基于STM32F103的一種新型前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)

陳舒生 李榮浩 張曉龍

摘?要：傳統(tǒng)商用燃?xì)鉅t是將高濃度煤氣（不能直接點(diǎn)燃）在燃燒室內(nèi)按照給定比例與空氣混合，然后點(diǎn)燃使用，為使用者提供所需火力。混合過(guò)程發(fā)生在燃?xì)鉅t內(nèi)，且由于混合比例是系統(tǒng)的固定參數(shù)，導(dǎo)致無(wú)法隨意改變?nèi)細(xì)鉅t的火力大小。由于混合過(guò)程發(fā)生在燃?xì)鉅t內(nèi)，給使用時(shí)的安全性帶來(lái)不穩(wěn)定因素，且使用者無(wú)法隨意改變?nèi)細(xì)鉅t火力大小，也給使用帶來(lái)困擾。本文提出一種基于STM32F103的一種新型前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)由于解決現(xiàn)有的后混式商用燃?xì)鉅t在使用時(shí)帶來(lái)的種種不便。

關(guān)鍵詞：前混式;STM32F103;燃?xì)鉅t;控制系統(tǒng);無(wú)級(jí)調(diào)速;PWM波

Abstract：Traditional commercial gas furnaces mix high concentrations of gas（which cannot be ignited directly）with air in the combustion chamber at a given proportion and then ignite for use to provide the user with the required firepower.The mixing process takes place in the gas furnace，and because the mixing ratio is a fixed parameter of the system，it is not possible to change the firepower size of the gas furnace at will.Since the mixing process takes place in a gas furnace，it brings instability to the safety of use.And users can not change the size of gas furnace fire also to the use of trouble.In this paper，a new type of pre-mixed commercial gas furnace control system based on STM32F103 is proposed to solve the inconvenience caused by the existing post-mixed commercial gas furnace in use.

Keywords：Front-mixed;STM32F103;gas furnace;control system;Stageless speed-controlled;PWM wave

一、緒論

商用燃?xì)鉅t作為一種重要的烹飪工具，目前已經(jīng)在餐飲業(yè)得到了廣泛使用。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)各餐館，食堂保守估計(jì)擁有超過(guò)900萬(wàn)個(gè)商用燃?xì)鉅t。這些燃?xì)鉅t多屬于前混式，且無(wú)法進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，造成使用者在使用時(shí)無(wú)法自主進(jìn)行火力大小調(diào)節(jié);且由于傳統(tǒng)的排風(fēng)系統(tǒng)與燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理造成了燃?xì)庠谌紵龝r(shí)不充分，表現(xiàn)為燃?xì)鉅t火焰呈現(xiàn)棕黃色而不是充分燃燒時(shí)的青藍(lán)色。以上傳統(tǒng)商業(yè)燃?xì)鉅t的缺陷導(dǎo)致了燃料浪費(fèi)與安全隱患。因此本文針對(duì)傳統(tǒng)商用燃?xì)鉅t的種種缺陷，從控制系統(tǒng)領(lǐng)域出發(fā)，針對(duì)火力大小自由調(diào)節(jié)、安全使用等問(wèn)題，設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制的前混煤氣供給，點(diǎn)燃與廢氣排出等多項(xiàng)控制為一體的前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)。

二、基于STM32F103的一種新型前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)

新型前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)分為整流調(diào)速部分，系統(tǒng)控制部分和加速室部分三大部分，三大部分的關(guān)聯(lián)圖如圖1所示。整流調(diào)速部分是實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的基礎(chǔ)，通過(guò)控制產(chǎn)生不同占空比的PWM波從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)極調(diào)速，再通過(guò)相關(guān)的硬件配合最終實(shí)現(xiàn)火力調(diào)控方式的靈活化。系統(tǒng)控制部分是以STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板為中樞的，是實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)控制”和“可視化”的主要單元，主要功能包括信號(hào)處理，信息顯示，統(tǒng)籌控制等。加速室部分是此系統(tǒng)的底層硬件部分，主要功能是在防止可燃的前混燃?xì)馀c直流電機(jī)轉(zhuǎn)子直接接觸的前提下為前混燃?xì)馓峁﹦?dòng)能。既是實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的重要硬件，也是保障設(shè)備安全性的重要單元。具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)將在相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中詳述。

為實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速要將原來(lái)的后混燃?xì)飧臑榍盎烊細(xì)?。系統(tǒng)通過(guò)改變進(jìn)氣流量就可以直接改變火力大小，實(shí)現(xiàn)火力大小的無(wú)極調(diào)控。把后混燃?xì)飧鼡Q為前混燃?xì)庖沧尰旌线^(guò)程不發(fā)生在燃?xì)鉅t內(nèi)，在減小安全隱患的同時(shí)也降低了設(shè)備自重，為設(shè)備的量產(chǎn)階段降低成本和減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)火力調(diào)控方式的靈活化為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求。由于嵌入式單片機(jī)具有體積小、運(yùn)算能力強(qiáng)、價(jià)格低和使用場(chǎng)景廣泛等特點(diǎn)，故系統(tǒng)選用以STM公司的STM32F103C8T6芯片為核心的最小系統(tǒng)板作為數(shù)據(jù)處理，邏輯控制，信號(hào)加工與傳送和實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速的主控單元;選用AC220V～DC48V整流裝置作為系統(tǒng)調(diào)速電機(jī)的基準(zhǔn)電壓來(lái)源;選用48V直流電機(jī)作為調(diào)速執(zhí)行單元;選用H20R1203型號(hào)的IGBT作為終端控制執(zhí)行單元。

三、相關(guān)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件是實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)也是落實(shí)控制指令的執(zhí)行單元，在所述的新型前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)中主要的硬件單元有兩個(gè)，分別是加速室部分和整流調(diào)速部分。

（一）加速室部分的硬件實(shí)現(xiàn)

由于前混后的燃?xì)庖丫哂锌扇夹浴⒁兹夹?，因此燃?xì)獠豢膳c電機(jī)直接接觸，故設(shè)計(jì)“加速室”。扇葉在“加速室”內(nèi)與燃?xì)庵苯咏佑|，轉(zhuǎn)子在“加速室”外，與扇葉通過(guò)剛性絕緣軸連接。電機(jī)轉(zhuǎn)子與燃?xì)獠皇侵苯咏佑|的而是通過(guò)剛性絕緣軸讓電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)風(fēng)扇扇葉運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)燃?xì)?，使其能以一定的初速度進(jìn)入燃?xì)鉅t并在燃?xì)鉅t燃燒室內(nèi)點(diǎn)燃。保證安全性的同時(shí)為無(wú)級(jí)調(diào)速的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了可能。關(guān)于加速室的材料要求主要有以下三點(diǎn)：（1）絕緣;（2）封閉;（3）有一定的防爆能力。建議采用復(fù)合材料，即主體由剛性材料打造，內(nèi)外側(cè)有均勻涂抹密閉絕緣材料的鍍層，如多層絕緣漆和聚乙烯鍍層。

（二）整流調(diào)速部分的硬件實(shí)現(xiàn)

整流調(diào)速部分的硬件實(shí)現(xiàn)是以AC220V—DC48V整流裝置為基礎(chǔ)將商用220V交流電整流成48V直流電，為48V直流電機(jī)正常運(yùn)行提供最大額定電壓，也為變壓調(diào)速提供電壓的原始素材。后續(xù)二種變壓方式得到的U1、U2都是基于此DC48V電壓。調(diào)速部分使用“自動(dòng)PWM波調(diào)速”和“手動(dòng)PWM波調(diào)速”兩種調(diào)速方式，可通過(guò)控制方式選擇電路選擇控制方式。在手動(dòng)調(diào)節(jié)火力過(guò)程中，使用者通過(guò)手動(dòng)PWM波產(chǎn)生裝置上的旋鈕，調(diào)節(jié)手動(dòng)PWM波產(chǎn)生裝置的輸出電壓U1的大小，U1加在直流電機(jī)二端直接改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)火力大小。在自動(dòng)調(diào)節(jié)火力過(guò)程中，STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板接收用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入的數(shù)值，內(nèi)部處理后通過(guò)引腳高低電平變化形成不同占空比的脈沖波，并將脈沖波通過(guò)導(dǎo)線送給相關(guān)降壓斬波電路，降壓斬波電路根據(jù)其接收脈沖的不同占空比產(chǎn)生輸出電壓U2，U2加在直流電機(jī)二端直接改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)火力大小。關(guān)于信息反饋與“可視化”，主要由傳感器部分采集的數(shù)據(jù)與STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板中相關(guān)程序協(xié)調(diào)配合解決的。安裝在48V直流電機(jī)后軸測(cè)速盤(pán)處的紅外脈沖測(cè)速裝置將轉(zhuǎn)速信息轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)送給STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板的TIM定時(shí)計(jì)數(shù)器接收引腳，實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能。STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板將處理好的轉(zhuǎn)速信息送給顯示屏，顯示屏將轉(zhuǎn)速信息處理為火力大小可視化的呈現(xiàn)給用戶。同時(shí)用戶可以通過(guò)工作方式選擇按鍵為STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板提供轉(zhuǎn)換信號(hào)，最小系統(tǒng)板通過(guò)控制對(duì)應(yīng)引腳的電平輸出控制工作方式選擇電路中的IGBT管，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速控制方式的選擇。

四、相關(guān)參數(shù)整定與調(diào)試

相關(guān)參數(shù)整定與調(diào)試主要是敘述系統(tǒng)控制部分的控制程序在調(diào)試時(shí)需要的三個(gè)主要參數(shù)的獲取方法和需要注意地方。

（一）電機(jī)相關(guān)參數(shù)的測(cè)量

雖然電機(jī)參數(shù)在銘牌處已有明確的說(shuō)明，但由于在使用“自動(dòng)PWM波”調(diào)速時(shí)調(diào)速精度較高，電機(jī)由于年限問(wèn)題可能會(huì)導(dǎo)致較大顯示偏差，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)報(bào)廢。因而需要重新測(cè)量電機(jī)的相關(guān)參數(shù)。主要測(cè)量的是直流電機(jī)轉(zhuǎn)速大小與直流電壓大小的線性關(guān)系（n=aU-b）和能使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的最小電壓Umin。將直流電機(jī)定子端連接在穩(wěn)壓電源的直流輸出端上，由于在使用時(shí)電機(jī)只帶動(dòng)風(fēng)扇空轉(zhuǎn)，因此不能使用伴隨電機(jī)測(cè)速，而采用轉(zhuǎn)子端連接光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過(guò)M/T法測(cè)速。先將穩(wěn)壓電源直流輸出端調(diào)至48V，待測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定下來(lái)后記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速nmax，再逐級(jí)減小穩(wěn)壓電源電壓至46V，44V，42V……穩(wěn)定后分別記錄下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n1，當(dāng)電壓減小到4V后以0.1V為一級(jí)逐級(jí)遞減電壓，直到電壓減小至電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)為止，此時(shí)的電壓為umin1。之后將穩(wěn)壓電源調(diào)至0V，以0.1V為一級(jí)逐級(jí)增大電壓，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子剛開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)而且待測(cè)速數(shù)值有穩(wěn)定不為零的跡象時(shí)，記錄此時(shí)電壓數(shù)值為umin2，繼續(xù)逐級(jí)遞增電壓到4V，此后從4V開(kāi)始以2V為一級(jí)逐級(jí)增加電壓直至48V，分別記錄對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n2。相關(guān)記錄表格如下表1。

根據(jù)表格數(shù)據(jù)將得到4組（a，b），分別對(duì)應(yīng)反向遞減電壓（0V-4V），（4V-48V）和正向遞增電壓（0V-4V），（4V-48V）。取4組的平均值得到最終結(jié)果。

（二）自動(dòng)PWM波產(chǎn)生程序相關(guān)參數(shù)整定

STM32F103C8T6最小系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)生不同占空比的脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)直流斬波電路中IGBT管的導(dǎo)通時(shí)間從而控制直流電機(jī)輸入端電壓大小。

已知，n為期望轉(zhuǎn)速，U為直流斬波電路輸出電壓，n=aU-b為直流電機(jī)輸入輸出關(guān)系。

當(dāng)自動(dòng)PWM調(diào)速功能被啟動(dòng)時(shí)，使用者通過(guò)鍵盤(pán)輸入期望轉(zhuǎn)速n給控制系統(tǒng)。

U1為根據(jù)電機(jī)特性求得的理論輸入電壓，U1≈U。

根據(jù)直流斬波電路的工作原理：

則：

α為占空比，E=48V為基準(zhǔn)電壓，T為開(kāi)關(guān)周期選取為1毫秒（1ms）。

綜上可得出在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的控制系統(tǒng)脈沖輸出引腳置為1的時(shí)間t=α。t是自動(dòng)PWM波產(chǎn)生程序中關(guān)于“如何調(diào)速”和“調(diào)多少”的相關(guān)問(wèn)題的關(guān)鍵參數(shù)。

（三）相關(guān)延遲程序的參數(shù)整定

以上主要敘述了控制系統(tǒng)的核心技術(shù)方面和主體硬件控制基礎(chǔ)部分，控制系統(tǒng)的細(xì)節(jié)控制方面還包括：在控制信號(hào)給出后各單元硬件設(shè)備的分時(shí)啟動(dòng)和順序運(yùn)行。如點(diǎn)火指令發(fā)出后，直流電機(jī)先運(yùn)行，0.5S后電動(dòng)燃?xì)忾y打開(kāi)，1S后點(diǎn)火器與排氣風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)。在STM32F103C8T6單片機(jī)控制指令給出后，各單元硬件設(shè)備對(duì)相關(guān)指令的延遲動(dòng)作時(shí)間因以具體情況為準(zhǔn)。這里建議對(duì)不同部分實(shí)行分塊控制，如對(duì)整流調(diào)速部分和系統(tǒng)控制部分實(shí)行實(shí)時(shí)供電，以確保信息指令發(fā)送和接收的時(shí)效性。對(duì)加速室部分實(shí)行超前控制，即燃?xì)忾y門(mén)開(kāi)啟時(shí)間應(yīng)該在點(diǎn)火指令執(zhí)行前。對(duì)于其他部分，如廢氣排放等環(huán)節(jié)實(shí)行延遲控制。

五、結(jié)語(yǔ)

此前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)主要是為了解決市面上同類型大功率燃?xì)鉅t控制方式不靈活而產(chǎn)生的。此前混式商用燃?xì)鉅t控制系統(tǒng)投入使用后。當(dāng)使用人員需要隨意改變?nèi)細(xì)鉅t火力大小時(shí)，即可通過(guò)扭動(dòng)手動(dòng)PWM波產(chǎn)生裝置上的旋鈕調(diào)節(jié)火力大小，也能夠通過(guò)鍵盤(pán)輸入的方式得到高精度的火力。實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的同時(shí)降低使用難度，使操作更加靈活且容易上手。此外用戶可通過(guò)顯示屏獲知燃?xì)鉅t運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的人機(jī)交互。此不僅為使用人員提供極大的便利，也有利于節(jié)約能源與減小安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳文武.一種新型高效的商用燃液化氣灶具節(jié)能技術(shù)[J].廣東科技，2009，04.

[2]濮陽(yáng)檳.基于AT89S52的新型可控燃?xì)鉅t[J].電子世界，2012，15.

[3]阮毅.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[4]王兆安.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5]張淑清，胡永濤.嵌入式單片機(jī)STM32原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

項(xiàng)目資金：2021-2022年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

作者簡(jiǎn)介：陳舒生（1999—?），男，漢族，安徽六安人，本科在讀;李榮浩（2000—?），男，漢族，安徽合肥人，本科在讀;張曉龍（1999—?），男，漢族，安徽合肥人，本科在讀。