一种智能温室中甲醇锅炉供热控制器的设计

刘泽楠 韩雁明

摘 要：本文设计研发一种甲醇锅炉智能控制器，用于农业智能温室中自动供热的实现。实现对炉内燃料物位、锅炉回水温度、锅炉出水温度、锅炉炉膛温度等实时检测，确保锅炉安全稳定的运行，并配以报警系统，实现水温的安全监测。并设计人机交互界面，操作人员可实现温度、液位控制和检测。同时通过WIFI模块将炉内温度和液位数据上传至中移动OneNET云平台，方便工作人员对数据进行实时监测和后期处理。

关键词：甲醇锅炉;自动控制;监测;云平台

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.20.107

甲醇锅炉是一种新型绿色环保燃料锅炉是广大企业、工厂、居民社区采暖和洗浴的理想产品。采用可靠的甲醇燃料作为锅炉燃料，不仅大大降低硫和氮氧化物的排放。甲醇鍋炉空间占用少，运输方便，基建投资少，安装简单方便，在农业温室中使用，该种类锅炉真正的做到了燃烧清洁、排放无污染、出力充足[1-4]。研究一种基于甲醇锅炉的智能控制器，实现甲醇锅炉的智能监测控制对于甲醇锅炉的广泛推广具有重要意义，可以对经济效益、环境效益和社会效益有显著的影响。

1 智能控制器的方案设计

在各种工作环境下安全可靠运行和全视角直观显示锅炉系统工作状态是保证锅炉系统安全的必要条件之一。甲醇锅炉的智能控制器应该具有对燃料位、水位、温度等要素的实时监测功能，同时具有针对异常状况的报警和紧急处理功能以实现自动保护，同时具备良好的人机交互，方便操作者进行控制。

本设计在中外相关资料的基础上，调查当前锅炉使用和控制现状，并对甲醇锅炉进行探讨，对以下几方面进行设计：对输入端和输出端进行指标检测与控制，再配以报警系统、显示系统，使整套控制器更完善，方便工作人员实时操作[5-6]。甲醇锅炉控制器如图1所示：

本设计主要从以下几点进行控制：

1.1 燃料剩余检测

在主页面点击燃料之后，会进入燃料检测界面，通过外部设施传感器来获取准确的燃料剩余信息，并且在显示屏幕中实时显示出来。

1.2 炉内温度控制

在温度回差控制页面，控制四个时间段的温度回差，并实时监测炉内温度，若炉内温度没到停炉温度设定值时，启动燃烧器;到停炉温度时关闭燃烧器;温度小于点火温度时，大火输出;温度升到转火温度时，小火输出。当炉内温度到停炉温度设定值时，关闭加热系统。显示屏依据停炉流程显示响应的工况提示。

1.3 报警系统

（1）超温报警：当炉水温度超过停炉温度设定值时，控制器进入超温报警保护，蜂鸣器声报警，显示“超温”;同时关闭循环泵、燃烧器。

（2）缺水报警：当水位低于水位电极时，控制器进入缺水报警保护，蜂鸣器声报警，显示“缺水”;同时关闭循环泵、燃烧系统。

（3）报警处理：控制器一旦进入报警保护，所有已发生的故障都被记忆，在故障未排除之前，循环泵、燃烧机键不被响应。故障排除后每按一次帮助键清除一个故障记忆，直至所有记忆被清除，控制器回到待机状态，如记忆不能清除表示故障还存在故障排除后确认炉温、水位等符合运行条件方可重新启动运行。（备注：超温报警以后，为防止水系空转，水系也需停止。）

1.4 24h全自动控制

无需人工，设定好合适的温度和工作时间后即可实现锅炉的自动运行和停止。并且可以根据需求实现不同时段控制。

1.5 通信系统

本设计添加WIFI模块，定时将当前炉内温度和液位数据上传至中移动物联网OneNET云平台上，方便工作人员的实时获取和监测。

2 智能控制器硬件设计

2.1 STM32最小系统的设计

本次设计选择的核心芯片是 STM32F103RBT6 ，其拥有多个SPI、串口、众多定时器以及很过可用 IO 脚，由于本设计中外围设备比较多，设备应用的通信方式也不一相同：A/D转换芯片就需要15个I/O口和一个PWM进行提供时钟;射频卡模块应用的是SPI模式需要一个SPI;显示屏也应用的SPI模式，不过在程序中是应用4个I/O口进行模拟SPI模式;通道选择器需要用到2个引脚进行2个通道的选择;烧写程序用的是SW的烧写模式，此模式应用引脚较少;串口调试需要PA9与PA10两个引脚进行串口调试及通信;SD卡需要6个I/O口引脚进行驱动，由此，STM32F103RBT6的资源符合要求，所以选择了它作为设计的主芯片。STM32的最小系统原理图如图2：

2.2 温度采集模块

DS18B20是Dallas公司继DS1820后推出的一种改进型数字温度传感器[4]。DS18B20 温度传感器高耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温以及控制领域。温度传感器的分辨率最大可达0.0625 ℃，测温范围是-55℃～125℃，可以直接读出被测温度值。此外，采用3 线制与单片机相连，简化了外部硬件电路，易使用，成本低。工作原理是DS18B20先初始化，然后采集环境温度，接着将处理过后的数据传输至显示屏。

2.3 超声波液位采集模块电路

超声波测距是利用声波具有反射特性，且其在空气中的传播速度已知，通过计算出从发射-接收的回波时间（T）就可计算出测试点到障碍物的距离。微控制器控制脉冲产生电路产生40kHz信号后经功率幅值放大电路和超声波探头连接，超声波探头发出回波信号经放大电路、滤波电路、A/D转换电路后将数据送回微控制器，如图3-2所示。由于传播速度与温度有关，为了精确测距，系统加入了温度测量模块，采用单总线数字式温度传感器DS18B20测量实时温度进行温度补偿。通过液面到顶部距离S=VT/2，其中V为超声波在空气中的传播速度，T为测量距离传播的时间差。设计中利用超声波测距模块测量出S，然后用水塔高度L减去S，即可得到液位高度H。

2.4 A/D转换电路的设计

为了得到A/D转换能够测量出很高的精度，本次的A/D转换电路的设计采用4位动态时分的芯片，芯片测量范围为正负2V，并以BCD码的输出模式将转换出来的数据输出，其拥有很高的精度。本设计中，为了让ICL7135的工作既可靠又高转速的处理数据，将时钟输入端的时钟频率设置为125KHz，那么其相应的转换速率为6次/秒，时钟频率的控制在本设计应用STM32的PWM模式进行分频得到相应的频率。

A/D转换芯片ICL7135需要进行比较的基准电压，本设计将选择基准电压是1V，因此ICL7135的量程是-2～+2V。在进行基准电压的设计时，设计采用MC1403提供基准电压源，其输出的电压是2.5V，设计为了得到1V的基准电压，进行电阻分压的方法来得到。

2.5 显示模块的设计

本设计的显示模块应用的是OLED显示屏，此屏应用SPI模式进行驱动，应用STM32的引脚PB7控制时钟、PB5控制数据、PB12控制复位、PB13控制读写，其中还存在一个片选引脚，再次设计中直接将其与GND连接，这样可以省去一些引脚资源，直接进行屏幕的控制就行。在屏幕程序中，要进行数字的写入，字符串的生成和汉字的填入，再此分别写了三个小程序进行方便控制屏幕的书写，并且添加了一个汉字库。

2.6 电源模块的设计

在电路设计中，电源的设计应该也是很重要的一环，由于主控电路中用到了12V、5V和3.3V的电压，AC/DC电源模块选用高能立方品牌工业级220V转12V/2A开关电源隔离稳压模块 ，12V用于继电模块供电，5V用于电源转换模块的输入。用LM1117将5V转换成3.3V电压，给STM32芯片提供所需要的电压。电源转换模块芯片LM1117，其可进行降压稳压器，它的内部存在集成电路进行过热保护，并且此芯片具有限流电路对于电路有很好的保护作用。

3 软件设计

本设计中的整体功能设计如上图3所示，整体分为智能控制模块和手动控制模块。智能控制操作简单，功能完整，可以实现设定时间区段、设定标准温度、设定回差温度、温度自动控制、燃料监测报警、传感器异常报警等功能。大幅提升甲醇锅炉的智能化控制程度，节省人力。手动控制模块可以实现手动控制水泵、手动控制燃烧机功能，对与智能控制起到补充作用，确保系统安全工作。

3.1 人機交互程序设计

本系统人机交互界面如图4所示。开机进入显示界面后，在右上角可选择智能模式和手动模式。智能模式中可选择进入温度控制模块和燃料控制模块。温度控制模块中首先需要选择智能工作的时间区段。可以设置四个时间区段，开始时间与结束时间可调节。选中时间区段后点击进入对应的温度设置，首先设置标准温度，然后设定回差温度。完成设置后，点击开始，设备进入智能控制状态。智能控制状态下设备工作流程将在4.3中介绍。手动模式中，界面中间显示有水泵和燃烧机两个按键，通过按键可以人工控制水泵开启和燃烧机开启。

4 总结

本设计可实现对甲醇锅炉的智能控制，经测试，在智能工作状态下，系统整体工作稳定，可以实现预设功能。手动操作模式可对智能  模式进行外部中断，保证系统安全。我们同时对于设备的联网也进行了一定研究，在云平台的数据保存与处理方面取得了一些成果，这也是我们下一步需要完善的地方。

参考文献：

[1]温丽.锅炉供暖现状分析及运行节能技术措施[M].暖通空调，1994（06）：3-9.

[2]杨庆，盛晓文.中小型燃油锅炉供暖系统经济运行方式的研究[J].哈尔滨建筑大学学报，2001，34（06）：87-91.

[3]沈雪匕，邢桂菊.燃煤锅炉供暖存在的问题及解决方法[J].区域供暖，2008（05）：43-48.

[4]Ting Yuana，Juan Yang，Yanlin Wang. Anodic diffusion layerwith graphene-carbon nanotubes composite material for passivedirect methanol fuel cell[J].Electrochimica Acta，2014，147：265-270.

[5]土欣然，能立，玛鹏娟.浅谈甲醇锅炉系统方案[J].工业技术，2015（21）：107.

[6]Donald F.Othmer，李锦春.甲醇用作燃料和原料[J].天然气化工，1982（03）：54-56.

本项目为石家庄铁道大学研究生资助项目，项目号为YC2018096。

作者简介：刘泽楠（1995-），男，山西长治人，硕士研究生，研究方向：农业物联网。