第34卷第1期幗農(nóng)機化學(xué)報Vol.34 No.12013年1月Jourmal of Chinese Agricultural MechanizationJan. 2013DO: 10.3969/jissn.2095- -553.2013.01.046基于STC單片機的上吸式氣化爐控制系統(tǒng)的設(shè)計郭媛媛，郜天振，范紅(東華大學(xué)，上海市，201620)摘要:我國生物質(zhì)能資源比較豐富。本文針對適合我國農(nóng)村家用的上吸式氣化爐燃燒器的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,并提出了一種基于STC單片機的上吸式生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)的設(shè)計，給出了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計方法，實現(xiàn)了配風(fēng)、配氧、點火、下料等功能的自動控制，大大解決了手動控制的缺點，方便了用戶操作,對推動新農(nóng)村建設(shè)具有廣泛的意義。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣化爐; STC單片機;控制系統(tǒng)中圖分類號: TM76文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號: 2095- -555 (2013) 01-0190-04郭媛媛,郜天振,范紅.基于STC單片機的上吸式氣化爐控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國農(nóng)機化學(xué)報, 2013, 34(1): 190-192,213Guo Yuanyuan ,Gao Tianzhen, Fan Hong. Design of control system for biomass gasifter suction style based on STC [小Joumal ofChinese Agricultural Mechanization, 2013, 34();: 190-192,213路則通過繼電器進(jìn)行控制。0引言系統(tǒng)的工作原理:本設(shè)計的單片機控制是核心部生物質(zhì)氣化是一種熱化學(xué)處理技術(shù),將低品質(zhì)的件，子系統(tǒng)的CPU主要接收熱電偶檢測到的溫度信固態(tài)生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)換成使用方便而且清潔的生物質(zhì)燃號,同時要對信號進(jìn)行處理，控制點火電路的工作;氣、在生產(chǎn)、生活、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到利同時與主系統(tǒng)的CPU通過MAX232接口進(jìn)行通信。用。目前，我國生物質(zhì)氣化技術(shù)也日趨完善。我國已主系統(tǒng)單片機通過PWM調(diào)速控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，完成配進(jìn)人實用階段的生物質(zhì)氣化爐裝置種類較多,用途廣風(fēng)、配氧;通過繼電器控制氣化爐的各個功能部件的泛,已取得良好的社會經(jīng)濟(jì)效益川。工作，并通過LED顯示。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。本文針對農(nóng)村現(xiàn)實狀況，設(shè)計了上吸式生物質(zhì)氣開蓋LED顯示化爐控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以兩片STC12C5A16AD單片機為核心組成主、從系統(tǒng)，通過MAX232接口電路進(jìn)行排煙主系統(tǒng)CPU上位機通信主系統(tǒng)和從系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。從系統(tǒng)通過熱電偶檢測|出灶.STC12C5A16AD t。進(jìn)風(fēng)溫度并將處理后的信號傳輸?shù)街飨到y(tǒng)單片機，主系統(tǒng)單片機通過PWM控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，完成配風(fēng)、配氧。[ 下料←t+配氧同時主系統(tǒng)通過LED實時顯示氣化爐的運行狀態(tài)并I MAX232接口通信完成對各部件開關(guān)的控制。1生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及總體| 點火電路從系統(tǒng)CPU溫度檢測STC12C5A16AD方案圖1生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)原理框圖生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)分主系統(tǒng)和從系統(tǒng)兩部Fig. 1 Biomass gasifier control system block diagram分。主系統(tǒng)和從系統(tǒng)的控制芯片采用STC12C5A16AD2硬件電路設(shè)計單片機為主控制核心，主系統(tǒng)配以MAX232接口與子系統(tǒng)進(jìn)行通信。同時主系統(tǒng)包括進(jìn)風(fēng)、配氧、下料、2.1 STC12C5A16AD 單片機出灶、開蓋等控制電路以及LED顯示電路。子系統(tǒng)本設(shè)計的主系統(tǒng)和從系統(tǒng)均采用宏晶公司高性能包括熱電偶溫度檢測和點火電路，其中采用單片機STC12C5A16AD。該單片機為52內(nèi)核8位機,MAX6675作為熱電偶的放大與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，點火電內(nèi)部集成了多路AD轉(zhuǎn)換模塊.片上資源豐富,減少中國煤化工收稿日期: 2012年3月26日修回日期: 2012年8月8日HCNMH G第一作者:郭媛媛,女，1988 年生,河北霸州人，碩士研究生;研究方向為電子與@sina.com通訊作者:范紅，女，1976年生，吉林長春人，博士;研究方向為電子信息獲取與處理。E-mail: ccfanhong@163.com第!期郭媛嬡等:基于STC單片機的上吸式氣化妒控制系統(tǒng)的設(shè)計191了外圍器件的使用,大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性2。并且量。高輸出電壓50V,輸人與TTLCMOS/PMOS/DTL片內(nèi)具有16K的Flash程序存儲器，可以提供兩路八兼容,繼電器驅(qū)動應(yīng)用。位PWM波形輸出，支持ISP功能，通過芯片RS232繼電器是一種電子控制器件,它具有控制系統(tǒng)可以與計算機的串行口相連接。(又稱輸人回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路),通常2.2配風(fēng)、 配氧控制電路應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去脈沖寬度調(diào)制(PWM) 是一種對模擬信號電平進(jìn)控制較大電流的一種“自動開關(guān)"。故在電路中起著行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用,方自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)光耦以光為媒介傳輸電信號。它對輸人、輸出電行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任信號有良好的隔離作用。輸人的電信號驅(qū)動發(fā)光二極何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON), 要么管(LED),使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收完全無(OFF)。 電壓或電流源是以一種通(ON) 或斷而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的了電一光-電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸人、輸出、隔離的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即作用。由于光耦合器輸人輸出間互相隔離，電信號傳是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠,任何模擬值都輸具有單向性等特點,因而具有良好的電絕緣能力和可以使用PWM進(jìn)行編碼?？骨_能力。又由于光耦合器的輸人端屬于電流型工PWM調(diào)速的工作方式有兩種:雙極性工作制和作的低阻元件,因而具有很強的共模抑制能力。所單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信對PWM的占空比調(diào)節(jié)來確定電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠本設(shè)計中采用單片機內(nèi)部產(chǎn)生的PWM控制風(fēng)機的轉(zhuǎn)性。常用的線性光耦是PC817A-C系列。本設(shè)計中主速實現(xiàn)配風(fēng)、配氧。配風(fēng)與配氧電路設(shè)計原理相同,要應(yīng)用光耦的開關(guān)和隔離作用且PC817A價格便宜,其中配氧控制電路原理圖見圖2。故選用PC817A。其中開蓋原理圖如圖3所示:12+. D3101INS82 (2日3 FGAI配氧817cR321K4.7KRA212Q311k1 U314 R33IK2TRF521GMOTOR2字3開蓋圖3開蓋原理 圖圖2配氧控制電路原理圖Fig. 3 Opening the lid schematieFig. 2 Oxygen control cirecuit schematice2.4溫度檢測電路2.3ULN2001A驅(qū)動及繼電器控制電路從系統(tǒng)中需要進(jìn)行溫度檢測，在工業(yè)生產(chǎn)中最常本設(shè)計針對上吸式氣化爐，對所有動作部件如開用的溫度傳感器是K型熱電偶。它具有結(jié)構(gòu)簡單、蓋、排煙、出灶、下料,均采用繼電器進(jìn)行控制,克制造容易、使用方便、測溫范圍寬等特點。目前,在服了手動控制的缺點。同時為防止繼電器在上電之后以K型熱電偶為測溫元件的工業(yè)測溫系統(tǒng)中，熱電動作，本設(shè)計中采用ULN200IA (16) 作為驅(qū)動和隔偶輸出的熱電勢信號必須經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)才能輸入離控制。ULN2001A是-.組高耐壓、大電流達(dá)林頓晶基于單片機的嵌人式系統(tǒng)。中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)包括信號放體管陣列，由7個NPN達(dá)林頓管組成，具有通過共大、冷端補償中國煤化工部分，在實際陰極箝位二極管實現(xiàn)高壓輸出的特性，可用于電感性應(yīng)用中由于中DHCNMH G難，系統(tǒng)的抗負(fù)載轉(zhuǎn)換。單個達(dá)林頓管的額定集電極電流為干擾性能往往也小生心。平以"時臉?biāo)榔鳒y溫電路采500mA。達(dá)林頓管可經(jīng)并聯(lián)后,獲得更大的電流容用了MAX6675,它是一個集成了熱電偶放大器、冷092中國農(nóng)機化學(xué)報2013年端補償、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)2.5 點火控制電路字轉(zhuǎn)換器叫,可以直接與單片機接口,大大簡化系統(tǒng)的從系統(tǒng)的點火控制電路見圖4,主要采用繼電器設(shè)計，保證了溫度測量的快速與準(zhǔn)確。進(jìn)行控制，克服了手動控制的缺點。=點火開關(guān)是ACOMEOM點火巴專Corent DO學(xué)四PoNQuTS 5100aN器NSaUT?COMMON CLAMPixL0006蜂鳴器言圉4繼電器點火控制電路Fig. 4 The relay ignitin control circuit2.6 LED顯示電路2) 溫度跟蹤模式(峰值跟蹤調(diào)整法)。確定目標(biāo).本系統(tǒng)中設(shè)計三位LED用來實時顯示灶頭內(nèi)溫度溫度，配風(fēng)一定,配氧為變量,通過增加配氧量，同和配風(fēng)、配氧等情況,可讓系統(tǒng)運行狀況一目了然。時檢測溫度的變化，如果溫度隨配氧量增加而增加,當(dāng)溫度達(dá)到某值不變時，說明此時達(dá)到最佳配氧點,3生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計此時溫度如果沒有達(dá)到目標(biāo)溫度，此時須按最佳點時生物質(zhì)氣化爐控制系統(tǒng)的從系統(tǒng)通過熱電偶檢測的風(fēng)氧配比同時增加風(fēng)氧量，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度時，此溫度并將處理后的信號傳輸?shù)街飨到y(tǒng)單片機，并通過時的配風(fēng)配氧即為最佳。軟件設(shè)計控制氣化爐的配風(fēng)、配氧。同時主系統(tǒng)通過配風(fēng)配氧程序流程圖如圖6所示:LED實時顯示氣化爐的運行狀態(tài)和配風(fēng)、配氧量。|配風(fēng)配氧程序入口主系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。主系統(tǒng)初始化配風(fēng)一定，配氧變量,增加配氧量自動點火按最佳的升溫到目標(biāo)溫度N.風(fēng)氧比同時是否檢測到溫度信號N↓Y|增加風(fēng)氧量|風(fēng)氧比最佳配風(fēng)配氧程序退出|加料、排煙，開蓋，出灶圄6配風(fēng)配氧程序 流程圖Fig. 6 The flow program chart of oxygenILED顯示|replenishment with wind圖5主系統(tǒng)軟件流程圖4結(jié)論中國煤化工Fig. 5 Flow chart of main sofware system其中配風(fēng)配氧程序如下:,MHCNMH G,本設(shè)計針心.anihinn氣化爐設(shè)備，證1)初始配風(fēng)配氧值的配點。(下轉(zhuǎn)第213頁)第1期陳衛(wèi)東等:基于ABAQUS的切削速度與刀具壽命研究線性的，而且與傳統(tǒng)的加工速度影響程度也不同。因Li Dan, Wang Hongxiang, et al. Test Research on Chip Forna-此在進(jìn)行高速切削時，控制適當(dāng)?shù)乃俣葘Φ毒叩膲勖黷ion of Ultra_ precision Tuming[J]. Manufacturing Technology &是十分有利的，對降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率也是Machine Tool, 2002, (6);: 17-19.非常有效。[4]石亦平,周玉蓉. ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2006: 42-63.參考文獻(xiàn)[5]劉展. ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京:中國水利[1]武文革,辛志杰.金屬切削原理及刀具[M],北京:國防工業(yè)出.水電出版社, 2008: 115~136.版社, 2009: 168~174.[6]龐新福,杜茂華.基于ABAQUS的二維直角切削加工有限元[2]張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京:機械I業(yè)出版社,分析[]工具技術(shù), 2008, 42(2): 39-42.2002: 8~17.Pang Xinfu, Du Maohua. Finite Element Analysis (FEA) and[3]李旦,王洪祥，等.超精密車削切屑形成過程的試驗研究[J].Study on Two-dimensional Cutting Process Based on ABAQUS制造技術(shù)與機床, 2002. (6): 17~19.[小] Tool Engineering, 2008, 42(2): 39~42.Based on the ABAQUS cutting speed and tool life studiesChen Weidong, Xu Yuejin, Li Suiping(Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing, 401331, China)Abstract: By using ABAQUS finite elcment software in dfferent cuting speed on cutting process simulation, analysis of dfferent cutingspeed and l0l stress changes, access to the tol tip timne stress curve, clarfies between the tool life and the cuting speed the nonlinear rela-tion, put forward the appropriate speed limit is to reduce cost and improve productivityKeywords: cutting speed; thermo -mechanical coupling; finite element model; tool life(上接第192頁)字技術(shù)與應(yīng)用, 2011, (1): 61-62.實了基于STC單片機的設(shè)計足以完成氣化爐燃燒器Zhu Zhiqiang. Design of the sensitivity alcohol detecting system的各項控制，實現(xiàn)了精密的配風(fēng)、配氧,并實現(xiàn)了點based on STCI2 SCM [小Digital Technology and Application,火、下料等功能的自動控制。即在該控制系統(tǒng)中采用2011, (11) :61~62.單片機方案既滿足控制系統(tǒng)的工作需求，又可以節(jié)省[2]袁濤,張鐵冰.鉑電阻測溫儀的設(shè)計與實現(xiàn)[u]. 電子技術(shù)應(yīng)成本。用, 2005, (9); 26~27.Yuan Tao, Zhang Tiebing. Design and implementation of theplatinum resistance temperature measuring instrument, Appli-[1]朱志強.基于STC單片機的靈敏酒精檢測系統(tǒng)的設(shè)計J.數(shù)cation of Electronic Technique, 2005, (9);: 26-~27.Design of control system for biomass gasifer suction style based on STCGuo Yuanyuan ,Gao Tianzhen, Fan Hong(Donghua University, Shanghai, 201620, China)Abstract: Biomass energy resources are abundant in China. In this paper the auhor make a design of control system for Biomass GasiferSuctionStyle which is suitable for China's rural household. And put forward a design of control system for Biomass Casier Suction Stylebased on STC. the system of hardware and software are designed. The result show that中國煤化工natic control with thefunctions of wind, oxygen, ignition and flling. It grealy solves the shortcomings of man-:t for the users, pro-YHCNMH G"motes the development of the new rural construction and has the extensive significance.Keywords: biomass gasifier; STC; control system.