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何金鳳
（唐山工業職業技術學院，河北唐山063299）
摘要：為了使生物質熱風爐在運行中能夠更節能更環保，同時成本更低，在綜合分析了當前的生物質熱風爐控制器的優缺點，設計了一款新型的生物質熱風爐控制器，該控制器采用了更先進的GD32單片機和顯示效果更好、成本更低的LCD斷碼屏，優化了鍋爐的各種風機的控制方式，增加了智能化的功能，降低了整機的成本。通過現場測試和長期運行測試，該控制器實現了生物質熱風爐在運行中更節能更環保的目標。
隨著國家制定“碳中和”環保目標，各地方對環保的要求越來越高。在鍋爐領域內，鍋爐燃燒產生的有害氣體對環境的污染很嚴重，國家為了治理這方面的污染，近幾年出臺了很多關于燃煤鍋爐改造的新政策。但是在有些區域，沒有谷峰電政策，不太適合用電取暖，同時燃氣輸送也不方便，因此以再生能源為燃料的生物質鍋爐成為了最佳選擇。生物質鍋爐燃燒的燃料為生物質顆粒，生物質顆粒是利用木材廢料經過加工制成的環保燃料，該燃料符合國家的環保標準。隨著生物質鍋爐越來越多，市場上出現了多種生物質鍋爐的控制器，其基本原則就是實現對生物質鍋爐控制的智能化、節能化。筆者根據生物質鍋爐的原理以及市場對生物質鍋爐控制器的要求，以生物質熱風爐為研究對象，設計了一款基于單片機控制的生物質熱風爐控制器。該控制器經過嚴格的市場調研，吸收了現有的生物質熱風爐控制器的優點，優化升級了控制方式，增加了控制功能，降低了成本，更加有利于實現熱風爐的節能環保和市場推廣。
1生物質熱風爐的結構及原理
1.1生物質熱風爐的機械結構及工作原理
生物質鍋爐是以生物質顆粒為燃料的鍋爐，通常分為生物質熱水爐、生物質熱風爐等多個種類。本文以生物質熱風爐為研究對象，生物質熱風爐工作原理是鍋爐燃燒生物質顆粒產生熱量，熱量經過換熱片產生熱氣，然后由風機以可調的風量排到室內，使室內房間溫度升高。生物質熱風爐的機械結構主要由爐體、爐體承載滾輪、燃燒池和點火裝置、排煙和進風裝置、熱風排風裝置、生物質顆粒料倉和送料裝置等組成[1]。
1.2生物質熱風爐的電氣部分及工作原理
生物質熱風爐的電氣部分由生物質料倉和送料裝置、排煙和助燃裝置、熱風排風裝置、自動點火裝置等組成[2]。
1.2.1生物質熱風爐料倉和送料裝置的電氣控制結構及工作原理
生物質熱風爐料倉和送料裝置是熱風爐的重要組成部分，其工作原理和電氣控制結構如下。
生物質熱風爐的料倉是存放生物質顆粒的地方，送料裝置由送料電機和爐排組成，送料電機是一臺自帶調速裝置的電機，由主控板輸出的電壓信號控制其轉速。在鍋爐工作的時候，送料電機啟動工作，料倉內的生物質顆粒由爐排傳送到燃燒池以供備用。該送料電機的轉速可以人工手動調節，也可以由控制器根據燃燒室的火力檔位進行參數的自動匹配。當室內溫度過低，控制器會根據溫度自動升高燃燒室的火力檔位促進燃燒，然后送料電機也會升高轉速，增加送料量。
1.2.2生物質熱風爐排煙和助燃裝置的電氣結構及工作原理
生物質熱風爐的排煙裝置由排煙管道和排煙風機組成。排煙風機是一臺自帶調速控制裝置的風機，由主控板輸出的電壓信號控制其轉速。排煙裝置主要有排煙和助燃兩個功能。排煙功能指：當熱風爐燃燒池的生物質顆粒燃燒的時候會產生煙霧，排煙風機啟動后煙霧會被排煙風機抽出燃燒室排出。助燃功能指：排煙風機運行時給燃燒室增加風力，增強空氣的流通，促進生物質顆粒燃燒。當室內傳感器檢測到室內溫度過低，控制器會升高排煙風機的轉速，排煙風機轉速越高則風力越大，生物質顆粒的燃燒火力越大，升溫越快。排煙風機的轉速可以人工調節，同時也可以由控制器根據溫度進行自動調節。
1.2.3生物質熱風爐熱風排風裝置的電氣結構及工作原理
生物質熱風爐的熱風排風裝置是由排風百葉窗和排風風機組成。排風風機的作用是把換熱片產生的熱風輸送到室內，升高室內溫度。該裝置的排風風機轉速由室內溫度傳感器控制，當室內溫度傳感器檢測到室內溫度低于設定值，控制器自動調節排風風機升高轉速，加大排風量，同時增加火力檔位。當室內溫度傳感器檢測到室內溫度高于設定值，控制器自動調節排風風機降低轉速，減小排風量，同時降低火力檔位。
1.2.4生物質熱風爐自動點火裝置的電氣結構及工作原理
生物質熱風爐的自動點火裝置由生物質顆粒點火棒和燃燒池構成，點火棒是由主控板的開關量進行控制。當熱風爐啟動后，生物質顆粒會被輸送到燃燒池，同時燃燒池內的點火棒得電工作，點燃生物質顆粒。當點火棒啟動后，控制器會根據爐體溫度判斷是否點火成功，點火棒在經過點火成功一段時間后，自動斷電停止工作。
2生物質熱風爐的硬件方案設計
通過對市場上生物質熱風爐機械結構和電氣結構的分析，筆者詳細研究了熱風爐機械結構和電氣結構的組成及熱風爐運行控制的優缺點[3]。市場上不同廠家的熱風爐控制器區別較大，有的控制器功能多，但是成本高，很多功能并不實用，不利于推廣。有的控制器成本雖低，但是功能簡單，人機交互抽象，不能滿足用戶需求。經過研究分析，筆者研發設計了新型的熱風爐控制器，該控制器具有自動化程度高、生產成本低、用戶體驗感好、控制精準、環保節能的優點。該控制器的總體設計方案框圖如圖1所示。
2.1生物質熱風爐控制器的組成設計
該控制器由兩塊電路板組成，分別為核心驅動控制板、顯示控制板。兩塊控制板的控制芯片均采用了兆易創新的GD32系列單片機，該單片機采用了二代M3內核，具有穩定性強、運行速度快、功耗低、使用成本低等優點。核心驅動控制板和顯示控制板安裝位置不同，為了保持通信的穩定性，兩塊控制板采用了Modbus通信協議。
2.1.1核心驅動控制板組成及工作原理
核心驅動控制板由開關電源電路、時鐘電路、傳感器電路、負載驅動電路組成。
1）電源電路。該控制器驅動的負載以風機電機為主，風機電機在工作的時候會產生大量的干擾信號，對電源的濾波有極高的要求[4]。該開關電源電路由220V變12V交流變壓器、整流電路、濾波電路、12V轉5V的穩壓芯片組成，經過測試，該電源電路的輸出電壓穩定，濾波能力強，滿足了整套控制板對電源的要求。電源電路組成框圖如圖2所示。
2）時鐘電路。控制器的時鐘電路由DS1302和外圍電路構成，該時鐘電路成本低、穩定性高，經過測試和實踐滿足控制器的要求。DS1302時鐘芯片是由DALLAS公司生產，該芯片穩定性好、精度高，可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時。該時鐘電路為控制器的定時功能、工作時間設定提供時間基準。
3）傳感器電路。控制器在工作的時候，需要通過傳感器的信號判斷當前整機的工作狀態，傳感器就是控制器的眼睛。該鍋爐控制器負載的狀態是根據對應的溫度值變化的。因此傳感器的數量和穩定性決定了控制器的穩定性和準確度。根據實際需求，該控制器采用了3個傳感器，分別為爐體溫度傳感器、室內溫度傳感器、缺料檢測傳感器，3個傳感器的作用如下。第一，爐體溫度傳感器的作用是檢測爐體的實際溫度，根據爐體的溫度可以判斷點火棒是否引燃了生物質顆粒，以確定是否點火成功，是否熄火成功。控制器可以根據爐體溫度設定超溫報警值，保護整個爐體和爐體內各部件的安全。爐體溫度一般在300~400度，因此該傳感器采用了K型熱電偶，該類型傳感器檢測范圍可以從0~1300度，同時線性度好、靈敏度高，穩定性和均勻性較好，抗氧化能力強，符合高溫環境的要求。第二，室內溫度傳感器的作用是檢測熱風排風口的溫度，控制器可以根據室內溫度值對熱風排風風機的轉速、排煙風機的轉速、進料電機的轉速進行調整。該控制器具有自動模式和手動模式，在自動模式下控制器會根據該溫度值自動匹配各風機電機的轉速，實現智能控制。有特殊要求的情況下，客戶可以通過手動模式手動調整各風機電機的轉速。第三，缺料檢測傳感器，該傳感器的作用是判斷輸送到燃燒池的生物質顆粒是否達到數量要求，該傳感器采用了一款接近開關，當生物質顆粒達到一定數量后，生物質顆粒會堆積到規定高度，接近開關感應到后開始動作，送料電機停止送料[5]。該傳感器要求響應快、穩定性高，本控制器中采用了國產的接近開關，經過實踐，完全滿足了產品的性能要求。
4）負載驅動控制電路。根據生物質熱風爐的機械結構和控制對象，本文設計了一套穩定性高、控制科學的負載驅動電路。該驅動電路控制的負載是調速送料電機、調速排煙風機、調速熱風排風風機、點火棒、除渣電機。調速送料電機、調速排煙風機、調速熱風排風風機的驅動控制電路由雙向可控硅、光耦等器件組成。雙向可控硅由單片機調節導通角來控制調速電機的轉速。光耦可以有效地對驅動電路和單片機進行電氣隔離，防止干擾單片機電路。點火棒和除渣電機是由12V繼電器電路進行控制，繼電器電路由續流二極管、三極管等元器件組成，單片機通過控制三級管的通斷來控制繼電器的開關。續流二極管并聯在繼電器線圈的兩端，可以有效減小線圈通電時產生的反相電壓對單片機電路產生的干擾。
2.1.2顯示控制板組成及工作原理
顯示控制板由液晶屏電路、按鍵和遙控器電路組成，該控制板的控制芯片是GD32系列單片機。當用戶操作按鍵或者遙控器的時候，顯示控制板把數據通過Modbus協議以數據幀的形式傳送到核心驅動板，核心驅動板接收到數據幀以后進行解析，控制對應的控制對象。
1）液晶屏電路。該控制器的顯示屏采用的是7寸LCD斷碼屏，在市場上TFT屏、LCD斷碼屏是常用于鍋爐控制器的顯示屏。但是7寸的TFT屏價格昂貴，考慮成本因素，本設計選擇了LCD斷碼屏，同時隨著技術的進步，LCD斷碼屏顯示效果顯著提升，在色彩顯示和質量方面甚至可以與TFT屏相媲美。該顯示屏的顯示元素包括室內溫度的設定值和實際值、各種風機電機的工作狀態和參數設置、報警信息和錯誤代碼，完全滿足了該控制器的要求。
2）按鍵和遙控電路。該控制器采用的按鍵為彈片按鍵，由6個按鍵組成，分別為設置鍵、數值調節鍵、定時鍵、風量檔位鍵、火力檔位鍵等，同時也設置了一些組合按鍵。該按鍵布局充分考慮了用戶的操作習慣和交互的便捷性。考慮到客戶操作的多樣性，該控制器同時配備了紅外遙控器，其遙控器按鍵功能跟彈片按鍵功能一致。
3生物質熱風爐控制器軟件系統設計
生物質熱風爐控制器由核心驅動控制板和顯示控制板組成，這兩塊電路板由2個單片機分別控制，兩塊控制板的通信采用Modbus通信協議實現通信。兩塊控制板需要根據其控制對象編寫不同的單片機程序。
3.1驅動程序和功能服務程序編寫思路設計
控制核心板程序設計：控制核心板編寫的驅動程序包括時鐘電路、NTC溫度傳感器、K型熱電偶等驅動程序。根據控制對象，應用程序包括負載的控制程序和顯示控制板的通信程序等。顯示控制板程序設計：顯示控制板的驅動程序包括LCD斷碼屏、按鍵、遙控器等部分的驅動程序[6]。應用程序編寫的部分包括斷碼屏顯示的元素程序編寫、按鍵處理、遙控器按鍵處理、通信程序等。該控制器控制邏輯相對復雜，本設計使用了狀態機的編程思想進行程序編寫。
3.2部分程序設計流程圖
生物質熱風爐控制器的負載由若干路繼電器和若干路雙向可控硅控制。繼電器控制的負載的工作狀態是開和關兩種狀態，雙向可控硅控制的負載的工作狀態是幾個檔位的轉速，因此在程序編寫時候采用狀態機的編寫思想比較合適。根據整機的工作原理，本設計編寫的部分主程序流程圖如圖3所示。
4程序調試過程及結果
4.1顯示控制板的程序調試
本程序采用Keil軟件進行了編寫調試，首先對顯示控制板的顯示屏、按鍵驅動程序進行了調試，把寫好的程序下載到顯示控制板內，結合Keil軟件自帶的調試功能觀察顯示屏的動態刷新效果和按鍵的消抖效果，然后再對紅外遙控驅動程序進行調試，這三部分的驅動程序調試成功后，通過串口打印功能，調試串口數據的傳輸，為后續與核心驅動控制板的聯調做準備。
4.2核心驅動控制板的程序調試
顯示控制板調試成功后，筆者利用顯示屏觀察核心控制板其他功能的狀態，首先調試的是兩種溫度傳感器的驅動程序，然后調試時鐘的驅動程序。驅動程序調試完成后，筆者利用串口打印功能調試成功了串口傳輸功能，然后通過Modbus協議實現了顯示板和核心驅動板的通信，最后調試了功能服務程序，實現了整機的聯調。
5結語
該生物質熱風爐控制器的設計從用戶的需求出發，以節能降耗、智能應用為目標，筆者設計了可靠的硬件電路，編寫了科學合理的軟件程序。筆者通過對整機的測試，成功實現了預定的功能，在測試過程中發現的問題也通過各種程序調試手段得到了圓滿解決。
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