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水暖锅炉控制器基于单片机理论的设计研究
摘要：本文根据水暖锅炉的使用原理和特点,设计了一款基于单片机为控制核心的自动水暖锅炉控制器,该控制器采用K型热电偶为传感器,可以精确检测到锅炉出水口的温度,风机和循环泵根据检测温度进行启停工作,实现了自动化控制,解决了用户手动操作的缺点,同时节约了能源。
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一、引言
在北方地区，城镇郊区和广大农村没有实现集中供暖，在冬季采暖季均采用家庭单独供暖方式，当前家庭采暖的方法是采用锅炉烧开热水，热水通过管道输送到暖气片或者地暖管路的方式取暖，这种锅炉被称为水暖锅炉。为了应对环境污染问题和兼顾成本问题，当前水暖锅炉的燃料主要是清洁煤。这种锅炉燃烧时候需要利用风机增加风量使锅炉增进燃烧，而热水输送到暖气片时同样需要利用循环泵增加热水流量。传统的水暖锅炉使用时，主要靠手动操作为主，根据人的经验进行控制风机，不但耗时耗力，而且及其浪费清洁煤。为了解决以上问题，实现锅炉的自动化控制和节能的目的，笔者设计了一款水暖锅炉控制器，可以实现自动控制锅炉的风机和循环泵的控制，达到无人值守，自动运行的目的。
二、方案设计
水暖锅炉控制器控制的对象是风机和循环泵，风机的作用是给水暖锅炉供风，增进锅炉的燃烧，使管道热水迅速升温。循环泵的作用是加速管道热水的输送和循环，循环泵安装方法是串接到锅炉出水管道中。该水暖锅炉控制器的研发目的是风机和循环泵启停由控制器的微处理器根据锅炉出水口的温度值进行自动控制，其工作设计思路为：控制器上电后，设定风机或循环泵的启动温度和停止温度，当检测到的温度值达到风机或循环泵的启动温度时候，风机或循环泵启动；当检测到温度值达到风机或循环泵的停止温度时候，风机或循环泵停止。同时，风机和循环泵也可以人为的强制启动和停止，以防止温度传感器失去作用而引起错误运行。该控制器同时具有高温保护功能和低温防冻功能。
三、硬件电路设计
该控制器的硬件电路由微处理器最小系统、显示电路、按键电路、温度检测电路、负载电路、电源电路组成。
（一）微处理器最小系统电路设计分析
根据该控制器控制对象的数量和控制逻辑的复杂程度，以及对成本的考虑，该控制器的微处理器采用了意法半导体的STM8S103K3T6单片机，该款单片机运行速度快，自带AD功能，具有32个输入输出端口，最大时钟频率为16MHZ，满足了该控制器的需求。
（二）显示电路和按键电路设计分析
该控制器跟水暖锅炉安装到一起，工作环境比较差，操作的人员主要是普通家庭百姓，显示数字要简单易懂，因此该控制器的显示器采用了数码管，数码管的优点是寿命长、结实耐用、抗干扰抗潮湿、成本低、完全满足要求。该控制器的按键采用的是轻触开关，轻触开关具有寿命长、控制灵敏、成本低等优点，该按键的电路一端接GND接地极，一端接单片机端口，当按下按键，单片机端口变为低电平；当松开按键，单片机端口恢复到原状态，利用单片机端口电平电压的改变，根据一定的程序算法，实现按键对控制器的操作。
（三）温度检测电路设计分析
该控制器的传感器采用的是K型热电偶。K型热电偶具有线性度好、灵敏度高、稳定性好、抗氧化性能强、价格便宜等优点，K型热电偶的测温范围为0摄氏度到1300摄氏度[1]。该控制器为了能更加精确的读取K型热电偶的温度，采用了K型热电偶的专用处理芯片MAX6675处理热电偶的温度值。MAX6675是美国美信公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换芯片，其分辨能力达到了0.25摄氏度，该芯片直接可以把K型热电偶的温度值转化成数字信号传输给单片机，极大的简化了硬件电路设计，同时提高了精准度。在使用MAX6675时应注意为了提高测量精度，电路板的地线尽可能的大，由于热电偶信号为微弱信号，要尽可能的采取措施防止噪声干扰，一般的做法是在芯片的电源与地线之间接一个0.1UF的陶瓷电容，过滤高频谐波，减小干扰[2]。
（四）电源电路设计分析
该控制器的电源采用的是220V变12V的开关电源供电，其输入可以是交流电源或直流电源，输出是直流电源的设备，开关电源不同于传统的线性电源，开关电源具有体积小、重量轻、功耗小、效率高的特点。该控制器接入的是开关电源12V直流电压，然后再利用电路板上的电源处理芯片对电压进一步的处理，为整个控制器提供稳定、合适的供电电源。
四、软件程序设计
该控制器在编写软件程序时采用的是C语言，选择的编译软件是STVisualDevelop。该控制器软件程序的编写依据是工作流程图，控制器的显示温度为水暖锅炉的出水口温度，控制器可以设置风机和循环泵的启停温度，风机和循环泵根据设定的温度值进行启停。对于风机而言，当实际温度低于设定温度时，风机启动，燃烧加速；当实际温度高于设定温度时，风机停止工作，当温度超过报警值时，则报警器报警，控制器强制停止工作。对于水泵而言，当实际温度低于设定温度时，水泵停止工作，当实际温度高于设定温度时，水泵启动工作，当温度低于防冻温度（一般为2摄氏度）设定值时，水泵启动工作，为的是防止冬季管道的水结冰冻坏输水管道和暖气片。该控制器的控制逻辑经过测试和验证，工作稳定、客户体验感好，满足了自动控制锅炉的要求，实现了无人值守的目的。
五、总结
本文通过分析水暖锅炉的工作原理和供暖的工作原理，结合控制器所控制的对象，以实现自动化控制锅炉为目的，设计了该款锅炉控制器，该水暖锅炉控制器的智能化不仅减少了用户手动操作锅炉的繁琐程序，同时也有效降低清洁煤的用量，节约了能源。经过测试，该控制器运行稳定，控制逻辑科学合理，成本低，完全满足了用户的需求。
参考文献：
[1]兰羽,李增民.基于K型热电偶的电阻炉温控系统设计[J].信息技术,2014(03):165-167+171.
[2]老盛林,何式健.MAX6675在K型热电偶温度测量中的应用[J].现代信息科技,2019(08):195-196.
何金凤.基于单片机的水暖锅炉控制器的设计[J].计算机产品与流通,2020(06):166.
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出版地方：北京
专业分类：科技
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创刊时间：2001年
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2020-05-20
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