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摘要：通过对现在农村地区采暖情况的了解，选择STM32F103C8T6芯片设计了一种生物质燃料采暖炉控制器，以解决现在农村地区冬季取暖的一系列问题。根据K型热电偶检测的室温、水温等信息，通过电机控制采暖炉中燃料的燃烧速度，最终实现室内温度的恒定。
关键词：STM32F103C8T6；采暖炉；K型热电偶
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0291-02
Abstract： Through understanding the current heating situation in rural areas， STM32F103C8T6 chip was chosen to design a controller for a biomass fuel heating stove to solve a series of problems in winter heating in rural areas. According to the K-type thermocouple detection of room temperature， water temperature and other information， through the motor to control the burning speed of the fuel in the heating furnace， and ultimately achieve a constant indoor temperature.
Key words： STM32F103C8T6； heating stove； K-type thermocouple
因为农村有人口分散、缺少统一规划、基础设施薄弱等问题，集中供暖存在诸多困难，所以我国北方农村冬季的主要采暖方式依然是使用燃煤采暖炉。但是使用燃煤采暖炉存在诸多问题，比如因为不能自动添加燃煤所以需要有人值守，并且燃烧煤炭比较污染环境，排放废气含硫含硝。所以现在由废弃秸秆压制而成的生物质燃料是比较好的燃料选择。当前家庭生物质燃料采暖炉的控制系统主要是由温控表、普通继电器和时间继电器等电气元件组合而成，这种控制系统也存在诸多缺点，比如电路结构比较复杂，出现故障非常难排查，而且参数的调节通过工业电气控制，对于家庭使用，影响整体美观。本文则给出了一个可以在无人值守的情况下实现控制室温实现恒温的生物质燃料采暖炉控制器。
1 控制器的设计方案
选取了STM32F103C8T6作为主控器，该处理器运行频率高达40Mhz，有丰富的芯片资料，价格低廉，功能齐全，完全满足了设计的需要。温度是该控制器最重要的因素，通过K型热电偶将室温和采暖炉里水温的温度信号转换成热电动势信号，再用MAX6675将热电偶的信号转换为数字信号，对数字信号处理之后得到实际温度，控制器根据实际温度通过继电器控制电机进行填燃料、鼓风等操作。电机有进料电机、鼓风电机、除灰电机和排烟电机。本控制器还包括一个液晶显示屏、六个按键，组成了更美观的人机交互控制系统界面。用液晶显示屏显示室温、电机转速等控制器的重要参数，用按键来调节室内需要达到的温度、电机转速等。控制器的整体框架如图1所示。
2 控制器的硬件设计
2.1 电源供电模块
因该控制器使用地区为普通农村，因此主电源接入必须是AC220V，首先通过通用开关电源转换为直流12V再通过AMS1117-5V芯片将12V稳压为5V，因为STM32芯片主供电电压为3.3V，所以直流5V还需要通过AMS1117-3.3V转换为3.3V。液晶显示屏等使用通过AMS1117-5V芯片稳压的5V供电。控制器的稳压电路如图2所示。
2.2 温度采集模块
该控制器选择了K型热电偶作为采集温度信息的传感器。热电偶是一种感温元件，可以将温度信号转换成电动势信号，进而转换为温度。热电偶测温的原理是两种不同成分的导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会产生电流，此时两端就存在热电动势。两种不同成分的导体作为热电极，温度较高的一端是工作端，温度较低的一端是自由端，也称冷端。热电偶的测量精度较高、热响应时间快、测量范围大、使用寿命长、安装方便，选取它作为温度传感器是很好的选择。但是热电偶也存在一些缺点：热电偶输出热电动势与温度之间为非线性关系，需要做线性化处理；热电偶输出的电动势是冷端保持为0摄氏度时与测量端的电势差值，但是在实际中冷端的温度是随环境温度的变化而变化的，所以需要进行冷端补偿；热电偶不能直接数字化输出。为了弥补这些缺点，选用了MAX6675芯片。
MAX6675芯片内部具有信号调节放大器、12位模拟/数字热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和一个相关的逻辑控制，一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。MAX6675芯片外围电路如图3所示。
2.3 电机控制模块
电机调速所用的方法为晶闸管过零检测调速控制法。晶闸管具有功率大，体积小，控制灵敏等特点，而且还可以使用小电流、小功率来控制大电流、大功率，用单片机实现晶闸管过零调速，相比于变频调速，不仅可以实现管的导通角控制由软件完成，还可以避免类似移相调速、脉宽调速、正弦脉宽调速等在调速过程中产生大量噪声和高次谐波。调速是通过改变在给定的时间内加在负载上的交流正弦波的个数来调节电机的转速。由于晶闸管是在电压过零时触发导通的，导通时的波形是完整的正弦波或半波，所以不存在晶闸管移相调压调速所存在的一些缺点，比如高次谐波等，提高了电路的安全系数。数字实现晶闸管过零调速控制需要解决两个主要问题：实现电压的正负过零检测，并且需要在过零时产生一个脉冲信号；过零脉冲信号需要受单片机的控制。
3 控制器的软件设计
意法半导体公司开发了基于STM32这类控制器的库函数，它把控制器中寄存器的底层功能都封装了起来，让开发人员设计程序更便捷，加快了开发人员的工作进程。此控制器采用IAR开发环境，充分利用了库函数，使程序简化了很多，比如I/O口的初始化，系统时钟的初始化，按键扫描等。以下附上控制器的部分程序代码：
4 结束语
本控制器基于STM32F103C8T6微控制器进行设计，实现了家用生物质燃料采暖炉的自动控制，提升了家庭取暖的智能化，成本低廉，解决了当前农村冬季取暖的诸多问题，在冬季农村家庭很适用，有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 张宇， 田英明， 赵俊奎. 基于MSP430单片机设计研发微小型数字多路测温仪[J]. 自动化与仪器仪表， 2009（2）：54-56.
[2] 谢清俊， 罗犟， 程爽. 接触式测温技术综述[J]. 中国仪器仪表， 2017（8）.
[3] 孟洁， 刘金刚， 邓懿. 一种智能化温度测控系统的设计与实现[J]. 微計算机信息， 2010， 26（32）：60-62.
[4] 彭玲玲， 何晓丽， 赵勇. 减少杂波干扰的可控硅调速电路设计[J]. 现代电子技术， 2010， 33（20）：182-183.
【通联编辑：梁书】
关键词：STM32F103C8T6；采暖炉；K型热电偶
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0291-02
Abstract： Through understanding the current heating situation in rural areas， STM32F103C8T6 chip was chosen to design a controller for a biomass fuel heating stove to solve a series of problems in winter heating in rural areas. According to the K-type thermocouple detection of room temperature， water temperature and other information， through the motor to control the burning speed of the fuel in the heating furnace， and ultimately achieve a constant indoor temperature.
Key words： STM32F103C8T6； heating stove； K-type thermocouple
因为农村有人口分散、缺少统一规划、基础设施薄弱等问题，集中供暖存在诸多困难，所以我国北方农村冬季的主要采暖方式依然是使用燃煤采暖炉。但是使用燃煤采暖炉存在诸多问题，比如因为不能自动添加燃煤所以需要有人值守，并且燃烧煤炭比较污染环境，排放废气含硫含硝。所以现在由废弃秸秆压制而成的生物质燃料是比较好的燃料选择。当前家庭生物质燃料采暖炉的控制系统主要是由温控表、普通继电器和时间继电器等电气元件组合而成，这种控制系统也存在诸多缺点，比如电路结构比较复杂，出现故障非常难排查，而且参数的调节通过工业电气控制，对于家庭使用，影响整体美观。本文则给出了一个可以在无人值守的情况下实现控制室温实现恒温的生物质燃料采暖炉控制器。
1 控制器的设计方案
选取了STM32F103C8T6作为主控器，该处理器运行频率高达40Mhz，有丰富的芯片资料，价格低廉，功能齐全，完全满足了设计的需要。温度是该控制器最重要的因素，通过K型热电偶将室温和采暖炉里水温的温度信号转换成热电动势信号，再用MAX6675将热电偶的信号转换为数字信号，对数字信号处理之后得到实际温度，控制器根据实际温度通过继电器控制电机进行填燃料、鼓风等操作。电机有进料电机、鼓风电机、除灰电机和排烟电机。本控制器还包括一个液晶显示屏、六个按键，组成了更美观的人机交互控制系统界面。用液晶显示屏显示室温、电机转速等控制器的重要参数，用按键来调节室内需要达到的温度、电机转速等。控制器的整体框架如图1所示。
2 控制器的硬件设计
2.1 电源供电模块
因该控制器使用地区为普通农村，因此主电源接入必须是AC220V，首先通过通用开关电源转换为直流12V再通过AMS1117-5V芯片将12V稳压为5V，因为STM32芯片主供电电压为3.3V，所以直流5V还需要通过AMS1117-3.3V转换为3.3V。液晶显示屏等使用通过AMS1117-5V芯片稳压的5V供电。控制器的稳压电路如图2所示。
2.2 温度采集模块
该控制器选择了K型热电偶作为采集温度信息的传感器。热电偶是一种感温元件，可以将温度信号转换成电动势信号，进而转换为温度。热电偶测温的原理是两种不同成分的导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会产生电流，此时两端就存在热电动势。两种不同成分的导体作为热电极，温度较高的一端是工作端，温度较低的一端是自由端，也称冷端。热电偶的测量精度较高、热响应时间快、测量范围大、使用寿命长、安装方便，选取它作为温度传感器是很好的选择。但是热电偶也存在一些缺点：热电偶输出热电动势与温度之间为非线性关系，需要做线性化处理；热电偶输出的电动势是冷端保持为0摄氏度时与测量端的电势差值，但是在实际中冷端的温度是随环境温度的变化而变化的，所以需要进行冷端补偿；热电偶不能直接数字化输出。为了弥补这些缺点，选用了MAX6675芯片。
MAX6675芯片内部具有信号调节放大器、12位模拟/数字热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器、1个SPI兼容接口和一个相关的逻辑控制，一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器。MAX6675芯片外围电路如图3所示。
2.3 电机控制模块
电机调速所用的方法为晶闸管过零检测调速控制法。晶闸管具有功率大，体积小，控制灵敏等特点，而且还可以使用小电流、小功率来控制大电流、大功率，用单片机实现晶闸管过零调速，相比于变频调速，不仅可以实现管的导通角控制由软件完成，还可以避免类似移相调速、脉宽调速、正弦脉宽调速等在调速过程中产生大量噪声和高次谐波。调速是通过改变在给定的时间内加在负载上的交流正弦波的个数来调节电机的转速。由于晶闸管是在电压过零时触发导通的，导通时的波形是完整的正弦波或半波，所以不存在晶闸管移相调压调速所存在的一些缺点，比如高次谐波等，提高了电路的安全系数。数字实现晶闸管过零调速控制需要解决两个主要问题：实现电压的正负过零检测，并且需要在过零时产生一个脉冲信号；过零脉冲信号需要受单片机的控制。
3 控制器的软件设计
意法半导体公司开发了基于STM32这类控制器的库函数，它把控制器中寄存器的底层功能都封装了起来，让开发人员设计程序更便捷，加快了开发人员的工作进程。此控制器采用IAR开发环境，充分利用了库函数，使程序简化了很多，比如I/O口的初始化，系统时钟的初始化，按键扫描等。以下附上控制器的部分程序代码：
4 结束语
本控制器基于STM32F103C8T6微控制器进行设计，实现了家用生物质燃料采暖炉的自动控制，提升了家庭取暖的智能化，成本低廉，解决了当前农村冬季取暖的诸多问题，在冬季农村家庭很适用，有广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 张宇， 田英明， 赵俊奎. 基于MSP430单片机设计研发微小型数字多路测温仪[J]. 自动化与仪器仪表， 2009（2）：54-56.
[2] 谢清俊， 罗犟， 程爽. 接触式测温技术综述[J]. 中国仪器仪表， 2017（8）.
[3] 孟洁， 刘金刚， 邓懿. 一种智能化温度测控系统的设计与实现[J]. 微計算机信息， 2010， 26（32）：60-62.
[4] 彭玲玲， 何晓丽， 赵勇. 减少杂波干扰的可控硅调速电路设计[J]. 现代电子技术， 2010， 33（20）：182-183.
【通联编辑：梁书】