小型燃煤鍋爐溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實踐研究

張 帆

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機學(xué)院，陜西 西安 710300）

小型供熱系統(tǒng)常見于我國北方地區(qū)，多以小型燃煤鍋爐為主，在運行過程中自動化程度普遍偏低，所帶來的效率與國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差距，總體來說小型燃煤鍋爐能耗高、污染性大。對此，本文以Atmega128單片機為基本基礎(chǔ)，綜合引入了MAX6675溫度轉(zhuǎn)換芯片，二者通過SPI 接口完成實時信息通信。在此基礎(chǔ)上，在Proteus 環(huán)境中對所設(shè)計出的系統(tǒng)進(jìn)行仿真檢驗。

1 技術(shù)背景

我國的鍋爐控制系統(tǒng)發(fā)展史新興于20 世紀(jì)80 年代，模擬控制系統(tǒng)在當(dāng)時較為盛行，其主要由檢測儀表以及調(diào)節(jié)儀表兩大部分組成；隨著時間的推移，在20世紀(jì)90 年代已經(jīng)將PID 控制引入了鍋爐控制工作中，這種基于數(shù)學(xué)模型而產(chǎn)生的方法具有更高的可行性；就當(dāng)前環(huán)境而言，對于20 t/h以下燃煤鍋爐而言其檢測依然采用20世紀(jì)80年代的方法，因此對應(yīng)的控制方式相對落后。相較之下，荷蘭相關(guān)研究人員以AVR 單片機為基本結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了更為成熟的鍋爐控制系統(tǒng)，在國內(nèi)的應(yīng)用市場良好，但受熱敏電阻的制約，測溫范圍不夠理想[1]。由于鍋爐加熱工質(zhì)多以水為主，同時其對應(yīng)的升溫范圍也較大，因此K型熱電偶具有更高的可行性，具備0～1 300 ℃的檢測水平，能夠良好地適用于液、氣、固體的表面溫度檢測工作，但受此元器件冷端補償?shù)挠绊懀仨殲橹m配放大以及數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

2 鍋爐控制策略

2.1 燃燒控制

鍋爐熱效率與煤、風(fēng)比有著密切的關(guān)聯(lián)，因此在實際運行過程中需要以引風(fēng)量為參考，在此基礎(chǔ)上合理控制鼓風(fēng)量，由此避免噴火或是漏風(fēng)等不良現(xiàn)象。當(dāng)鍋爐的燃燒效率高時，對應(yīng)的熱損失較小，此時將具備更出色的節(jié)能效應(yīng)。由此可知，在鍋爐運行燃燒過程中需要將其控制在最佳效率區(qū)，而這也是當(dāng)前鍋爐控制工作的一大難點。鍋爐要想獲得持續(xù)的輸出熱量，就必須建立在一定煤量的基礎(chǔ)上，此外需要控制好送風(fēng)量，這是鍋爐得以充分燃燒的必要條件。對于不同的操作人員而言，伴隨著操作方式的差別，將會出現(xiàn)多種運行狀態(tài)，但其中只有一種最佳狀態(tài)，在此狀態(tài)下對應(yīng)的煤耗較小，諸如引、鼓風(fēng)機等設(shè)備所需要的能耗更低，整體來說能夠在最小輸入的前提下獲得最多的熱量輸出。

2.2 爐膛負(fù)壓控制

基于變頻調(diào)速器的調(diào)控作用，可以實現(xiàn)對引風(fēng)機轉(zhuǎn)速的控制，由此確保爐膛負(fù)壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。在調(diào)節(jié)過程中，鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速變化會對爐膛負(fù)壓穩(wěn)定性造成直接影響，基于補償此部分波動的目的，需要引入一個鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速信號，由此發(fā)揮出前饋補償信號的作用。

3 系統(tǒng)組成

關(guān)于小型燃煤鍋爐溫度采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖1。對圖1中所給內(nèi)容進(jìn)行分析不難得知，基于K 型熱電偶的采集作用可以獲得實時的溫度數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過MAX6675 等器件的作用下將其傳送至Atmega128單片機并隨之進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終將所得結(jié)果顯示在TCM12864LCD上。

圖1 小型燃煤鍋爐溫度采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3.1 溫度數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)中使用了K 型熱電偶元器件，它所擁有的測量范圍較廣，在短時間內(nèi)做出反應(yīng)的同時還能確保測量精度。由于燃煤鍋爐工質(zhì)（常見的有水、熱風(fēng)等）溫度普遍較高，通常會超過500 ℃，因此K型熱電偶傳感器具有高度的可行性。

3.2 溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

本系統(tǒng)引入了MAX6675芯片，在其作用下可以完成對溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。此芯片由美國知名公司開發(fā)，其內(nèi)含3 位SPI 串行接口，由此引申出模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)λ@得的溫度信號進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量，最終所創(chuàng)造的溫度分辨率達(dá)到了0.25 ℃，能夠?qū)崿F(xiàn)0～1 023.75 ℃的溫度檢測[2]。同時此芯片所獲得的轉(zhuǎn)換結(jié)果極為精確，與對應(yīng)溫度之間表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

3.3 溫度數(shù)據(jù)傳送與處理

本系統(tǒng)引入了Atmega128 單片機，并將其作為系統(tǒng)的主控芯片，其內(nèi)部含有AVR 8位微處理器，具有突出的低功耗、高性能特點。片內(nèi)外的硬件資源儲量極為豐富，給小型燃煤鍋爐控制器的開發(fā)提供了有力的支持。MAX6675選用的是SPI串行外設(shè)總線，由此提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩⒕哂袑崟r傳輸?shù)奶匦浴?/p>

3.4 數(shù)據(jù)顯示與報警功能

本系統(tǒng)引入了TCM12864LCD點陣液晶，由此可以將處理后的內(nèi)容呈現(xiàn)出來，具體涉及系統(tǒng)運轉(zhuǎn)狀態(tài)以及工質(zhì)溫度等各類鍋爐運行參數(shù)。由于MAX6675具有強大的熱電偶端線檢測功能，因此當(dāng)由于各類因素的影響而致使熱電偶出現(xiàn)短路等錯誤時，可以在第一時間做出警報，并將對應(yīng)錯誤類型的代碼通過LCD 顯示出來。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

關(guān)于溫度采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖2，當(dāng)獲得對應(yīng)的工質(zhì)溫度后，基于K型熱電偶等器件的作用，可以將其轉(zhuǎn)換為16 位數(shù)據(jù)，而后在系統(tǒng)SPI 串行通信接口的作用下將所得結(jié)果精準(zhǔn)傳輸至Atmega128 單片機，最終將結(jié)果顯示在LCD 上。在進(jìn)行硬件設(shè)計時應(yīng)注重如下幾點內(nèi)容：對于熱電偶而言，其輸入負(fù)極T需要進(jìn)行接地處理，在操作過程中應(yīng)盡可能縮短與MAX6675芯片引腳的距離；基于提升檢測精度的目的，在利用MAX6675芯片進(jìn)行冷端溫度檢測時，應(yīng)在條件允許的情況下盡可能加大地線規(guī)格；由于K型熱電偶輸出信號普遍偏弱，因此需要采取防干擾措施，諸如引入0.1 μF電容則是較為可行的方式。

4.2 軟件設(shè)計

4.2.1 SPI接口配置

首先需要設(shè)置一個SPI 接口，由此實現(xiàn)單片機與MAX6675之間的高效通信。對于SPI而言，其為典型的環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，基于SCK的調(diào)控作用，能夠?qū)崿F(xiàn)與移位寄存器之間的實時數(shù)據(jù)交換。在進(jìn)行單片機SPI 配置時，需要將其設(shè)置為主機模式，并將MOSI、SCK以及SS三部分作為輸出引腳，對應(yīng)輸入引腳則為MISO。具體工作流程為：在SS引腳的作用下，可以實現(xiàn)對CS引腳的轉(zhuǎn)換，此時將由原本的高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑笥|發(fā)MAX6675，由此進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，基于SCK 的周期作用可以將所得的16 位數(shù)據(jù)傳輸給MISO 引腳，而后CS轉(zhuǎn)換為初始狀態(tài)，由此完成整個溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作[3]。

4.2.2 軟件流程

溫度采集系統(tǒng)軟件運行流程見圖3。

圖2 小型燃煤鍋爐溫度采集系統(tǒng)硬件設(shè)計及仿真結(jié)果

圖3 小型燃煤鍋爐溫度采集系統(tǒng)軟件流程圖

SPI接口初始化是整個軟件運行的基本環(huán)節(jié)，此時受SCK周期信號的影響將會觸發(fā)MAX6675，隨后將所得的溫度數(shù)據(jù)實時傳送至單片機，此處需要將16位數(shù)據(jù)平均劃分為兩部分，前者傳輸高8位數(shù)據(jù)，將其定義為D1，后者傳輸?shù)?位數(shù)據(jù)，將其定義為D2，此時MISO引腳處將會接收到數(shù)據(jù)D3，并具備D3=D1<<<8+D2的基本關(guān)系。對于d15 位而言具有特殊性，其屬于無效位，而d14-d3對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)D具有D=D3>>2的關(guān)系。與此同時對d2進(jìn)行判斷，若為高則意味著此時熱電偶處于斷路狀態(tài)，隨之觸發(fā)LCD發(fā)出警報。

4.2.3 數(shù)據(jù)處理

在SPI 的作用下，單片機能夠獲得數(shù)據(jù)D，它為典型的12位二進(jìn)制形式，通過換算可知十進(jìn)制范圍為0～4 095。通過計算可知，MAX6675 芯片可檢測的理論溫度值t=1 023.75×D/4 095=D/4。應(yīng)當(dāng)注意D/4的余數(shù)，當(dāng)其不小于2時，此狀態(tài)下t=D/4+1，反之則具有t=D/4這一關(guān)系。

5 結(jié)果與分析

5.1 系統(tǒng)仿真與硬件實現(xiàn)

對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行仿真檢驗，此處使用到的是proteus7.5 軟件，以此為基礎(chǔ)利用ICCAVR 可以得出格式為.hex的文件，進(jìn)而將所得結(jié)果傳輸給單片機，所獲得的仿真結(jié)果見圖2。仿真過程中將K型熱電偶溫度恒定為32 ℃，并將其冷端補償溫度設(shè)為1℃，在此基礎(chǔ)上通過MAX6675的作用可以進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，最終觀察到LCD 顯示溫度為31 ℃。以ISP 的作用下能夠?qū)⑺玫?hex文件載入單片機并隨之運行，此時單片機獲得的二進(jìn)制數(shù)據(jù)D=125，對應(yīng)的溫度t≈1℃，這意味著對應(yīng)的工質(zhì)溫度為31℃。

5.2 誤差分析

對于K 型熱電偶而言，其溫度與電壓之間表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，在折算過程中必定產(chǎn)生非線性誤差，電壓變化率為41 μV/℃，電壓可電線性公式U0=41(tr-ta)來近似熱電偶的特性。式中，U0為熱電偶輸出電壓，mV；tr為測量點溫度；ta為周圍溫度。由于小型燃煤鍋爐溫度采集大多集中在0～500 ℃這一區(qū)間內(nèi)，在本文中則重點圍繞0～700 ℃這一情況進(jìn)行對比分析，由此明確溫度的誤差情況，所得結(jié)果如表1所示。整體來說，非線性誤差均控制在3.00%范圍內(nèi)，且與熱電偶的熱電特性曲線表現(xiàn)出高度吻合的特性。

6 結(jié) 語

綜上所述，本文以單片機為基礎(chǔ)，設(shè)計了小型燃煤鍋爐溫度采集系統(tǒng)，具體涉及Atmega128 單片機以及MAX6675 芯片等器件，基于SPI 接口的方式完成數(shù)據(jù)的高速傳輸。對所搭建的系統(tǒng)進(jìn)行仿真檢測，結(jié)果表明此系統(tǒng)符合小型燃煤鍋爐溫度采集的基本需求，具有較高的可行性。

表1 測溫誤差分析