家用燃煤鍋爐控制系統

改造者：邱立存 艾亞楠

本著節約資源，方便生活的原則，對家用燃煤鍋爐的自動運行，需要進一步完善和改進。以STM32 為核心設計一套自動控制系統，保證鍋爐的鼓風機、給煤機及循環水泵的自動運行。為了生活更加方便，利用GPRS 遠程控制鍋爐的溫度。

在我國北方寒冷的冬季，供暖是一項與人們生活息息相關的工作。目前，大部分地區已經實現集中供暖，但仍有部分地區沒有實現，這就需要有自己的供暖系統。而鍋爐供暖是主要形式。家用鍋爐根據不同的燃料分為多種形式，目前主要采用的有燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐和電鍋爐。從運行經濟成本來說燃煤鍋爐占據很大的優勢。家用燃煤鍋爐需要保證24 運行，需要一套自動裝置，保證自動運行。同時為了節約資源避免浪費，結合GPRS遠程控制鍋爐的溫度。下面對其設計進行詳細介紹。

鍋爐介紹

家用自動燃煤鍋爐如圖1 模型。

將1、2、7、11、12 接入控制器，通過控制器實現其自動化控制。例如：自動控制進煤量、自動控制熱水循環、自動控制溫度、自動保持火維持燃燒等。

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通過信號調理模塊、A/D轉化模塊輸入微處理器控制單元，控制單元對數據進行處理，以保證鍋爐的安全運行。在控制版面上有水溫顯示和水溫設定。

圖1

報警輸出

水溫升到85℃時，發出警報聲，超溫指示燈亮，同時，風機煤機全停，水泵繼續運轉；水溫低于報警溫度2℃時，設備恢復正常運行，報警聲停止。當給煤機構由于某種原因使電機超載時（超載程度可調），發出另一種報警聲，超載指示燈亮，同時風機煤機全停，水泵繼續運轉，人工排除故障后，手動復位，重新啟動。當爐內缺水，爐排超溫，傳感器異常時也均可實現報警功能。

復位功能

自動復位：停電后20min 內重新來電時，自動復位，即使設備自動投入運行。手動復位：停電20min 后重新來電時，發出報警聲，通知用戶重新點火和啟動。

其他

風機和煤機的調速范圍是0～額定轉速。另外對煤機有一個超載保護。一旦煤機發生故障，風機和煤機講全部停止工作。由于水溫會不斷變化，需要有一個循環定時器。實現循環定時輸出。

STM32

本文中研究的全自動家用燃煤鍋爐目前，大部分自動燃煤鍋爐的控制器一般采用單片機進行控制，盡管單片機能夠實現一些自動控制，但是由于它自身的限制，功能比較單一，如果使用ARM 進行控制，控制功能會增強，能夠實現更多的功能控制，例如，本設計中將會考慮ARM與GPRS 結合，實現遠程控制，這樣會為了全自動控制更加方便。本設計采用的芯片是STM32，綜合考慮鍋爐的控制要求，STM32 能夠完成自動燃煤鍋爐的控制任務。

控制器的總體考慮

根據對該控制裝置的控制要求，它應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，本鍋爐的報警溫度是85℃，如果鍋爐的溫度過高，對鍋爐本身并不好，容易減少使用年限。因此，在鍋爐內設置一個溫度傳感器，與芯片連接，一旦超出溫度，則會發出報警。風機，煤機也會相應的停止工作。熱電偶是一種常用的測溫元件，本鍋爐采用的是一種常規的熱電阻PT100，它的電阻阻值會隨著溫度的增長而勻速變化，靈敏度也非常好。PT100 在 0℃時阻值恰好為 100Ω，在 100℃時阻值為138.5Ω。該鍋爐采用 PT100 熱電偶和 OP497 芯片組合構成本系統的測溫電路。以下是溫度采集的電路設計（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和調零電路、放大電路構成。其中熱電偶和 R1、R5、RW1、OP497 構成調零電路，調零電路的作用就是控制失調電流。最后就是由R6、RW2 和 OP497 構成的運算放大電路。溫度采集的原理就是熱電偶隨著溫度變化自身電阻發生變化，進而電流發生變化，再將這個變化的電流放大輸出給 AD 轉換電路，最后再由 AD 輸出給芯片處理，處理后就測得了水溫。

風機調速電路

鍋爐鼓風采用直流風機，該風機本身具有PWM 調速控制電路，通過調節PWM 輸入端信號占空比即可調節風機轉速（0～100%）。

通過STM32 的信號輸出端口控制風機控制電路PWM 輸入端，軟件調節信號占空比實現調速。

煤機調速電路

給煤機構驅動動電機為直流無刷電機，內部具有調速電路，可調節其輸入電壓（0～5V）來控制電機轉速，達到控制供煤量的目地。要控制電機控制電路電壓輸入端電壓，芯片需要外接D/A 轉換電路，在此采用MAX518雙路輸出D/A 轉換芯片，其輸出電壓通過接口由軟件進行控制。

煤機超載檢測電路

為保證給煤電機在機械部分卡住的情況下不因過載而損壞，設置了過載保護電路。

由于電機功率不大，電機超載檢測電路采用在電路中串聯電阻，通過檢測電阻上電壓從而反映電路中電流的方法，來檢測電機的負載情況。其中電壓經光電隔離和放大檢波后，送入A/D 輸入端，由芯片判斷電機是否超載。由于要檢測220V 強電的電流大小，電壓檢測電路中必須使用隔離技術，在此采用光電隔離放大器，由運放TLC2272、光耦PC827 及檢波電路構成。

報警電路

由NE555 芯片及阻、容器件組成約1000Hz 的振蕩電路直接驅動揚聲器，由芯片控制振蕩電路的振蕩與否。

遠程溫度控制

本著節約資源，充分利用資源的原則，利用GPRS遠程控制鍋爐的溫度，隨時調節溫度，當人們不在家的時候可以把溫度適當降低，回來之前把溫度調高，節約資源。同時，如果人不在家出現報警，會通過信號通知。

GPRS 模塊直接和ARM 連接，GPRS 聯網傳輸數據。

控制器的總體方案

經過上述分析，可以得出控制器的總體方案，如圖3所示。

結束語

全自動家用燃煤鍋爐使用功能更全，更強大的芯片代替了比較單一的單片機控制，顯示可以不在單一的數碼管顯示，該設計還增加遠程控制，使鍋爐的控制更加先進，對資源利用也更加合理。