家用燃煤锅炉控制系统

改造者：邱立存 艾亚楠

本着节约资源，方便生活的原则，对家用燃煤锅炉的自动运行，需要进一步完善和改进。以STM32 为核心设计一套自动控制系统，保证锅炉的鼓风机、给煤机及循环水泵的自动运行。为了生活更加方便，利用GPRS 远程控制锅炉的温度。

在我国北方寒冷的冬季，供暖是一项与人们生活息息相关的工作。目前，大部分地区已经实现集中供暖，但仍有部分地区没有实现，这就需要有自己的供暖系统。而锅炉供暖是主要形式。家用锅炉根据不同的燃料分为多种形式，目前主要采用的有燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和电锅炉。从运行经济成本来说燃煤锅炉占据很大的优势。家用燃煤锅炉需要保证24 运行，需要一套自动装置，保证自动运行。同时为了节约资源避免浪费，结合GPRS远程控制锅炉的温度。下面对其设计进行详细介绍。

锅炉介绍

家用自动燃煤锅炉如图1 模型。

将1、2、7、11、12 接入控制器，通过控制器实现其自动化控制。例如：自动控制进煤量、自动控制热水循环、自动控制温度、自动保持火维持燃烧等。

功能要求

温度要求

首先是温度的采集，通过温度传感器采集的温度信号通过信号调理模块、A/D转化模块输入微处理器控制单元，控制单元对数据进行处理，以保证锅炉的安全运行。在控制版面上有水温显示和水温设定。

图1

报警输出

水温升到85℃时，发出警报声，超温指示灯亮，同时，风机煤机全停，水泵继续运转；水温低于报警温度2℃时，设备恢复正常运行，报警声停止。当给煤机构由于某种原因使电机超载时（超载程度可调），发出另一种报警声，超载指示灯亮，同时风机煤机全停，水泵继续运转，人工排除故障后，手动复位，重新启动。当炉内缺水，炉排超温，传感器异常时也均可实现报警功能。

复位功能

自动复位：停电后20min 内重新来电时，自动复位，即使设备自动投入运行。手动复位：停电20min 后重新来电时，发出报警声，通知用户重新点火和启动。

其他

风机和煤机的调速范围是0～额定转速。另外对煤机有一个超载保护。一旦煤机发生故障，风机和煤机讲全部停止工作。由于水温会不断变化，需要有一个循环定时器。实现循环定时输出。

STM32

本文中研究的全自动家用燃煤锅炉目前，大部分自动燃煤锅炉的控制器一般采用单片机进行控制，尽管单片机能够实现一些自动控制，但是由于它自身的限制，功能比较单一，如果使用ARM 进行控制，控制功能会增强，能够实现更多的功能控制，例如，本设计中将会考虑ARM与GPRS 结合，实现远程控制，这样会为了全自动控制更加方便。本设计采用的芯片是STM32，综合考虑锅炉的控制要求，STM32 能够完成自动燃煤锅炉的控制任务。

控制器的总体考虑

根据对该控制装置的控制要求，它应需要具备以下几部分电路。

图3

温度采集电路

锅炉的温度一般在80℃左右，本锅炉的报警温度是85℃，如果锅炉的温度过高，对锅炉本身并不好，容易减少使用年限。因此，在锅炉内设置一个温度传感器，与芯片连接，一旦超出温度，则会发出报警。风机，煤机也会相应的停止工作。热电偶是一种常用的测温元件，本锅炉采用的是一种常规的热电阻PT100，它的电阻阻值会随着温度的增长而匀速变化，灵敏度也非常好。PT100 在 0℃时阻值恰好为 100Ω，在 100℃时阻值为138.5Ω。该锅炉采用 PT100 热电偶和 OP497 芯片组合构成本系统的测温电路。以下是温度采集的电路设计（见图2）。

首先是左下角这部分电路是由TL431 和C2、C3、C4、C5 和R8 组成的稳压电路，为后面提供电源，输出的电压为2.5V。温度采集部分，它由热电偶 PT100和调零电路、放大电路构成。其中热电偶和 R1、R5、RW1、OP497 构成调零电路，调零电路的作用就是控制失调电流。最后就是由R6、RW2 和 OP497 构成的运算放大电路。温度采集的原理就是热电偶随着温度变化自身电阻发生变化，进而电流发生变化，再将这个变化的电流放大输出给 AD 转换电路，最后再由 AD 输出给芯片处理，处理后就测得了水温。

风机调速电路

锅炉鼓风采用直流风机，该风机本身具有PWM 调速控制电路，通过调节PWM 输入端信号占空比即可调节风机转速（0～100%）。

通过STM32 的信号输出端口控制风机控制电路PWM 输入端，软件调节信号占空比实现调速。

煤机调速电路

给煤机构驱动动电机为直流无刷电机，内部具有调速电路，可调节其输入电压（0～5V）来控制电机转速，达到控制供煤量的目地。要控制电机控制电路电压输入端电压，芯片需要外接D/A 转换电路，在此采用MAX518双路输出D/A 转换芯片，其输出电压通过接口由软件进行控制。

煤机超载检测电路

为保证给煤电机在机械部分卡住的情况下不因过载而损坏，设置了过载保护电路。

由于电机功率不大，电机超载检测电路采用在电路中串联电阻，通过检测电阻上电压从而反映电路中电流的方法，来检测电机的负载情况。其中电压经光电隔离和放大检波后，送入A/D 输入端，由芯片判断电机是否超载。由于要检测220V 强电的电流大小，电压检测电路中必须使用隔离技术，在此采用光电隔离放大器，由运放TLC2272、光耦PC827 及检波电路构成。

报警电路

由NE555 芯片及阻、容器件组成约1000Hz 的振荡电路直接驱动扬声器，由芯片控制振荡电路的振荡与否。

远程温度控制

本着节约资源，充分利用资源的原则，利用GPRS远程控制锅炉的温度，随时调节温度，当人们不在家的时候可以把温度适当降低，回来之前把温度调高，节约资源。同时，如果人不在家出现报警，会通过信号通知。

GPRS 模块直接和ARM 连接，GPRS 联网传输数据。

控制器的总体方案

经过上述分析，可以得出控制器的总体方案，如图3所示。

结束语

全自动家用燃煤锅炉使用功能更全，更强大的芯片代替了比较单一的单片机控制，显示可以不在单一的数码管显示，该设计还增加远程控制，使锅炉的控制更加先进，对资源利用也更加合理。