具有遠程控制功能的電鍋爐控制器的研究設計

何金鳳，李 靜

（唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299）

0 引言

在我國華北地區(qū)，因燃煤造成的環(huán)境污染問題日益嚴重，為了治理空氣污染，國家出臺了煤改電政策，即在冬季采暖季，利用電鍋爐代替普通燃煤鍋爐。當前電能已經(jīng)廣泛用于生活的各個方面，在發(fā)電、電能傳輸方面都十分便利，電能供應也非常充足，完全滿足各個地方對電能的需求。電鍋爐采暖原理是利用電能轉(zhuǎn)化成熱能實現(xiàn)取暖，傳統(tǒng)的電鍋爐依靠簡單的溫控來控制電鍋爐的運行，這種控制方式具有高耗能、效率低的缺點，無形中增加了用戶的使用成本，影響了電鍋爐的普及，因此新型的電鍋爐控制方案成為了各大電鍋爐廠家研究的重點。本文從電鍋爐的運行方式入手，根據(jù)客戶對室內(nèi)溫度和運行時段的要求，設計研發(fā)了一款新型的電鍋爐控制器，實現(xiàn)自動控制電鍋爐，達到節(jié)約電能的目的。該鍋爐控制器同時可以實時采集室內(nèi)溫度、電鍋爐的運行狀態(tài)，通過遠程控制功能傳輸?shù)接脩舻氖謾C上，用戶可以通過手機查看和控制電鍋爐。該電鍋爐控制器不但有效的降低了電鍋爐的使用成本，同時也實現(xiàn)了智能控制和遠程控制，極大的提升了用戶的體驗感。

1 電鍋爐控制器的硬件設計及分析

該電鍋爐控制器由微處理器外圍電路、斷碼屏顯示電路、溫度傳感器電路、水位傳感器電路、供電電路、按鍵電路組成。電鍋爐控制器的設計根據(jù)電鍋爐的使用環(huán)境、功能、成本控制要求等因素設計，其電路組成框圖如圖1所示。

圖1 鍋爐控制器電路組成框圖

1.1 微處理器的選型

該控制器根據(jù)成本控制要求，以“夠用”為原則，選擇了意法半導體公司生產(chǎn)的八位單片機。該電鍋爐控制器采用的是STM8S系列的單片機，其型號為STM8S103K3T6。該單片機數(shù)據(jù)總線寬度為8位，最大時鐘頻率位16MHZ，程序存儲器大小為8KB，數(shù)據(jù)RAM大小為1KB，ADC分辨率為10bit，工作電源電壓為5.5V,最大工作溫度為85℃。ADC通道數(shù)為4路，輸入輸出端數(shù)量為32個[1]。該微處理器性價比高，運算速度快，并且自帶AD轉(zhuǎn)換功能，不需要單獨地使用模擬信號處理芯片，節(jié)約了成本，完全滿足該控制器的要求。

1.2 顯示屏的選型和人機界面的設計分析

根據(jù)電鍋爐控制器的使用環(huán)境和成本控制的要求，該控制器采用了LED斷碼屏。LED斷碼屏具有價格低、顯示清晰、材質(zhì)堅硬等優(yōu)點，且低溫和潮濕環(huán)境工作穩(wěn)定，因此非常適合該控制器的要求[2]。

該控制器顯示屏顯示的內(nèi)容包括：1）出水口溫度。該溫度指的是電鍋爐出水口的溫度，電鍋爐的電加熱管的啟停是根據(jù)該溫度值的變化而啟停的；2）電加熱管管體溫度。電鍋爐的電加熱管指的是電鍋爐上的電加熱器件，控制器檢測加熱管的溫度是為了避免加熱溫度過高，燒毀加熱管；3）循環(huán)泵的啟停。循環(huán)泵在電鍋爐供暖系統(tǒng)中起到加速水循環(huán)的作用。當電鍋爐上電后，循環(huán)泵直接啟動工作，加速水循環(huán)；4）水位檢測。該水位傳感器是水電極組成，用于檢測加熱管內(nèi)部是否有水；5）時段控制。時段控制的目的是設置定時時間來控制電鍋爐控制器的工作時間，用戶根據(jù)自己的實際需求，需要電鍋爐在哪個時段工作，設置對應的啟停時間即可；6）手動/自動提醒。當設置成自動或手動功能后，在屏幕上可以顯示其狀態(tài)，方便用戶識別；7）無線信號提醒。當增加無線遠程傳輸模塊后，在屏幕上可以顯示其信號狀態(tài)，方便用戶的識別[3]。

1.3 溫度傳感器電路的設計分析

該電鍋爐控制器有2路溫度傳感器，分別檢測電鍋爐的出水口溫度和電加熱管管體的溫度。該溫度傳感器使用的是NTC熱敏電阻,該熱敏電阻根據(jù)環(huán)境溫度上升電阻值呈指數(shù)關系減小，具有負溫度系數(shù)的一種熱敏電阻材料。該熱敏電阻具有價格便宜、質(zhì)量好、精度高的優(yōu)點，完全滿足電鍋爐控制器的要求。其電路圖如圖2所示。

溫度傳感器的工作原理為：單片機采集熱敏電阻上的電壓信號，通過單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換功能將其轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，由單片機進行處理，利用一定的算法得出熱敏電阻的電阻值，根據(jù)換算公式求出對應的環(huán)境溫度，顯示到斷碼屏上。

1.4 水位傳感器電路的設計分析

電鍋爐的電加熱管在加熱時，必須保證加熱管內(nèi)部有水，否則極容易燒毀電加熱管，在入水管加入水位傳感器可以有效地判斷入水管是否有水的問題。該水位傳感器不需要檢測水位，只需檢測管內(nèi)是否有水即可。因為該傳感器的檢測值直接關系到電加熱管的工作狀態(tài)，因此必須保證該傳感器的工作穩(wěn)定性和可靠性[4]。該水位傳感器的電路圖如圖3所示。

如圖3 水位傳感器的電路圖

圖2 NTC溫度傳感器電路圖

該水位傳感器采用的傳感器是水電極，水電極有正極和負極2個接線端子，當入水管有水時，正負極以水為導電介質(zhì)導通，給單片機傳輸一個高電平信號；當入水管沒有水時，正負極斷開，給單片機傳輸一個低電平信號。單片機根據(jù)收到的信號狀態(tài)判斷入水管是否有水。

1.5 觸摸按鍵電路的設計分析

在該控制器中選擇了觸摸按鍵作為該控制器的按鍵，輕觸按鍵價格便宜，皮實耐用。該按鍵需要由觸摸芯片對按鍵信號進行處理，該控制器采用的觸摸芯片為臺灣合泰公司生產(chǎn)的BS814A觸摸芯片，該芯片可支持4個觸摸按鍵，用來檢測外部觸摸按鍵上人手的觸摸動作。該系列的芯片具有較高的集成度，僅需極少的外部組件便可實現(xiàn)觸摸按鍵的檢測[5]。該芯片提供了串行及并行輸出功能，可方便與外部單片機之間的通訊，實現(xiàn)設備安裝及觸摸引腳監(jiān)測目的。芯片內(nèi)部采用特殊的集成電路，具有高電源電壓抑制比，可減少按鍵檢測錯誤的發(fā)生。該觸摸芯片具有自動校準功能，低待機電流，抗電壓波動等特性，實現(xiàn)了對電鍋爐的穩(wěn)定可靠的操作。

1.6 遠程傳輸模塊的選型和原理分析

該電鍋爐控制器的主要使用對象是普通用戶家庭，對于普通家庭而言遠程控制并不是剛性需求。但仍有部分用戶對遠程控制功能有一定需求，為了滿足這部分客戶的需求，在電路板設計過程中預留了串口傳輸功能，安裝一個DTU遠程傳輸模塊即可實現(xiàn)遠程傳輸功能。

DTU全英文名稱為Data Transfer Unit即數(shù)據(jù)傳輸模塊，是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡進行傳送的無線終端設備，DTU硬件組成部分包括CPU控制模塊、無線通信模塊以及電源模塊，其中無線通信模塊包括GPRS通信模塊、4G通信模塊、WiFi通信模塊、NB-IoT通信模塊，用戶可以根據(jù)自身的實際需求選擇不同類型的DTU模塊。電鍋爐控制器與DTU的傳輸原理為：電鍋爐控制器內(nèi)部裝有串口傳輸模塊，通過串口與DTU設備相連接，電鍋爐控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)通過DTU設備的內(nèi)部嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡協(xié)議封裝后通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)中心服務器，服務器把數(shù)據(jù)下發(fā)到手機，手機用戶即可收到電鍋爐控制器的工作狀態(tài)。DTU遠程模塊滿足了部分用戶對遠程控制功能的需求，也避免了在所有電鍋爐控制器上增加無線模塊，降低了成本[6]。

2 電鍋爐控制器的軟件設計分析

2.1 電鍋爐控制器控制模式設計思路

該電鍋爐控制器的設計初衷是實現(xiàn)節(jié)能降耗，無人值守的目的。該電鍋爐控制器具有手動和自動2種工作模式，手動工作模式是在電鍋爐控制器的自動模式不能滿足用戶需求的時候，用戶人為地操作電鍋爐控制器的啟停。自動工作模式是根據(jù)電鍋爐控制器的兩路溫度傳感器的檢測值、水位傳感器的檢測值、時段控制的設定值進行工作的，該控制器控制的主要對象是電加熱管和循環(huán)泵的工作狀態(tài)。

2.2 電鍋爐控制器控制原理設計思路

該電鍋爐控制器的控制工作原理為：電鍋爐控制器上電后，按下啟動按鍵，循環(huán)泵首先運行，如果當溫度低于2℃以后，即使不按下啟動按鍵，循環(huán)泵也啟動運行，防止暖氣管的水結(jié)冰堵住。當出水口溫度低于設定值后，電加熱管啟動；當出水口溫度高于設定值后，電加熱管停止工作。如果用戶需要實現(xiàn)定時啟動電加熱管，可以設置時段功能，設置自己預設的時間，該控制器可以設置4個時間段。以上是該控制器的基本功能控制原理，該控制器測溫準確，控制精準，滿足了實際需求。

3 結(jié)束語

該電鍋爐控制器的設計從用戶的實際需求出發(fā)，以節(jié)能降耗為目標，設計了可靠的硬件電路，編寫了科學合理的軟件程序。該控制器不僅實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的，同時也實現(xiàn)了無人值守的目標；同時為了提高用戶的使用感受，以“簡單易用”為目標，方便用戶使用，設計了人性化的顯示屏和按鍵，滿足了用戶的需求。