何金凤，李 静

（唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299）

0 引言

在我国华北地区，因燃煤造成的环境污染问题日益严重，为了治理空气污染，国家出台了煤改电政策，即在冬季采暖季，利用电锅炉代替普通燃煤锅炉。当前电能已经广泛用于生活的各个方面，在发电、电能传输方面都十分便利，电能供应也非常充足，完全满足各个地方对电能的需求。电锅炉采暖原理是利用电能转化成热能实现取暖，传统的电锅炉依靠简单的温控来控制电锅炉的运行，这种控制方式具有高耗能、效率低的缺点，无形中增加了用户的使用成本，影响了电锅炉的普及，因此新型的电锅炉控制方案成为了各大电锅炉厂家研究的重点。本文从电锅炉的运行方式入手，根据客户对室内温度和运行时段的要求，设计研发了一款新型的电锅炉控制器，实现自动控制电锅炉，达到节约电能的目的。该锅炉控制器同时可以实时采集室内温度、电锅炉的运行状态，通过远程控制功能传输到用户的手机上，用户可以通过手机查看和控制电锅炉。该电锅炉控制器不但有效的降低了电锅炉的使用成本，同时也实现了智能控制和远程控制，极大的提升了用户的体验感。

1 电锅炉控制器的硬件设计及分析

该电锅炉控制器由微处理器外围电路、断码屏显示电路、温度传感器电路、水位传感器电路、供电电路、按键电路组成。电锅炉控制器的设计根据电锅炉的使用环境、功能、成本控制要求等因素设计，其电路组成框图如图1所示。

图1 锅炉控制器电路组成框图

1.1 微处理器的选型

该控制器根据成本控制要求，以“够用”为原则，选择了意法半导体公司生产的八位单片机。该电锅炉控制器采用的是STM8S系列的单片机，其型号为STM8S103K3T6。该单片机数据总线宽度为8位，最大时钟频率位16MHZ，程序存储器大小为8KB，数据RAM大小为1KB，ADC分辨率为10bit，工作电源电压为5.5V,最大工作温度为85℃。ADC通道数为4路，输入输出端数量为32个[1]。该微处理器性价比高，运算速度快，并且自带AD转换功能，不需要单独地使用模拟信号处理芯片，节约了成本，完全满足该控制器的要求。

1.2 显示屏的选型和人机界面的设计分析

根据电锅炉控制器的使用环境和成本控制的要求，该控制器采用了LED断码屏。LED断码屏具有价格低、显示清晰、材质坚硬等优点，且低温和潮湿环境工作稳定，因此非常适合该控制器的要求[2]。

该控制器显示屏显示的内容包括：1）出水口温度。该温度指的是电锅炉出水口的温度，电锅炉的电加热管的启停是根据该温度值的变化而启停的；2）电加热管管体温度。电锅炉的电加热管指的是电锅炉上的电加热器件，控制器检测加热管的温度是为了避免加热温度过高，烧毁加热管；3）循环泵的启停。循环泵在电锅炉供暖系统中起到加速水循环的作用。当电锅炉上电后，循环泵直接启动工作，加速水循环；4）水位检测。该水位传感器是水电极组成，用于检测加热管内部是否有水；5）时段控制。时段控制的目的是设置定时时间来控制电锅炉控制器的工作时间，用户根据自己的实际需求，需要电锅炉在哪个时段工作，设置对应的启停时间即可；6）手动/自动提醒。当设置成自动或手动功能后，在屏幕上可以显示其状态，方便用户识别；7）无线信号提醒。当增加无线远程传输模块后，在屏幕上可以显示其信号状态，方便用户的识别[3]。

1.3 温度传感器电路的设计分析

该电锅炉控制器有2路温度传感器，分别检测电锅炉的出水口温度和电加热管管体的温度。该温度传感器使用的是NTC热敏电阻,该热敏电阻根据环境温度上升电阻值呈指数关系减小，具有负温度系数的一种热敏电阻材料。该热敏电阻具有价格便宜、质量好、精度高的优点，完全满足电锅炉控制器的要求。其电路图如图2所示。

温度传感器的工作原理为：单片机采集热敏电阻上的电压信号，通过单片机内部的AD转换功能将其转换成为数字信号，由单片机进行处理，利用一定的算法得出热敏电阻的电阻值，根据换算公式求出对应的环境温度，显示到断码屏上。

1.4 水位传感器电路的设计分析

电锅炉的电加热管在加热时，必须保证加热管内部有水，否则极容易烧毁电加热管，在入水管加入水位传感器可以有效地判断入水管是否有水的问题。该水位传感器不需要检测水位，只需检测管内是否有水即可。因为该传感器的检测值直接关系到电加热管的工作状态，因此必须保证该传感器的工作稳定性和可靠性[4]。该水位传感器的电路图如图3所示。

如图3 水位传感器的电路图

图2 NTC温度传感器电路图

该水位传感器采用的传感器是水电极，水电极有正极和负极2个接线端子，当入水管有水时，正负极以水为导电介质导通，给单片机传输一个高电平信号；当入水管没有水时，正负极断开，给单片机传输一个低电平信号。单片机根据收到的信号状态判断入水管是否有水。

1.5 触摸按键电路的设计分析

在该控制器中选择了触摸按键作为该控制器的按键，轻触按键价格便宜，皮实耐用。该按键需要由触摸芯片对按键信号进行处理，该控制器采用的触摸芯片为台湾合泰公司生产的BS814A触摸芯片，该芯片可支持4个触摸按键，用来检测外部触摸按键上人手的触摸动作。该系列的芯片具有较高的集成度，仅需极少的外部组件便可实现触摸按键的检测[5]。该芯片提供了串行及并行输出功能，可方便与外部单片机之间的通讯，实现设备安装及触摸引脚监测目的。芯片内部采用特殊的集成电路，具有高电源电压抑制比，可减少按键检测错误的发生。该触摸芯片具有自动校准功能，低待机电流，抗电压波动等特性，实现了对电锅炉的稳定可靠的操作。

1.6 远程传输模块的选型和原理分析

该电锅炉控制器的主要使用对象是普通用户家庭，对于普通家庭而言远程控制并不是刚性需求。但仍有部分用户对远程控制功能有一定需求，为了满足这部分客户的需求，在电路板设计过程中预留了串口传输功能，安装一个DTU远程传输模块即可实现远程传输功能。

DTU全英文名称为Data Transfer Unit即数据传输模块，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，DTU硬件组成部分包括CPU控制模块、无线通信模块以及电源模块，其中无线通信模块包括GPRS通信模块、4G通信模块、WiFi通信模块、NB-IoT通信模块，用户可以根据自身的实际需求选择不同类型的DTU模块。电锅炉控制器与DTU的传输原理为：电锅炉控制器内部装有串口传输模块，通过串口与DTU设备相连接，电锅炉控制器发送的数据通过DTU设备的内部嵌入式处理器对数据进行网络协议封装后通过无线网络发送到数据中心服务器，服务器把数据下发到手机，手机用户即可收到电锅炉控制器的工作状态。DTU远程模块满足了部分用户对远程控制功能的需求，也避免了在所有电锅炉控制器上增加无线模块，降低了成本[6]。

2 电锅炉控制器的软件设计分析

2.1 电锅炉控制器控制模式设计思路

该电锅炉控制器的设计初衷是实现节能降耗，无人值守的目的。该电锅炉控制器具有手动和自动2种工作模式，手动工作模式是在电锅炉控制器的自动模式不能满足用户需求的时候，用户人为地操作电锅炉控制器的启停。自动工作模式是根据电锅炉控制器的两路温度传感器的检测值、水位传感器的检测值、时段控制的设定值进行工作的，该控制器控制的主要对象是电加热管和循环泵的工作状态。

2.2 电锅炉控制器控制原理设计思路

该电锅炉控制器的控制工作原理为：电锅炉控制器上电后，按下启动按键，循环泵首先运行，如果当温度低于2℃以后，即使不按下启动按键，循环泵也启动运行，防止暖气管的水结冰堵住。当出水口温度低于设定值后，电加热管启动；当出水口温度高于设定值后，电加热管停止工作。如果用户需要实现定时启动电加热管，可以设置时段功能，设置自己预设的时间，该控制器可以设置4个时间段。以上是该控制器的基本功能控制原理，该控制器测温准确，控制精准，满足了实际需求。

3 结束语

该电锅炉控制器的设计从用户的实际需求出发，以节能降耗为目标，设计了可靠的硬件电路，编写了科学合理的软件程序。该控制器不仅实现了节能减排的目的，同时也实现了无人值守的目标；同时为了提高用户的使用感受，以“简单易用”为目标，方便用户使用，设计了人性化的显示屏和按键，满足了用户的需求。