改造者：邱立存 艾亞楠

本著節(jié)約資源，方便生活的原則，對(duì)家用燃煤鍋爐的自動(dòng)運(yùn)行，需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。以STM32 為核心設(shè)計(jì)一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)、給煤機(jī)及循環(huán)水泵的自動(dòng)運(yùn)行。為了生活更加方便，利用GPRS 遠(yuǎn)程控制鍋爐的溫度。

在我國(guó)北方寒冷的冬季，供暖是一項(xiàng)與人們生活息息相關(guān)的工作。目前，大部分地區(qū)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)集中供暖，但仍有部分地區(qū)沒有實(shí)現(xiàn)，這就需要有自己的供暖系統(tǒng)。而鍋爐供暖是主要形式。家用鍋爐根據(jù)不同的燃料分為多種形式，目前主要采用的有燃煤鍋爐、燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐和電鍋爐。從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本來說燃煤鍋爐占據(jù)很大的優(yōu)勢(shì)。家用燃煤鍋爐需要保證24 運(yùn)行，需要一套自動(dòng)裝置，保證自動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)為了節(jié)約資源避免浪費(fèi)，結(jié)合GPRS遠(yuǎn)程控制鍋爐的溫度。下面對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

鍋爐介紹

家用自動(dòng)燃煤鍋爐如圖1 模型。

將1、2、7、11、12 接入控制器，通過控制器實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制。例如：自動(dòng)控制進(jìn)煤量、自動(dòng)控制熱水循環(huán)、自動(dòng)控制溫度、自動(dòng)保持火維持燃燒等。

功能要求

溫度要求

首先是溫度的采集，通過溫度傳感器采集的溫度信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)化模塊輸入微處理器控制單元，控制單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以保證鍋爐的安全運(yùn)行。在控制版面上有水溫顯示和水溫設(shè)定。

圖1

報(bào)警輸出

水溫升到85℃時(shí)，發(fā)出警報(bào)聲，超溫指示燈亮，同時(shí)，風(fēng)機(jī)煤機(jī)全停，水泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；水溫低于報(bào)警溫度2℃時(shí)，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行，報(bào)警聲停止。當(dāng)給煤機(jī)構(gòu)由于某種原因使電機(jī)超載時(shí)（超載程度可調(diào)），發(fā)出另一種報(bào)警聲，超載指示燈亮，同時(shí)風(fēng)機(jī)煤機(jī)全停，水泵繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，人工排除故障后，手動(dòng)復(fù)位，重新啟動(dòng)。當(dāng)爐內(nèi)缺水，爐排超溫，傳感器異常時(shí)也均可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

復(fù)位功能

自動(dòng)復(fù)位：停電后20min 內(nèi)重新來電時(shí)，自動(dòng)復(fù)位，即使設(shè)備自動(dòng)投入運(yùn)行。手動(dòng)復(fù)位：停電20min 后重新來電時(shí)，發(fā)出報(bào)警聲，通知用戶重新點(diǎn)火和啟動(dòng)。

其他

風(fēng)機(jī)和煤機(jī)的調(diào)速范圍是0～額定轉(zhuǎn)速。另外對(duì)煤機(jī)有一個(gè)超載保護(hù)。一旦煤機(jī)發(fā)生故障，風(fēng)機(jī)和煤機(jī)講全部停止工作。由于水溫會(huì)不斷變化，需要有一個(gè)循環(huán)定時(shí)器。實(shí)現(xiàn)循環(huán)定時(shí)輸出。

STM32

本文中研究的全自動(dòng)家用燃煤鍋爐目前，大部分自動(dòng)燃煤鍋爐的控制器一般采用單片機(jī)進(jìn)行控制，盡管單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)一些自動(dòng)控制，但是由于它自身的限制，功能比較單一，如果使用ARM 進(jìn)行控制，控制功能會(huì)增強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能控制，例如，本設(shè)計(jì)中將會(huì)考慮ARM與GPRS 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，這樣會(huì)為了全自動(dòng)控制更加方便。本設(shè)計(jì)采用的芯片是STM32，綜合考慮鍋爐的控制要求，STM32 能夠完成自動(dòng)燃煤鍋爐的控制任務(wù)。

控制器的總體考慮

根據(jù)對(duì)該控制裝置的控制要求，它應(yīng)需要具備以下幾部分電路。

圖3

溫度采集電路

鍋爐的溫度一般在80℃左右，本鍋爐的報(bào)警溫度是85℃，如果鍋爐的溫度過高，對(duì)鍋爐本身并不好，容易減少使用年限。因此，在鍋爐內(nèi)設(shè)置一個(gè)溫度傳感器，與芯片連接，一旦超出溫度，則會(huì)發(fā)出報(bào)警。風(fēng)機(jī)，煤機(jī)也會(huì)相應(yīng)的停止工作。熱電偶是一種常用的測(cè)溫元件，本鍋爐采用的是一種常規(guī)的熱電阻PT100，它的電阻阻值會(huì)隨著溫度的增長(zhǎng)而勻速變化，靈敏度也非常好。PT100 在 0℃時(shí)阻值恰好為 100Ω，在 100℃時(shí)阻值為138.5Ω。該鍋爐采用 PT100 熱電偶和 OP497 芯片組合構(gòu)成本系統(tǒng)的測(cè)溫電路。以下是溫度采集的電路設(shè)計(jì)（見圖2）。

首先是左下角這部分電路是由TL431 和C2、C3、C4、C5 和R8 組成的穩(wěn)壓電路，為后面提供電源，輸出的電壓為2.5V。溫度采集部分，它由熱電偶 PT100和調(diào)零電路、放大電路構(gòu)成。其中熱電偶和 R1、R5、RW1、OP497 構(gòu)成調(diào)零電路，調(diào)零電路的作用就是控制失調(diào)電流。最后就是由R6、RW2 和 OP497 構(gòu)成的運(yùn)算放大電路。溫度采集的原理就是熱電偶隨著溫度變化自身電阻發(fā)生變化，進(jìn)而電流發(fā)生變化，再將這個(gè)變化的電流放大輸出給 AD 轉(zhuǎn)換電路，最后再由 AD 輸出給芯片處理，處理后就測(cè)得了水溫。

風(fēng)機(jī)調(diào)速電路

鍋爐鼓風(fēng)采用直流風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)本身具有PWM 調(diào)速控制電路，通過調(diào)節(jié)PWM 輸入端信號(hào)占空比即可調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（0～100%）。

通過STM32 的信號(hào)輸出端口控制風(fēng)機(jī)控制電路PWM 輸入端，軟件調(diào)節(jié)信號(hào)占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

煤機(jī)調(diào)速電路

給煤機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電機(jī)為直流無刷電機(jī)，內(nèi)部具有調(diào)速電路，可調(diào)節(jié)其輸入電壓（0～5V）來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制供煤量的目地。要控制電機(jī)控制電路電壓輸入端電壓，芯片需要外接D/A 轉(zhuǎn)換電路，在此采用MAX518雙路輸出D/A 轉(zhuǎn)換芯片，其輸出電壓通過接口由軟件進(jìn)行控制。

煤機(jī)超載檢測(cè)電路

為保證給煤電機(jī)在機(jī)械部分卡住的情況下不因過載而損壞，設(shè)置了過載保護(hù)電路。

由于電機(jī)功率不大，電機(jī)超載檢測(cè)電路采用在電路中串聯(lián)電阻，通過檢測(cè)電阻上電壓從而反映電路中電流的方法，來檢測(cè)電機(jī)的負(fù)載情況。其中電壓經(jīng)光電隔離和放大檢波后，送入A/D 輸入端，由芯片判斷電機(jī)是否超載。由于要檢測(cè)220V 強(qiáng)電的電流大小，電壓檢測(cè)電路中必須使用隔離技術(shù)，在此采用光電隔離放大器，由運(yùn)放TLC2272、光耦PC827 及檢波電路構(gòu)成。

報(bào)警電路

由NE555 芯片及阻、容器件組成約1000Hz 的振蕩電路直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，由芯片控制振蕩電路的振蕩與否。

遠(yuǎn)程溫度控制

本著節(jié)約資源，充分利用資源的原則，利用GPRS遠(yuǎn)程控制鍋爐的溫度，隨時(shí)調(diào)節(jié)溫度，當(dāng)人們不在家的時(shí)候可以把溫度適當(dāng)降低，回來之前把溫度調(diào)高，節(jié)約資源。同時(shí)，如果人不在家出現(xiàn)報(bào)警，會(huì)通過信號(hào)通知。

GPRS 模塊直接和ARM 連接，GPRS 聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

控制器的總體方案

經(jīng)過上述分析，可以得出控制器的總體方案，如圖3所示。

結(jié)束語(yǔ)

全自動(dòng)家用燃煤鍋爐使用功能更全，更強(qiáng)大的芯片代替了比較單一的單片機(jī)控制，顯示可以不在單一的數(shù)碼管顯示，該設(shè)計(jì)還增加遠(yuǎn)程控制，使鍋爐的控制更加先進(jìn)，對(duì)資源利用也更加合理。