禮冬雪^1a，王啟民^1b，李源^1a，仉一芳²

(1.沈陽工程學院a.能源與動力學院；b.科技處，遼寧沈陽110136；2.阜新發電有限責任公司，遼寧阜新123000)

　　摘要：基于ARM Cortex－M3內核設計了一種嵌入式系統智能控制器，采用低價位、高性能的微控制器STM32F103作為主控芯片，并詳細介紹了基于嵌入式系統的小型生物質鍋爐智能控制器的主要硬件電路設計和軟件設計。將該控制器應用在小型生物質鍋爐上，記錄供暖期間的實際數據，與供暖模型的計算數據進行對比，結果表明：該控制器信號傳輸穩定、實時性好，而且使室內溫度始終保持在最佳舒適度范圍內。

　　由于小型生物質成型燃料鍋爐系統的動態特性具有非線性、大慣性、大延遲的特點，為此，開發了基于STM32的嵌入式智能控制器。該智能控制器依靠控制程序中的特殊控制算法，根據設定的室內溫度上、下限和實時的室內溫度變化曲線，控制生物質鍋爐運行或停止，確保室內溫度保持在最佳舒適度范圍內。

　　1設計方案

　　該小型生物質成型燃料鍋爐智能控制器系統包括給水系統、給料系統、點火系統、引風除塵系統和送風系統。為了實現室內溫度始終保持在最佳舒適度范圍內，室內溫度的算法如式(1)所示。

　　該小型生物質鍋爐智能控制器功能完備，工作方式分為手動模式和自動模式。在自動模式下，可使熄火、滅火保護等控制過程達到完全智能化，其智能控制器方案如圖1所示。

　　在圖1的控制方案中，DS18B20采集室溫信號，傳感器采集隨時間變化的模擬信號(被調參數)，如溫度、流量和水位等。被采集信號通過A/D轉換器轉換成控制器可識別的二進制數據，經I/O送入控制器，進行運算處理，從而得到給水系統、給料系統、點火系統、引風除塵系統、送風系統、熄火保護系統、滅火保護系統的動作指令。指令經控制器的I/O輸出，通過控制繼電器的閉合與斷開，操控執行機構運行與停止；與此同時，LCD顯示各個執行機構的運行狀態以及溫度、液位等參數，如果鍋爐運行異常，伴隨有聲光報警。

　　2主要硬件電路

　　2.1多點水位采集及指示原理

　　選用電極式液位傳感器，電極的探測頭為不銹鋼材料。把I/O的PA0～PA7和PB0～PB3共計12點作為多點水位數據采集輸入；PC0～PC7作為水位狀態輸出端，驅動LED進行指示。此電極式液位傳感器工作原理：當電極與外殼間有水時，外殼與電極短接，而外殼與地相接，此時就可以從電極上采集一個低電信號送入CPU，CPU就可識別出鍋爐的水位狀態，如圖2所示。

　　2.2風機和水泵電路原理

　　由于控制器輸出的電壓是5V，而風機和水泵均為220V設備，所以選用5V的繼電器驅動220V設備工作。同時，巧妙地把發光二極管和繼電器線圈并聯作為繼電器的聯動指示信號。其風機和水泵電路原理如圖3所示。

　　2.3溫度測量電路原理

　　該小型生物質鍋爐智能控制器包含兩大測溫系統，分別為水溫和環境溫度[6]。測量溫度除了可以使用熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等模擬溫度傳感器外，還可以使用數字溫度傳感器。該控制系統采用單總線數字溫度傳感器DSl8B20測量環境溫度，它可以把溫度信號直接轉換成串行數字信號輸入給控制器MCU，而且一條總線上可同時連接多個DSl8B20芯片。DSl8B20測溫范圍為－55℃～125℃，精度為±0.5℃，具有成本低、易操作的特點。其室溫測量電路原理如圖4所示。

　　該控制器采用熱敏電阻測量水溫度，NTC熱敏半導瓷電阻大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負溫度系數，熱敏電阻阻值隨著溫度升高而減小，關系式可近似表示電阻值，如式(2)所示。

　　3軟件設計

　　開發基于STM32系統的控制器，可采用C語言編寫程序[9]。一方面，豐富的指令集直接面向硬件操作，位指令、邏輯、關系表達式均可直接針對外設接口；另一方面，高級語言的描述，可使用戶擺脫與硬件不必要的接觸，描述語言可由編譯器編譯直接生成面向硬件的指令。由MDK編譯生成的代碼，不論長度還是程序運行速度均能適應大多數控制系統要求，其調試方便，縮短了軟件開發周期，提高了控制效率。

　　根據參考文獻[10]中嵌入式系統的介紹以及特點，確定了基于STM32嵌入式系統控制器的控制程序：

　　1)進行I/O、定時器、中斷系統、LCD顯示器的初始化。

　　2)采集溫度、液位等信號，進行故障檢測，若發現故障，則蜂鳴報警，同時顯示故障原因。

　　3)開始進入循環監測部分，先采集數據，檢測故障。

　　4)進入相應的溫度控制子程序、定時控制子程序、手動控制子程序、自動控制子程序、智能控制子程序等，完成鍋爐控制系統的控制功能。

　　基于STM32的生物質鍋爐智能控制器自動控制部分的軟件程序，如圖5所示。

　　4試驗及結果分析

　　4.1試驗簡介

　　試驗在沈陽冬季11月～12月進行，試驗環境是面積為F=80m²的一樓室內，環境覆蓋材料的平均傳熱系數為a=9.8W/(m²·℃)。室內加溫采用小型生物質熱水鍋爐，其額定熱功率為0.035MW，鍋爐額定出水溫度為85℃，額定回水溫度為65℃，顆粒燃料的直徑為6～8mm。由公式Q=Q×ΔT×C，可以求出鍋爐供熱量隨加熱時間的變化曲線，如圖6所示。

　　4.2試驗結果分析

　　實際測出的室內外溫度如表1所示。將表1中的數據帶入式(1)中，可以計算出室內溫度Tn。把實際溫度和計算的室內溫度繪制成曲線，如圖7所示。兩條曲線對比的結果表明，該控制器的算法是可行的。

　　5結論

　　通過對小型生物質成型燃料鍋爐系統的動態特性進行研究，提出了基于嵌入式系統的生物質鍋爐智能控制器的設計構想，開發了一種適用于小型生物質鍋爐的智能控制器，介紹了主要組成部分的功能并詳細闡述了熱敏電阻測溫原理。將該控制器應用在小型生物質鍋爐上進行供暖試驗，可以使室內溫度始終保持在用戶最佳舒適度范圍內，證明了該控制器具有穩態性能好、動態響應快、可靠性高等優點，基本上能達到控制要求。