燃?xì)怆娮涌刂破麟娐穲D（一）

一款自吸閥安全型燃?xì)鉅t具脈沖控制器（如附圖所示，其中K1、K2分別為左、右爐開關(guān)。本文以左爐為例介紹）。本控制器功能齊全，電路典型，市場占有率較大，可作為維修人員維修其他自吸閥安全型爐具脈沖控制器的參考。

1．電磁閥啟動(dòng)電路原理

在圖中，當(dāng)開關(guān)K1閉合后，C19通過R29和V10基極充電，V10導(dǎo)通，V11飽和，啟動(dòng)線圈L1得電，電磁閥吸合，燃?xì)馔ㄟ^電磁閥到達(dá)爐頭。當(dāng)C19充電約0．5秒后，C19負(fù)端電壓小于0．5V，V10、V11截止，電磁閥吸合過程結(jié)束。

2．點(diǎn)火電路工作原理

（1）當(dāng)K1閉合時(shí)，由于左爐火焰探針（A點(diǎn)）檢測(cè)不到火焰，加上比較器IC1-A有上拉電阻R5的偏置作用，IC1—A的第⑨腳為高電平，IC1-A第14腳輸出也為高電平，C4繹過R10開始充電。開始充電時(shí)IC1-B第④腳電壓高過IC1-B第⑤腳電壓，Ic1—B第②腳輸出為低電平，振蕩管V2基極得電起振，線圈T1次級(jí)感應(yīng)的交流電壓經(jīng)過D8半波整流對(duì)C8充電，可控硅V4觸發(fā)極電流經(jīng)過D9、R14、V3的c—e極，使得V4導(dǎo)通。C8通過GYB1初級(jí)和V4放電。同時(shí)在GYB1次級(jí)感應(yīng)一個(gè)高于12kV的高壓脈沖。由于V7基極無電流，V7截止，V5沒有觸發(fā)電流，V5截止，GYB2初級(jí)沒有電流通路，GYB2次級(jí)無感應(yīng)高壓脈沖。

（2）當(dāng)C4充電約8秒后，IC1-B第④腳電壓小于IC1—B第⑤腳電壓，LM339第②腳輸出為高電壓，V1、V3截止，T1次級(jí)無感應(yīng)電壓，停止點(diǎn)火。

（3）在脈沖有放電高壓時(shí)，V12基極通過R32、D6得電而飽和，維持線圈L2得電而維持電磁閥開通。如果脈沖控制器在點(diǎn)火時(shí)間（8秒）內(nèi)，火焰探針檢測(cè)不到火焰（即點(diǎn)不看火），Ic1—B第②腳輸出為高電壓，V12沒有工作電流而截止。維持線圈L2沒有電流，電磁閥關(guān)閉，煤氣不能通過電磁閥到達(dá)爐頭。

3．火焰檢測(cè)電路工作原理

（1）煤氣燃燒時(shí)，火焰可在探針上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電勢(shì)（對(duì)地），此負(fù)電勢(shì)可以旁路掉R3、C1流過來的正電流，此負(fù)電勢(shì)大小與探針溫度（即火的大?。┏烧?。

（2）在點(diǎn)火時(shí)間（8秒）內(nèi)，探針檢測(cè)到火焰時(shí)，R3、C1流過的正電流被旁路到地。IC1-A第⑨腳為負(fù)電壓（對(duì)地約-200mV）。IC1-A第14腳輸出為低電平，D4鎖住C4正極電壓值為0．5V，IC1—B第④腳為低電平，IC1-B第②腳輸出為高電平，D7、V2截止，點(diǎn)火停止；D6、V12截止。R24通過V15向V2基極提供一小電流，T1和V2組成的振蕩電路小幅起振（平均振蕩電流8mA），以保持火焰檢刪電路所需的交流信號(hào)。同時(shí)因?yàn)镮C1-B第14腳輸出為低電平，故V8截止，V9、V12飽和，維持線圈L2得電，電磁閥維持住，燃?xì)饪赏ㄟ^電磁閥到達(dá)爐頭。整機(jī)正常工作。

4．意外熄火保護(hù)功能

當(dāng)爐具正常工作發(fā)生意外熄火故障時(shí)，探針檢測(cè)不到火焰，C1、R3流過的正電流不能被旁路到地，由于有偏置電阻R5的作用，IC1-A第⑨腳為高電平，IC1—A第14腳輸出為高電平，C14開始充電，LM339第②腳輸出為低電平，脈沖控制器進(jìn)行第二次點(diǎn)火。在二次點(diǎn)火時(shí)間內(nèi)，V12飽和，維持線圈L2得電，電磁閥仍維持。若在二次點(diǎn)火完畢探針仍檢刪不到火焰，IC1—A第14腳輸出仍為高電平，IC1-B第④腳為低電壓，LM339第②腳輸出為高電平，脈沖控制器點(diǎn)火完畢。V8飽和，V9、D6、V12截止，維持線圈L2因無電流，電磁閥關(guān)閉。燃?xì)獠荒艿竭_(dá)爐頭。

5．意外熄火報(bào)警電路

當(dāng)K1已經(jīng)閉合，電磁閥維持線圈L2無電流時(shí)，V13截止，V14飽和，蜂鳴器F1得電而發(fā)出報(bào)警聲。提示用戶燃?xì)庠罹咭呀?jīng)意外熄火。［Page］

6．自鎖功能

當(dāng)K1閉合，在火焰探針（A）檢測(cè)不到火焰信號(hào)時(shí)，IC1-A第⑨腳和第14腳為高電平。V6基極經(jīng)R7、D4、R9得電而飽和。若在此時(shí)K2閉合，由于V6鎖住IC1-A第⑥腳電壓為零，IC1-D第①腳為高電壓。V2、V7、V12均截止。K2控制的電路不工作。

7．附注

1）LM339為四電壓比較器；2）點(diǎn)火頻率調(diào)整電阻：R14；3）點(diǎn)火電流調(diào)整電阻：R25；4）點(diǎn)火時(shí)間調(diào)整電阻：R10（K1左爐）；R21（K2右爐）；5）電磁閥吸合時(shí)間調(diào)整電阻：R29；6）產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，額定工作電壓：DC3V；工作電壓范圍：DC2．1～3.3V；點(diǎn)火頻率：8～15Hz／s（DC3V）≥3Hz／s（DC2．1V）；點(diǎn)火時(shí)間：7—10s；點(diǎn)火電流≤150mA；點(diǎn)火高壓：≥12kV；點(diǎn)火距離：≥4mm；點(diǎn)火火花顏色（形狀）：彎火弧形（藍(lán)白色）；電磁閥吸合時(shí)間：0．25s～0．75s；使用次數(shù)：≥50000次；反饋電阻：≥3．3M。

燃?xì)怆娮涌刂破麟娐穲D（二）

基于EN298：2003安全標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)燃?xì)饪刂破髟O(shè)計(jì)

由于能源的稀缺，如何使燃料資源利用更高效、更合理，已成為備受關(guān)注的民生大事。同時(shí)，燃?xì)獍踩[患問題也亟待解決。隨著技術(shù)的進(jìn)步，相關(guān)研究人員逐漸將控制理論應(yīng)用于燃燒過程控制領(lǐng)域中。目前，西方發(fā)達(dá)國家燃燒控制技術(shù)發(fā)展比較成熟，但產(chǎn)品成本較高;我國燃燒控制技術(shù)相對(duì)落后，生產(chǎn)燃燒器以及燃燒控制設(shè)備沒有明確的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)，故歐盟燃燒控制安全標(biāo)準(zhǔn)的引入具有重大意義。

1、設(shè)計(jì)規(guī)范

本設(shè)計(jì)符合EN298：2003安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鼓風(fēng)或非鼓風(fēng)燃?xì)馊紵骱腿細(xì)庥镁叩淖詣?dòng)燃燒控制系統(tǒng)、程序控制裝置和與之相連接的火焰檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)、功能、測(cè)試方法和標(biāo)志要求。

2、關(guān)鍵技術(shù)

2.1、光電耦合器隔離高低壓技術(shù)

光電耦合器是一種把發(fā)光源、受光器及信號(hào)處理電路封裝在同一密閉殼體內(nèi)的器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使其發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器接收，產(chǎn)生光電流，經(jīng)進(jìn)一步放大后，將電信號(hào)直接輸出，即實(shí)了“電→光→電”的轉(zhuǎn)換及輸出。把光作為信號(hào)傳輸媒介，輸入端和輸出端在電氣特性上絕緣，這樣就實(shí)現(xiàn)了“電隔離”。

2.2、基于STC單片機(jī)ID的芯片加密技術(shù)

如果解密后的結(jié)果和EEPROM中的編碼相匹配，則進(jìn)入正常循環(huán);否則，使程序跑飛的同時(shí)清空所有EEPROM。此外，考慮到若加密驗(yàn)證程序只放在主程序的開始執(zhí)行，則有被專業(yè)破解人員直接跳過加密驗(yàn)證程序的可能，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用周期性加密驗(yàn)證方式，提高系統(tǒng)保密性。

2.3、基于雙MCU的FailSafe技術(shù)

FailSafe技術(shù)要求在緊急狀況下可以立即切斷所有的危險(xiǎn)輸出以防發(fā)生事故，即實(shí)現(xiàn)“故障導(dǎo)向安全”，也可稱作“失效安全”。燃?xì)饪刂破魇褂玫奶厥庑詻Q定了該系統(tǒng)對(duì)安全性要求比較高，本設(shè)計(jì)在采用冗余技術(shù)的前提下實(shí)現(xiàn)了FailSafe。冗余技術(shù)又稱為儲(chǔ)備技術(shù)，其核心理念是利用系統(tǒng)并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性，一般分為工作冗余和后備冗余。本設(shè)計(jì)中采用前者，即多單元平均負(fù)擔(dān)工作，工作能力有一定冗余。

系統(tǒng)工作過程中，電磁閥對(duì)火焰的控制是影響安全的重要因素。當(dāng)電磁閥打開時(shí)即有燃?xì)忉尫牛魶]有火焰存在是十分危險(xiǎn)的，故需確保在沒有火焰時(shí)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

如表1所列，設(shè)計(jì)使用兩個(gè)MCU對(duì)電磁閥和火焰的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制。在認(rèn)為兩個(gè)MCU同時(shí)出現(xiàn)故障的可能性非常低的前提下，當(dāng)有一個(gè)MCU或相關(guān)器件出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)在另一個(gè)MCU的控制下關(guān)閉電磁閥，并切斷所有的危險(xiǎn)輸出，如燃?xì)忉尫拧＜僭O(shè)每個(gè)MCU及相關(guān)部件出現(xiàn)故障的幾率是1%，雙MCU控制時(shí)出現(xiàn)故障的幾率僅為0.01%，即通過雙MCU控制實(shí)現(xiàn)了FailSafe。

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

功能設(shè)計(jì)要求略——編者注。

3.1、系統(tǒng)工作流程

燃?xì)饪刂破鞯南到y(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示，虛線框內(nèi)的各模塊是控制器中實(shí)際包含的模塊，而左側(cè)矩形框內(nèi)表示該控制器所要檢測(cè)和控制的外圍設(shè)備及相關(guān)電路。

圖中編號(hào)與燃燒控制系統(tǒng)工作流程相對(duì)應(yīng)：

①系統(tǒng)運(yùn)行過程中，外圍輸入信號(hào)通過接口電路被控制系統(tǒng)的輸入模塊接收;

②經(jīng)過輸入模塊處理后的信號(hào)被中央處理模塊所接收;

③中央處理模塊中的兩個(gè)MCU對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析和處理;

④通過故障處理模塊對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行故障進(jìn)行檢測(cè)和處理，并將處理結(jié)果反饋給中央處理模塊;

⑤中央處理模塊將分析和處理后的信號(hào)傳輸給輸出控制模塊;

⑥輸出控制模塊將低壓控制信號(hào)通過繼電器來控制高壓信號(hào)，最后通過接口電路對(duì)外圍設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)化控制。

在以上各模塊工作的過程中，均由電源管理模塊提供適當(dāng)電壓。

3.2、硬件設(shè)計(jì)

3.2.1、系統(tǒng)硬件電路

燃?xì)饪刂破饔布驁D如圖3所示，主要包括主控制器STC12C5204、輔助控制器STC12C5201、MCU同步電路、電源電路、輸入電路、輸出控制電路等幾個(gè)部分。圖3中出現(xiàn)的英文縮寫含義略——編者注。

3.2.2、系統(tǒng)輸入電路

（1）火焰檢測(cè)電路

圖4為燃?xì)饪刂破骰鹧鏅z測(cè)電路圖，主要利用火焰的導(dǎo)電性和整流效應(yīng)而設(shè)計(jì)?；鹧鏅z測(cè)對(duì)系統(tǒng)來說非常重要，故探測(cè)點(diǎn)Fire同時(shí)連接到了MCU1和MCU2的I/O口上。

圖4中FE為火焰探測(cè)器，電阻R46、R22和電容C4構(gòu)成低通濾波器。電阻R47和R14組成L型衰減器，使J10與N之間得到10.67V交流電壓。電容C3起到交流耦合作用，使FE端得到純凈的交流信號(hào)。在FE點(diǎn)火時(shí)，1mm內(nèi)約產(chǎn)生兩萬伏高壓脈沖，故電路中采用大功率電阻R46與R22，可以盡量拉開火焰探頭與檢測(cè)電路中比較器及光耦的距離，以保護(hù)電路。

無火焰存在時(shí)，F(xiàn)E端直流分量為零，在上拉電阻R17作用下，LM393同相輸入端INA+電壓為+0.7V，比較器輸出為邏輯1，光耦不導(dǎo)通，F(xiàn)ire為低電平;有火焰存在時(shí)，燃?xì)馊紵鳟a(chǎn)生離子體，當(dāng)電源提供的交流電信號(hào)接觸到火焰探針時(shí)，可在火焰上形成通路，相當(dāng)于J10與零線之間接入一個(gè)二極管，具有單向?qū)ㄌ匦?，整流后波形如圖5所示，此時(shí)直流分量為負(fù)值。比較器同相輸入端INA+為DC-0.7V，比較器的輸出為邏輯0，光耦導(dǎo)通，F(xiàn)ire為高電平。

（2）低壓檢測(cè)電路

如圖6所示，為燃?xì)饪刂破鞯蛪簷z測(cè)電路圖。由于電壓不足時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，需要對(duì)系統(tǒng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

低壓檢測(cè)通過比較器和低壓檢測(cè)電路共同完成。圖6中LOWVOLT是低壓檢測(cè)點(diǎn)，與主控MCU的I/O口相連接，高電平表示檢測(cè)電壓偏低，低電平表示電壓正常。網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)5V1比零線電壓高5V，經(jīng)分壓，反相輸入端INB一的電壓為1.875V，同相輸入端INB+的電壓為30kΩ/（30kΩ+3MΩ）&TImes;待測(cè)電壓臨界值為181.8V，若同相輸入端的電壓低于反相輸入端，即供電電壓低于預(yù)設(shè)值，則光耦導(dǎo)通，LOWVOLT檢測(cè)到上升沿。

3.2.3、系統(tǒng)輸出控制電路

系統(tǒng)輸出控制電路邏輯如圖7所示，故障報(bào)警燈和風(fēng)機(jī)連在干路上，其他電路包括兩個(gè)燃?xì)饪刂崎y門、點(diǎn)火裝置以及執(zhí)行器均需接受風(fēng)機(jī)的總控制，即只有在風(fēng)機(jī)打開的前提下，系統(tǒng)才允許進(jìn)行輸氣、點(diǎn)火等動(dòng)作。

3.3、軟件設(shè)計(jì)

3.3.1、系統(tǒng)軟件架構(gòu)

圖8為燃?xì)饪刂破鬈浖軜?gòu)圖，顯示了軟件的主要組成部分及其嵌套關(guān)系。

3.3.2、主控MOU芯片加密及加密驗(yàn)證軟件設(shè)計(jì)

主控MCU加密基礎(chǔ)是STC12C5201AD系列芯片的每一個(gè)單片機(jī)在出廠時(shí)都具有全球唯一的序列號(hào)（ID號(hào)），可以在單片機(jī)上電后通過相關(guān)指令從內(nèi)部RAM單元F1H～F7H中存儲(chǔ)的連續(xù)7個(gè)單元值來獲取該單片機(jī)的ID號(hào)，利用其唯一性對(duì)MCU進(jìn)行加密。此時(shí)，再燒錄流程控制程序則只能匹配當(dāng)前芯片。加密軟件流程、密碼驗(yàn)證軟件流程如圖9、圖10所示。

3.3.3、系統(tǒng)流程控制軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)功能要求及被測(cè)參數(shù)的相關(guān)性，確定各任務(wù)如下：

TASK#1：開機(jī)檢測(cè)（鎖存錯(cuò)誤檢測(cè)，火焰檢測(cè)，低壓檢測(cè)），重復(fù)檢測(cè)7次。

TASK#2：CPI檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)20次。

TASK#3：開機(jī)前LP檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)20次。

TASK#4：打開風(fēng)機(jī)，兩個(gè)周期后進(jìn)行風(fēng)機(jī)電平檢測(cè)。

TASK#5：打開SA，進(jìn)行火焰檢測(cè)和RWtest檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)40次。

TASK#6：關(guān)閉SA，進(jìn)行火焰檢測(cè)和RWtest檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)60次。

TASK#7：打開BV2，4個(gè)周期后進(jìn)行火焰檢測(cè)。

TASK#8：關(guān)閉IG點(diǎn)火器，進(jìn)行RWtest檢測(cè)，LP檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)14次。

TASK#9：打開BV2，進(jìn)行火焰檢測(cè)，RWtest檢測(cè)，LP檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)24小時(shí)。

根據(jù)任務(wù)的執(zhí)行順序，畫出如圖11所示系統(tǒng)主程序流程圖，以及圖12所示sEOS系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程圖。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行密碼驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括I/O口輸入輸出模式初始化、系統(tǒng)輸出控制模塊初始化、定時(shí)器初始化及任務(wù)切換時(shí)任務(wù)狀態(tài)值初始化。由于STC芯片內(nèi)置R/C振蕩器隨著溫度變化，其提供的頻率會(huì)有一定溫漂，加上制造工藝方面的誤差，導(dǎo)致內(nèi)部R/C振蕩器不夠敏感，因此燃?xì)饪刂破鞒跏蓟瓿珊?，需要根?jù)工頻交流電頻率（50Hz）來獲取校正后的芯片頻率，以此來保證系統(tǒng)運(yùn)行控制的精度。產(chǎn)生中斷間隔（一個(gè)“ClockTIck”）為20ms，根據(jù)系統(tǒng)功能對(duì)時(shí)間精度的需求，sEOS任務(wù)調(diào)度和切換周期定為0.5s，即每隔0.5s系統(tǒng)查詢一下任務(wù)狀態(tài)當(dāng)前值，根據(jù)該值決定任務(wù)的調(diào)度。

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