基于溫差發(fā)電的智能柴煤爐設(shè)計(jì)

徐大為，王昆能，胡 浪，孫先波

（湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000）

基于溫差發(fā)電的智能柴煤爐設(shè)計(jì)

徐大為，王昆能，胡 浪，孫先波*

（湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000）

介紹了一種基于溫差發(fā)電的智能柴煤爐設(shè)計(jì)方案.系統(tǒng)由溫差發(fā)電子系統(tǒng)、DC-DC子系統(tǒng)、AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)等組成.主要是利用爐內(nèi)暖風(fēng)以及爐外冷風(fēng)達(dá)到溫差條件，通過溫差半導(dǎo)體發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，經(jīng)過DC-DC系統(tǒng)供電.在柴煤爐進(jìn)風(fēng)口裝上風(fēng)機(jī)，利用單片機(jī)控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速或手動(dòng)調(diào)速，以達(dá)到爐內(nèi)燃料充分燃燒的目的，同時(shí)還能點(diǎn)亮LED燈照明或?yàn)槭謾C(jī)充電等功能.仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有控制電機(jī)轉(zhuǎn)速精度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、能使柴煤爐燃料燃燒充分等優(yōu)點(diǎn)，且操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛.

AVR單片機(jī)；溫差發(fā)電；智能柴煤爐

傳統(tǒng)的柴煤爐依舊是農(nóng)村廣泛應(yīng)用的一種加熱取暖爐，尤其在恩施地區(qū)乃至武陵山區(qū)，農(nóng)村居民大都用柴煤爐取暖.但是傳統(tǒng)柴煤爐的熱效率很低，人們都致力于研究爐子外觀及結(jié)構(gòu)，考慮到柴煤爐充分燃燒和余熱回收利用問題的卻不多.

溫差發(fā)電技術(shù)的工作原理是在兩塊不同性質(zhì)的半導(dǎo)體片兩端形成一個(gè)溫度差，這樣在半導(dǎo)體兩端就產(chǎn)生了直流電動(dòng)勢(shì).柴煤爐能很好達(dá)到溫差這個(gè)條件，取爐內(nèi)暖風(fēng)作為熱源，室內(nèi)冷風(fēng)作為冷源，利用溫度差發(fā)電［1-2］.

利用溫差發(fā)電技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)柴煤爐進(jìn)行改造升級(jí)，設(shè)計(jì)的新型智能柴煤爐具備控制電機(jī)轉(zhuǎn)速精度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、能使柴煤爐燃料燃燒充分等優(yōu)點(diǎn)，且操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 柴煤爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前市面上普遍使用的柴煤爐，沒有對(duì)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速控制，存在燃料不能充分燃燒的問題，本次設(shè)計(jì)在爐壁開兩個(gè)大小適宜且相距不太遠(yuǎn)的出風(fēng)口，同時(shí)，在下面風(fēng)口對(duì)應(yīng)面再開個(gè)適宜的進(jìn)風(fēng)口.這樣爐壁接溫差發(fā)電系統(tǒng)，上面暖風(fēng)出風(fēng)口接在溫差發(fā)電片熱端，下面冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)口接在溫差發(fā)電片冷端，溫差發(fā)電系統(tǒng)再接風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)再接進(jìn)風(fēng)口.同時(shí)調(diào)整爐體外部結(jié)構(gòu)，使智能柴煤爐協(xié)調(diào)工作.

1.2 溫差發(fā)電系統(tǒng)

溫差發(fā)電技術(shù)的基本原理是塞貝克效應(yīng)，將P型和N型兩種不同類型的熱電材料的一端相連形成一個(gè)PN結(jié)，并使其中一端處于高溫狀態(tài)，另一端就處于低溫狀態(tài)，由于熱激發(fā)的作用，P（N）型材料高溫端空穴（電子）濃度高于低溫端，由于存在濃度差，使得空穴和電子向低溫端擴(kuò)散，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，通過熱電材料熱端和冷端之間的溫度差實(shí)現(xiàn)了熱內(nèi)能直接轉(zhuǎn)化［3-5］.溫差發(fā)電原理如下圖1所示.

圖1　溫差發(fā)電原理示意圖Fig.1 The princip1e diagram of thermoe1ectric power generation

本系統(tǒng)建立半導(dǎo)體溫差發(fā)電器的理論模型和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而優(yōu)化溫差發(fā)電系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，確定工作電壓和發(fā)電自身內(nèi)阻的最佳范圍，找出最優(yōu)參數(shù)，還要選擇合適數(shù)量的溫差發(fā)電片構(gòu)建發(fā)電系統(tǒng).

1.3 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)能通過溫差發(fā)電系統(tǒng)提供電源，通過采集煙霧濃度與爐外溫度合理控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使柴煤爐工作在最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能控制.

智能控制系統(tǒng)由煙霧濃度、溫度采集模塊、風(fēng)機(jī)調(diào)速模塊、主控模塊、按鍵模塊和顯示模塊組成.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure diagram of contro1 system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫差發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)壓模塊

溫差發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的直流電壓直接受溫差發(fā)電片兩端溫度差的影響.因此，溫差發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓存在一定的波動(dòng)，必須通過穩(wěn)壓調(diào)節(jié)后才能為設(shè)備提供能量.由于溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電電壓比較低并且不穩(wěn)定，無法直接為儲(chǔ)能裝置和用電設(shè)備直接供能［6-7］，因此需要使用升壓穩(wěn)壓芯片對(duì)發(fā)電電壓進(jìn)行升壓穩(wěn)壓處理，實(shí)驗(yàn)中測(cè)出每片溫差發(fā)電片在最大溫差，發(fā)出電壓不超過2.5 v，采用2片串聯(lián)不會(huì)超過5 v電壓，只需考慮升壓電路及穩(wěn)壓電路，如圖3所示.

圖3　升壓穩(wěn)壓電路Fig.3 The booster circuit

首先由柴煤爐構(gòu)建出溫差發(fā)電模塊，形成電源模塊，然后經(jīng)過升壓穩(wěn)壓到5 v，連接4條回路，每條回路要放置隔離二極管，防止倒流來保護(hù)電路.一條回路直接接5 v供電照明設(shè)備，一條回路接直流風(fēng)機(jī)，還有一條給單片機(jī)供電，最后一條備用.

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)柴媒爐的智能控制，由煙霧濃度、溫度采集電路、風(fēng)機(jī)調(diào)速電路、按鍵回路、顯示電路等組成，控制系統(tǒng)電路圖如下圖4所示.

主控芯片選擇AVR系列單片機(jī)的ATMEGA16，該芯片端口資源足夠系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，自帶A/D轉(zhuǎn)換器，16K f1ashRom［8-9］.煙霧采集選擇MQ-2煙霧濃度傳感器，其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大，由于電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，顯然電阻是減小的，其特性相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器，不同的電導(dǎo)對(duì)應(yīng)不同的煙霧濃度.

按鍵電路設(shè)計(jì)3個(gè)按鍵，按鍵一代表手動(dòng)調(diào)小轉(zhuǎn)速，按鍵二代表手動(dòng)調(diào)大轉(zhuǎn)速，按鍵三代表自動(dòng)控制模式.在自動(dòng)模式下，首先，控制風(fēng)機(jī)以小速度運(yùn)轉(zhuǎn)，然后風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度隨著煙霧濃度增加而增大，從而控制柴煤爐煙霧濃度，使其煙霧濃度達(dá)到燃料充分燃燒下的煙霧濃度后，風(fēng)機(jī)勻速，保持爐內(nèi)煙霧濃度.采用高溫傳感器采集爐內(nèi)溫度，當(dāng)溫度一旦達(dá)到設(shè)定的溫度上限，風(fēng)機(jī)以較小速度運(yùn)轉(zhuǎn)或停止.用4位數(shù)碼管顯示煙霧濃度和溫度.

圖4　控制系統(tǒng)電路圖Fig.4 The circuit diagram of the contro1 system

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

采用常用的仿真軟件proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真.仿真硬件電路如前圖4所示，仿真軟件的設(shè)計(jì)主要包括風(fēng)機(jī)調(diào)速控制主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、按鍵子程序、顯示子程序.主程序流程圖如圖5所示.

圖5　主程序流程圖Fig.5 The f1ow diagram of the main program

仿真結(jié)果如圖6所示，通過仿真結(jié)果可以看到煙霧濃度、溫度均能正確顯示，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也能隨煙霧濃度和溫度的變化自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了智能控制的目標(biāo).

圖6　仿真圖Fig.6 The simu1ation diagram

在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上搭建實(shí)驗(yàn)電路，檢測(cè)實(shí)際的煙霧濃度和溫度數(shù)據(jù).煙霧濃度采集數(shù)據(jù)如表1所示，溫度采集數(shù)據(jù)如表2所示.

表1　煙霧濃度采集數(shù)據(jù)表Tab.1 Smoke concentration acquisition data tab1e

表2　溫度采集數(shù)據(jù)表Tab.2 Temperature acquisition data tab1e

通過對(duì)煙霧濃度和溫度采集數(shù)據(jù)分析來看，測(cè)試數(shù)據(jù)基本覆蓋了所有可能的煙霧濃度和溫度值.對(duì)比分析測(cè)試的煙霧濃度和溫度值與實(shí)際的煙霧濃度和溫度值，有一定的誤差，可能的原因有系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)誤差、人為讀數(shù)的誤差、轉(zhuǎn)換誤差等，但都在誤差允許的范圍內(nèi).同時(shí)，通過調(diào)試可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)能很好的隨煙霧濃度和溫度的變化自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，達(dá)到了智能控制的目的.

4 結(jié)論

基于溫差發(fā)電和AVR單片機(jī)微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)柴煤爐改進(jìn)設(shè)計(jì)，首先能余熱發(fā)電，節(jié)約資源，同時(shí)利用AVR單片機(jī)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料充分燃燒，使傳統(tǒng)柴煤爐更加智能.仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能均已實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定.

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責(zé)任編輯：時(shí) 凌

Design of Intelligent Coal Stoves Based on Thermoelectric Power Generation

XU Dawei，WANG Kunneng，HU Lang，SUN Xianbo*
（Schoo1 of Information Engineering，Hubei University for Nationa1ities，Enshi 445000，China）

A design scheme of the inte11igent coa1 stove based on thermoe1ectric power generation is presented.Systems are composed of the thermoe1ectric generation system，DC-DC system，AVR microcontro11er system，etc.Warm wind in furnace and co1d wind of air in1et are used to get the temperature difference conditions，which produces e1ectricity by thermoe1ectric power semiconductor and supp1ies power for contro1 system.Insta11ing the fan on coa1 fue1 furnace in1et，operating the fan and using the microcomputer contro1 system can rea1ize manua1 contro1 or automatic contro1 and achieve fu11 combustion according to the furnace smoke concentration.At the same time，the systems a1so can use the power from the power generation system to 1ight LED 1amps and charger for the mobi1e phones and other functions.The experimenta1 resu1ts show that the system has high precision contro1 of motor speed，nove1 structure and can make the coa1 stoves fu11 combustion.A1so，it is convenient to operate and can be used wide1y.

AVR sing1e-chip；thermoe1ectric power generation；inte11igent coa1 stoves

TP23

A

1008-8423（2016）02-0207-03

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2016.06.023

2016-04-20.

恩施州科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016）.

徐大為（1990-），男，碩士生，主要從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究；*

孫先波（1976-），男，碩士，副教授，主要從事控制理論與控制工程、工業(yè)自動(dòng)化等的研究.