基于單片機的智能點火控制系統設計

畢 燦，王景存

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢 430081）

智能點火控制裝置在冶金行業有著非常廣泛的應用，主要運用在軋鋼退火爐、環形爐、罩式爐等方面，但現在用于冶金行業點火控制裝置存在一定的缺陷，點火控制時間是根據現場生產環境固定設計，但不同生產工藝對點火時間的控制有著不用的要求[1]。

本實用新型智能點火控制裝置可以控制點火時間，確保在點火時按一定的程序逐次實現點火過程，同時可隨時修改控制參數，方便不同生產工藝的使用，以保證點火過程順利而安全的完成。在點火裝置使用的過程中，使用紫外線（UV）傳感器來適時檢測火焰，且當加熱爐無火時，軟件會報警，如果軟件報警失效，一定延時后硬件電路報警，這樣的雙保護確保了整個點火控制裝置在使用時更加安全可靠。

1 系統設計

1.1 系統總體框圖

系統總體框圖如圖1 所示，圖中CPU 所有的輸入輸出都是通過光耦完成的，這樣使信號傳輸的抗干擾能力加強。遠程復位讓裝置進入工作狀態，模式控制控制打火時間和開主閥時間，火焰傳感器通過火焰探測電路將信號傳輸給CPU，CPU 輸出信號給硬件控制邏輯，由硬件控制邏輯來進行點火、開點火閥、主氣閥和空氣閥、報警，最后報警信號又輸入給CPU，使CPU 知道裝置的運行狀態，繼而發出正確的指令，使整個點火控制過程有條不紊的進行。

圖1 系統總體框架圖Fig.1 System overall framework diagram

1.2 系統主要功能

正常情況下，CPU 根據輸入信號控制硬件控制邏輯來進行點火、探火、開關大小閥門或報警，而當CPU 跑飛或由于其他原因停止工作進入非正常工作狀態，硬件控制邏輯會在一定延時后自動啟動報警。這樣的多層保護使得整個裝置在運行的過程中更加安全可靠。

系統的主要功能如下：

1）按下啟動信號，進入工作狀態，首先檢測有無虛假火焰信號，如有則輸出故障信號。如正常，開啟點火變壓器和點火閥，進入點火狀態，如有火，為點火成功。開啟主氣閥。如無火，為點火失敗，2 秒后關閉所有控制輸出，報警鎖定，輸出失敗信號。

2）點火成功后，主氣閥的開啟時間（安全時間）可由開關設置（3S、5S 或10S）。

3）空氣閥的動作可選擇跟隨點火閥開啟、或跟隨主氣閥開啟、或由外部人工開啟控制（用于爐窯吹掃）。

4）正常工作后，如有火焰信號，保持正常工作直至工作信號撤銷，回復到待機狀態，如無火焰信號則由CPU 來控制處理方法，有下列3 種：

①立即關閉全部控制輸出，報警鎖定，輸出失敗信號。

②延時一段時間后（時間可調），如仍無火焰信號，關閉全部控制輸出，報警鎖定，輸出失敗信號。

③關閉全部控制輸出，重新啟動，如點火成功，進入工作狀態，如點火失敗，關閉全部控制輸出，報警鎖定，輸出失敗信號。

當CPU 跑飛或由于其他原因停止了工作，這時硬件控制邏輯會在一定延時后自動啟動報警，輸出故障信號。

5）控制器在待機狀態時仍檢測火焰信號，如出現連續10S 的火焰信號，則斷開控制輸出電源，報警鎖定，輸出故障信號。

6）故障/失敗狀態出現后將一直保持鎖定，不受工作信號和斷電的影響，只有人工干預復位后才可以解除故障/失敗狀態。

2 硬件設計

本裝置主要由CPU 電路、點火電路、探火電路、硬件控制邏輯和繼電器保護電路等組成。CPU 選用的是MEG16 芯片，控制整個點火過程；點火電路對加熱爐進行點火；探火電路實時檢測爐內火焰；硬件控制邏輯控制整個點火裝置的輸出，并且當CPU 失效時能自行啟動報警；繼電器保護電路是為了控制開閥順序和保護電路。下面對幾個電路進行具體介紹。

2.1 硬件控制電路

硬件控制電路如圖2 所示，J為雙線包繼電器，上面的線包只能控制開關向下動作，下面的線包只能控制開關向上動作，且斷電的情況下具有記憶功能。圖中可以看出，報警的產生是由555 和CPU 同時控制。無報警情況下控制芯片ULN2003A 使能，CPU 通過ULN2003A 控制點火變壓器、點火閥、主氣閥和空氣閥，裝置正常工作。當正常工作無火時，火焰傳感器將信號傳輸給CPU，CPU 給出報警信號使三極管Q導通，繼電器J 工作，ULN2003A 不使能，鎖定所有CPU 輸出，裝置進入鎖定狀態，無任何輸出。

當沒火，而CPU 由于某種原因沒有給出報警信號時，這時如果點火閥或者主氣閥有一個開著，555 就會延時一段時間給出一個高電平使Q 導通，ULN2003A 不使能，鎖定所有輸出。在555 延時的這段時間，如果又有火或者兩個閥門同時關閉，555 會自動重新延時。

由于有CPU 和555 的雙重保護，使得整個裝置在使用時更加安全[3-4]。

圖2 硬件控制邏輯電路Fig.2 Hardware control logic circuit

2.2 點火電路

點火電路如圖3 所示，圖中MOC3023為雙向可控硅光耦，SCR為雙向可控硅，RV1為壓敏電阻，起到保護電路的作用。當有打火信號（低電平）時，光耦工作，4 端和6 端導通，SCR 的G、K 兩端有電壓差，觸發SCR 導通，A、K 兩端導通，變壓器工作，輸出高壓給離子棒產生火花，從而進行點火。由于在打火時，會產生較大的干擾，所以在火線與零線接入C2和R5 來進行濾波，減小干擾[2-3]。

圖3 點火電路Fig.3 The ignition circuit

2.3 火焰檢測電路

火焰的發射光譜是由紫外、可見光和紅外光的電磁輻射波段組成，火焰探測可以使用紫外線傳感器和紅外線傳感器，本裝置使用的紫外線傳感器。

紫外線傳感器工作原理如圖4 所示。在紫外線傳感器的陰極和陽極之間加上電壓后，當火焰中的紫外線透過石英玻璃管照射在光電面的陰極上時，由于陰極涂敷有電子放射物質，陰極就會發射光電子。在強電場的作用下，光電子被吸向陽極，光電子高速運動時與管內氣體分子相碰撞而使氣體分子電離，氣體電離產生的電子再與氣體分子相碰撞，最終使陰極和陽極間被大量的光電子和離子所充斥，引起雪崩放電現象，電路中生成大的電流。當沒有紫外線照射時，陰極和陽極間沒有電子和離子的流動，呈現出相當高的阻抗[5]。

圖4 紫外線工作原理圖Fig.4 UV-working schematic

外圍檢測電路如圖5 所示，圖中輸入端為UV 探測器的輸出端，當有火焰時，輸出端有較大的電流信號，電流大小可測，電流通過電阻到Q1 的基級，Q1 的集電極接Q2 的基級，之后在Q2 和Q1 的發射級就有電壓差，這樣火焰指示燈亮，同時通過電阻R8 將火焰信號傳輸給CPU。電路還可以通過調節電位器RV1 來調節火焰探測的靈敏度。此電路組成簡單，但對火焰探測非常準確、靈敏。

圖5 外圍檢測電路Fig.5 Peripheral detection circuit

3 軟件設計

軟件設計框圖如圖6 所示。

圖6 軟件設計框圖Fig.6 Software design diagram

1）初始化時，進入待機狀態State=0，關閉所有輸出。

2）外部如果有報警則State=1，這時等待遠程復位信號的到來，當有復位信號時State=2。如果外部沒報警則直接State=2。

3）State=2 進入點火，點火之前先判斷爐內有火沒，如果有火則不打火，沒火進行點火到State=3。

4）State=3 進行點火，開啟點火變壓器和點火閥。點火后判斷點火成功否，點火成功State=4，點火不成功則輸出報警，關閉所有輸出，State=0。

5）State=4 開啟主氣閥，裝置正常工作。實時監測火焰電流信號，一旦無火焰電流信號則State=5。

6）State=5為熄火反應，由模式控制開關選擇。State=6為立即報警；State=7為延時三秒報警；State=8為重新點火。

5 結束語

目前智能點火控制系統已在鋼廠投入使用，運行良好。智能點火控制系統成本低但運行安全穩定，能夠通過修改軟件來適應不同的生產工藝，且具有軟件硬件的雙重保護和火焰實時檢測等特點，其運用環境應該更加廣闊，但智能點火控制系統目前還只僅僅運用于罩式加熱爐，相信在不久的將來，智能點火控制系統會慢慢的運用于其它的加熱爐，讓更多的鋼廠熟知。

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