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燃气取暖器的自动点火和缺氧保护设计

来源:www.czyuanzhi.com | 发布时间:2015-5-20 | 点击次数:2375

[摘  要]燃气取暖器的点火方式一般是手动的,该文介绍一种通过单片机控制来实现自动循环点火和缺氧保护的燃气取暖器的硬件和软件设计,它克服了手动式取暖器点火操作不便、控温不精确和不能显示温度等缺点,并具有自动报警功能。

[关键词]燃气取暖器;单片机;自动控制

 

1.引言

燃气取暖器是以天然气、石油液化气等为燃料的冬季取暖设备,一般使用于燃气比较富足的地区。我国厂家生产的取暖器大部分出口欧美国家,但随着我国“西气东输”工程的发展、能源的开发利用,该取暖器会逐渐普及国内广大家庭。

国内燃气取暖器点火装置大多是手动式的,这种取暖器的最大缺点是点火成功率低,在气温较低和燃气不足的情况下,需要数次才能点着;另外该取暖器不能显示当前温度,也不能精确地调控温度,只能分档控温。这给用户的使用和操作带来了不便。国内市场上也有电子自动点火的取暖器,但基本上是从国外进口的产品,价格较高。为此该文介绍了一种单片机控制的燃气取暖器的设计方案,这种取暖器能实现自动循环点火,点火迅速(一个点火周期内成功);能实现精确控温;并能显示当前温度;还具有缺氧保护功能;而且耗电省、性价比高。

 

2.燃气取暖器的工作原理及硬件设计

2.1手动式燃气取暖器点火装置及工作原理

手动式燃气取暖器控制阀的结构示意图如图2—1,其工作原理是:按下旋钮,常明火出气阀打开,再旋一下旋钮,压电打火器开始打火,如果火点着后,火头附近的热电偶产生热电势与电磁阀线圈构成一闭合回路,电磁阀线圈通电后吸住常明火出气口的顶杆(如图2—2),这时便可松开旋钮,第一次点火结束。如果火没点着,热电偶传来的热电势不够,电磁阀线圈吸不住顶杆,常明火出气口便关闭,这时需进行第二次点火操作。这种手动式点火极不方便,特别是在低温和气量不足时往往要多次操作才能成功。

2.2取暖器的改进设计

为此将这种取暖器进行改造。一是将控制阀改成由单片机控制的阀体,其结构示意图如图2—3。该阀包括两个电磁阀:主阀和副阀。主阀控制主出气口,副阀控制常明火出气口。二是控制板的改造,其硬件框图如图2—4所示,插上电源后,按面板上的启动按钮设定好给定温度(如果不设定,系统则按E2PROM中存放的参数操作),系统自动给副阀线圈通电,副阀打开,脉冲点火器自动点火,点火时间延时10s,火点着后点火器停止点火,否则将副阀关闭并延时1min后,再将副阀打开再按上述方法点火,如果按上述过程循环5次还未点着,则将副阀关闭并在显示器上显示故障状态。火点着后系统等待常明火热电偶输出信号达到设定值,如果达到设定值,主阀打开,系统进入正常工作状态。当热电偶信号在缺氧状态时,系统自动将主阀和副阀关闭,并在显示器上显示缺氧状态标志。整个点火过程由单片机控制自动完成,操作简便省时。


燃气取暖器的自动点火和缺氧保护设计
燃气取暖器的自动点火和缺氧保护设计
燃气取暖器的自动点火和缺氧保护设计

2.3缺氧保护设计

由于该产品是燃气取暖器,需要耗氧,又是在居室中使用,在不通风的情况下超长时间工作会造成室内缺氧,引起人体不适,甚至窒息,危及人身安全,所以必须有缺氧保护装置。当系统测得室内空气含氧量偏低时会自动关闭控制阀,并报警显示缺氧标示,提醒使用者通风换气。

该保护装置的工作原理是:当燃气供给量和供氧量一定时,火焰燃烧温度也是一定的,随着空气中的含氧量降低,火焰温度也降低。如果热电偶测得常明火火焰的温度不够,即可认定为空气中的含氧量不够,需要报警并关闭控制阀。本方案的缺氧保护功能是这样实现的:采用宽温型单片机AT89C2051,它内部自带一个模拟比较器,P10和P11是该比较器输入管脚。根据美国标准,热电偶在缺氧状态时的热电势为185mV,将185mV的电位信号接入P11管脚,其中参考端的电压信号要求稳定,故在VCC处接一稳压器件(如图2—5)。将热电偶测得的火焰温度信号经放大处理后接入P10管脚,然后利用其内部模拟比较器这两个电信号。如果P10管脚信号低于P11管脚信号,则说明室内缺氧,这时控制阀关闭,并报警显示。


2.4硬件组成

该燃气取暖器的硬件框图如图2—4,整个系统主要由AT89C2051单片机、数字温度传感器DS18B20、控制阀、点火器和显示器等组成。

单片机采用美国ATMEL公司推出的高效单片机AT89C2051,它内部自带模拟比较器,可实现缺氧保护功能。它的指令与INTEL公司的MCS51系列单片机完全兼容,本身带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器,采用此芯片可大大简化电路的设计。

点火器采用成品脉冲电子点火器,可保证长期可靠地工作。常明火温度信号用铠装K型热电偶来测量,温度信号经放大处理后接入单片机。测量环境温度的传感器采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20,该元件将测温、电平转换、A/D等部件集为一体,省去了放大器和数模转换器,可直接与单片机相连接,既简化了接口电路又保证了测量精度。显示器采用低功耗液晶显示模块LCM045。薄膜面板和液晶显示器要用宽温型,工作温度范围:-20℃~85℃,安装在机子的前面板左下部,薄膜面板与液晶显示器搭配和谐,在高温下工作可靠、耐久、美观、不变形。电源采用4节普通一号干电池供电。

 

3.设计关键

由于脉冲电子点火是高压高频点火,对系统的干扰很大,不仅造成模拟信号失真,数字信号出错,而且造成输出信号混乱,甚至导致程序失控(跑飞)。实践证明,如果不采取抗干扰措施,以上现象发生概率百分之百。因此抗干扰设计是本方案的设计关键所在。


燃气取暖器的自动点火和缺氧保护设计

高压点火对机箱内的控制电路板干扰很大,首先采取硬件滤波措施,在单片机AT89C2051的20管脚(VCC)和地(GND)之间直接并联两个电容(如图3—1),其中C2进行高频滤波,E1进行低频滤波;


燃气取暖器的自动点火和缺氧保护设计

另外,原点火器的一个电极是陶瓷点火器火头,另一个接在机箱上,点火时的高压会影响控制板电路的正常工作,因此将点火器的两个电极都与机箱绝缘隔离。

点火过程中造成的干扰使显示器符号失真甚至乱码。在软件程序设计时注意:一旦点火则关闭显示,等待点火结束后再送显示,这样可防止输出的数据失真。

经过多次试验验证,采取以上抗干扰措施后,没有发生信号失真和程序跑飞等不正常情况。这表明以上抗干扰措施取得明显效果。

 

4.软件设计

该系统的软件流程如图4—1。

 

5.运行效果

该燃气取暖器样机已研制成功,在绝缘、耐压等安全性能方面符合标准,整个系统工作安全可靠,连续工作两个月无故障。由于该取暖器的硬件设计选用低功耗器件,所以该取暖器耗电省,采用4节普通一号干电池供电,可每天工作8小时连续工作两个月不更换电池。经实践验证,这种燃气取暖器硬件设计合理,软件运行正常,具有较高的性价比。

 

[参考文献]

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[2]童诗白模拟电子技术基础[M]  北京:高等教育出版社,1997,81-177

[3]李均宜炉温仪表与热控制[M]  北京:机械工业出版社,1982,5-12

[4]金伟正单线数字温度传感器的原理与应用[J]  电子技术应用,2000(6)66

[5]杨振江,蔡德芳新型集成电路使用指南与典型应用[M]  西安:西安电子科技大学出版社,1998,94-144

 

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