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    燃氣取暖器的自動點火和缺氧保護設計

    來源:www.timothybanderson.com | 發布時間:2015-5-20 | 點擊次數:3260

    [摘  要]燃氣取暖器的點火方式一般是手動的,該文介紹一種通過單片機控制來實現自動循環點火和缺氧保護的燃氣取暖器的硬件和軟件設計,它克服了手動式取暖器點火操作不便、控溫不精確和不能顯示溫度等缺點,并具有自動報警功能。

    [關鍵詞]燃氣取暖器;單片機;自動控制

     

    1.引言

    燃氣取暖器是以天然氣、石油液化氣等為燃料的冬季取暖設備,一般使用于燃氣比較富足的地區。我國廠家生產的取暖器大部分出口歐美國家,但隨著我國“西氣東輸”工程的發展、能源的開發利用,該取暖器會逐漸普及國內廣大家庭。

    國內燃氣取暖器點火裝置大多是手動式的,這種取暖器的最大缺點是點火成功率低,在氣溫較低和燃氣不足的情況下,需要數次才能點著;另外該取暖器不能顯示當前溫度,也不能精確地調控溫度,只能分檔控溫。這給用戶的使用和操作帶來了不便。國內市場上也有電子自動點火的取暖器,但基本上是從國外進口的產品,價格較高。為此該文介紹了一種單片機控制的燃氣取暖器的設計方案,這種取暖器能實現自動循環點火,點火迅速(一個點火周期內成功);能實現精確控溫;并能顯示當前溫度;還具有缺氧保護功能;而且耗電省、性價比高。

     

    2.燃氣取暖器的工作原理及硬件設計

    2.1手動式燃氣取暖器點火裝置及工作原理

    手動式燃氣取暖器控制閥的結構示意圖如圖2—1,其工作原理是:按下旋鈕,常明火出氣閥打開,再旋一下旋鈕,壓電打火器開始打火,如果火點著后,火頭附近的熱電偶產生熱電勢與電磁閥線圈構成一閉合回路,電磁閥線圈通電后吸住常明火出氣口的頂桿(如圖2—2),這時便可松開旋鈕,第一次點火結束。如果火沒點著,熱電偶傳來的熱電勢不夠,電磁閥線圈吸不住頂桿,常明火出氣口便關閉,這時需進行第二次點火操作。這種手動式點火極不方便,特別是在低溫和氣量不足時往往要多次操作才能成功。

    2.2取暖器的改進設計

    為此將這種取暖器進行改造。一是將控制閥改成由單片機控制的閥體,其結構示意圖如圖2—3。該閥包括兩個電磁閥:主閥和副閥。主閥控制主出氣口,副閥控制常明火出氣口。二是控制板的改造,其硬件框圖如圖2—4所示,插上電源后,按面板上的啟動按鈕設定好給定溫度(如果不設定,系統則按E2PROM中存放的參數操作),系統自動給副閥線圈通電,副閥打開,脈沖點火器自動點火,點火時間延時10s,火點著后點火器停止點火,否則將副閥關閉并延時1min后,再將副閥打開再按上述方法點火,如果按上述過程循環5次還未點著,則將副閥關閉并在顯示器上顯示故障狀態;瘘c著后系統等待常明火熱電偶輸出信號達到設定值,如果達到設定值,主閥打開,系統進入正常工作狀態。當熱電偶信號在缺氧狀態時,系統自動將主閥和副閥關閉,并在顯示器上顯示缺氧狀態標志。整個點火過程由單片機控制自動完成,操作簡便省時。


    燃氣取暖器的自動點火和缺氧保護設計
    燃氣取暖器的自動點火和缺氧保護設計
    燃氣取暖器的自動點火和缺氧保護設計

    2.3缺氧保護設計

    由于該產品是燃氣取暖器,需要耗氧,又是在居室中使用,在不通風的情況下超長時間工作會造成室內缺氧,引起人體不適,甚至窒息,危及人身安全,所以必須有缺氧保護裝置。當系統測得室內空氣含氧量偏低時會自動關閉控制閥,并報警顯示缺氧標示,提醒使用者通風換氣。

    該保護裝置的工作原理是:當燃氣供給量和供氧量一定時,火焰燃燒溫度也是一定的,隨著空氣中的含氧量降低,火焰溫度也降低。如果熱電偶測得常明火火焰的溫度不夠,即可認定為空氣中的含氧量不夠,需要報警并關閉控制閥。本方案的缺氧保護功能是這樣實現的:采用寬溫型單片機AT89C2051,它內部自帶一個模擬比較器,P10和P11是該比較器輸入管腳。根據美國標準,熱電偶在缺氧狀態時的熱電勢為185mV,將185mV的電位信號接入P11管腳,其中參考端的電壓信號要求穩定,故在VCC處接一穩壓器件(如圖2—5)。將熱電偶測得的火焰溫度信號經放大處理后接入P10管腳,然后利用其內部模擬比較器這兩個電信號。如果P10管腳信號低于P11管腳信號,則說明室內缺氧,這時控制閥關閉,并報警顯示。


    2.4硬件組成

    該燃氣取暖器的硬件框圖如圖2—4,整個系統主要由AT89C2051單片機、數字溫度傳感器DS18B20、控制閥、點火器和顯示器等組成。

    單片機采用美國ATMEL公司推出的高效單片機AT89C2051,它內部自帶模擬比較器,可實現缺氧保護功能。它的指令與INTEL公司的MCS51系列單片機完全兼容,本身帶有2K字節閃速可編程可擦除只讀存儲器,采用此芯片可大大簡化電路的設計。

    點火器采用成品脈沖電子點火器,可保證長期可靠地工作。常明火溫度信號用鎧裝K型熱電偶來測量,溫度信號經放大處理后接入單片機。測量環境溫度的傳感器采用美國DALLAS公司生產的單線數字溫度傳感器DS18B20,該元件將測溫、電平轉換、A/D等部件集為一體,省去了放大器和數模轉換器,可直接與單片機相連接,既簡化了接口電路又保證了測量精度。顯示器采用低功耗液晶顯示模塊LCM045。薄膜面板和液晶顯示器要用寬溫型,工作溫度范圍:-20℃~85℃,安裝在機子的前面板左下部,薄膜面板與液晶顯示器搭配和諧,在高溫下工作可靠、耐久、美觀、不變形。電源采用4節普通一號干電池供電。

     

    3.設計關鍵

    由于脈沖電子點火是高壓高頻點火,對系統的干擾很大,不僅造成模擬信號失真,數字信號出錯,而且造成輸出信號混亂,甚至導致程序失控(跑飛)。實踐證明,如果不采取抗干擾措施,以上現象發生概率百分之百。因此抗干擾設計是本方案的設計關鍵所在。


    燃氣取暖器的自動點火和缺氧保護設計

    高壓點火對機箱內的控制電路板干擾很大,首先采取硬件濾波措施,在單片機AT89C2051的20管腳(VCC)和地(GND)之間直接并聯兩個電容(如圖3—1),其中C2進行高頻濾波,E1進行低頻濾波;


    燃氣取暖器的自動點火和缺氧保護設計

    另外,原點火器的一個電極是陶瓷點火器火頭,另一個接在機箱上,點火時的高壓會影響控制板電路的正常工作,因此將點火器的兩個電極都與機箱絕緣隔離。

    點火過程中造成的干擾使顯示器符號失真甚至亂碼。在軟件程序設計時注意:一旦點火則關閉顯示,等待點火結束后再送顯示,這樣可防止輸出的數據失真。

    經過多次試驗驗證,采取以上抗干擾措施后,沒有發生信號失真和程序跑飛等不正常情況。這表明以上抗干擾措施取得明顯效果。

     

    4.軟件設計

    該系統的軟件流程如圖4—1。

     

    5.運行效果

    該燃氣取暖器樣機已研制成功,在絕緣、耐壓等安全性能方面符合標準,整個系統工作安全可靠,連續工作兩個月無故障。由于該取暖器的硬件設計選用低功耗器件,所以該取暖器耗電省,采用4節普通一號干電池供電,可每天工作8小時連續工作兩個月不更換電池。經實踐驗證,這種燃氣取暖器硬件設計合理,軟件運行正常,具有較高的性價比。

     

    [參考文獻]

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    [5]楊振江,蔡德芳新型集成電路使用指南與典型應用[M]  西安:西安電子科技大學出版社,1998,94-144

     

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