效率。但以上研究都只是基于理论参数的计算，这需要通过离线测量完成，不能进行在线监测。

作为一种集干燥与焙烧功能一体的热工制造装备，回转窑，它被广泛应用于有色冶炼、钢铁冶金、化工、水泥、氧化铝、建材、耐火材料等行业的生产过程中，并在这些领域的生产线上占有非常重要的地位，其运行状况好坏，在很大程度上，它决定了公司产品的质量和产量。

鉴于各个行业或领域之间的生产工艺有一定区别，回转窑内部部件的材料类型、加热物料的方法、燃料种类、温度高低、窑头窑尾负压控制的范围等区别较大，但在大部分状态下的窑内温度测定和控制，回转窑在每个监测点的温度检测的精确度对最终产品的质量、产能、能效、成本和操作安全有着决定性的影响，以至于可以影响回转窑的运转效率。回转窑的回转运动使得回转窑温度检测变得十分不易。因此，窑内温度的检测被公认是一个难点。

现行的温度检测设备和检测方式有很多种，可是大部分都难以保证稳定的运转，这使得水泥生产的燃料和供气等无法高效管理，并有一定几率导致窑内温度分布不均。如果窑内得温度过高，会造成过度燃烧，相反，会造成燃烧不充分，这都达不到物料焙烧需要的结果。因此，选择一种精确、低成本、实际可用的回转窑在线实时测温系统是确保回转窑运转的关键方法之一。

冶炼、建材、化工、环保等行业的回转窑根据生产工艺的差异稍有差别，但温度检测方法大都是相似的。现有的测温方式有很多类种类，热电偶温度传感器，温度和红外扫描传感器，红外拍照热成像并进行比色来达到测温的目的，水泥回转窑窑头温度监控系统，还有一些基于数据建模的软件检测温度方式。水泥回转窑窑头温度监控系统采取的方式有红外扫描、窑炉工业电视、比色温度计等等方式。而在基于数据建模的软件测量方式中使用的基础数据也被用在作红外扫描、人体扫描仪、CCD工业摄像机等设备中。

观察法：

（1）人工观察法

工作人员上一线观察测温是最为原始的回转窑温度检测方法之一。技术人员透过回转窑窑头的观看窗口或者观测孔实时观测窑内物料的的焙烧，借此分析窑内煅烧区的大致温度并手动记录为纸质档。 但这也导致了每个技术工人依照自己的经验都会观测出不同的数据，这就导致了温度检测的不精确。尽管说这个方法存在一定的人工测量误差，但操作方便简洁，只需要支付员工工资就可以工作。 所以它到现在还用于一些生产准确度要求不高的温度测量回转窑环境。

（2）工业电视图像观测方法

这个方法严格意义上来分，也属于人工观察法。它只需要通过信号线将视频信号输送到中心控制间。在中央控制间中，技术员只需观看电视显示屏就可以远程判断窑内的燃烧情况来代替现场观察窗观察，这避免了现场安全无法保障的问题。

接触测温-热电偶：

直接接触式温度测量也是传统温度测量的方式之一。 它通过检测回转窑轴线上的温度，并在横穿回转窑筒的方向上安装一个温度传感设备（如热电偶），用来直接测量窑内的温度。 该方法可在回转窑的所有类型和规模中使用，通用性很高。在直接接触式温度测量中，一般地，使用与回转窑轴线同心的用于温度信号传送的滑环，它使用了滑环以及固定在回转窑体上的外部刷来完成。 该系统提取的温度传感设备的热电动势。 热电偶的两个检测端口分别连接到两个滑环上。 两个滑环分别与一个刷子连接，刷子固定在连杆上。 电刷通过信号线连接到PLC或DCS system，每个滑环只能更换1根导线。

该方式的长处是温度信号能直接真实地反映回转窑内的温度。但是主要有以下几种缺点：

1滑环和刷子在经过一段时间工作后会就严重磨损，这关系到信号输出的稳定性，从而导致温度监测的不准确；

2因为热电偶保护管长时间在高温下的经受冲击、磨损和腐蚀，这直接导致了其寿命很短。

3该方法获得的信号难以用于闭环控制，只能作为计算机监控器使用；

4热电偶温度传感器只能检测窑内的温度。一旦要检测回转窑系统中整个轴的截面的燃烧温度，就得安装足够传感器并配备足够用的滑环，这就极大地提高了投入资本。 信号传输也可以通过无线通信来实现，例如将插入在窑中的热电偶的补偿导线插入到信号发送装置中，信号发送装置将热电偶的检测信号无线发送到接收装置，然后通过其他方式输出到计算机。 和滑环 刷子的系统比起来，这个方法磨损比较轻。 而且安装简洁，信号稳定，但这种高科技就使得投资成本的增加。

非接触测温

（1）手工检验法

手工检查法是专业技术员工使用手持式温度计测量窑体热量的方法。单人使用的红外测温仪使用范围最广，它可远程检测回转窑表面的所有位置的温度。 但缺点是温度数据是离线测量记录，不能实时传输到计算机，因此不能参与自动控制系统的设计。 同时设备性能和操作者的使用熟练度也会影响到实际使用的效果，所以该方式测量的实时性、精确性和稳定性都难以保证。

（2）温度传感元件温度测量方法

温度传感元件测量法主要由温度传感元件和红外温度计来完成，安装一个管状热敏元件， 其一端在一个端部封闭，而一个端部开口在回转窑壁的径向上。红外测温仪的透镜安装在回转窑附近的窑径向的水平线上，温度传感元件的水平轴对准。当回转窑窑体表面的传感设备与红外扫描仪处于一水平线时，就能测得窑体内的温度数据，然后通过红外扫描仪上的显示器实时显示检测温度的数据。 实际测得温度是测量介质的温度，然后由这个数据就可以近似得到窑内温度。

这个方法中红外测温仪与窑体不会相互摩擦，极大地提高了刷子的使用寿命。 除此之外，温度传感器与窑内物料直接接触，确保了测量值的实时可靠性。但温度敏感元件会因为光路污染或偏差从而测量结果。 另外，温度传感器测得的温度是一个综合值，但实际上温度会被外部因素所影响。 而这些外部因素的变化多种多样，无法在测量元件上消除误差。因此温度传感器测量务必保证红外扫描仪的中心与温度敏感设备的中心对齐，以避免由光路偏差引起的检测数据误差。 与使用热电偶的测量方法相比，由于温度传感元件的尺寸增加，它比热电偶保护套管更强，使用寿命大大增加，但还能改进。虽然增加温度传感器的厚度可以提升强度，但会是的温度测量实时性变差。 要是能找出耐高温、抗腐蚀、强度高、耐冲击、可塑性高的材料来制造温度传感器，就能使得它的使用寿命得到质的改变。另一种使用温度传感元件的温度传感方法：安装在回转窑内的温度传感元件，未穿透回转窑。温度传感元件的宽端靠近窑的内壁，以确保它与窑内壁尽可能地接触并准确地检测窑温；保证温度传感器的尖端与窑外壁在同意水平线上。 并和固定支架连接到窑身上的红外温度计对齐端口，以最小化测量误差。

1.2 设计的基本内容

回转窑是水泥生产厂商的核心生产装备，它的效能与运转影响着生产商的效益。 只有先保障回转窑的安全运转，其它参数的在线监控才有意义，因此回转窑的安全检测是其在线监控的基础和前提。 本课题对回转窑窑头、窑尾负压、入窑二次空气温度、窑尾气体温度等参数，并测量。 要求有以下几点：1、了解回转窑的生产工艺过程，并分析在线监测系统的作用；2、整理并研究回转窑在线检测技术，并了解其在实际工厂中的应用；3、选择合适的气压、温度传感器并完成系统的硬件设计； 4、设计对应控制软件。

2硬件电路设计

2.1 硬件开发工具

Proteus VSM仿真是世界上第一个基于原理图的微控制器仿真工具，很快成为教育教学嵌入式系统的事实标准。现在，我们支持更多的处理器系列，以及比市场上其他任何工具更多的嵌入式外设和更多技术，并且我们仍然是该领域的全球领导者。

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