CN104913372A - 新型智能生物颗粒取暖系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型智能生物颗粒取暖系统，包括炉具实体、水循环系统、通信系统和智能控制系统。炉具实体又由送料系统、燃烧系统、温度采集系统、余料监测系统、火灾报警系统等构成。当炉体工作时，用户只需通过控制面板设定所需温度，智能控制系统便会通过电加热棒加热燃料点燃炉体，并通过温度采样值和设定值的误差值控制送料电机的转停时间比、风机和循环水泵的转速，实现对室内温度的精准控制。它以秸秆等生物颗粒为燃料，降低了取暖成本；由智能控制系统自动控制送料和燃烧程度，降低人工操作的繁杂程度和经验不足等问题，降低了一氧化碳中毒以及火灾发生的事故率。通过Zigbee无线通信模式嫁接到Internet网络，便于实现远程的智能化控制。

Description

新型智能生物颗粒取暖系统

技术领域

本发明主要用于非城市集中供暖环境下各独立取暖场景，如远离市区集中供暖的农村种植区、养殖区、农舍以及企业、商铺等，是一种以秸秆、木屑等生物颗粒为原料且集取暖与灶用为一体的智能技术系统。

背景技术

目前在我国的广大农村，存在着多种兼做饭的取暖方式，其中以燃煤炉具和各种烧柴灶具为主。现有的坐锅式烧柴灶主要存在以下不足：一是燃烧不充分，烧柴量大；二是热效率低、烟大且浓，使用起来很不安全也不卫生；三是，现有的家用取暖炉热效率不高，一部分热量随着烟气被带走，造成了热量损失。而燃煤灶具对于农村来说，一是使用成本较高；二是火力偏小；三是在冬季取暖还极易导致煤气中毒，其燃烧产生的各种废气和废渣还会造成对环境的污染；四是，家用取暖炉往往添加燃料煤的炉口和安放加热器的入口共用一个炉口，添煤时需要将加热器从炉口移开，灰尘四处飞扬，难以保证室内卫生。

我国农业生物资源丰富，数量巨大，市场前景广阔。目前，全国各省市的主要农业生产废弃物生物资源的可利用量约为5.6亿吨，等效于3.08亿吨标准煤。而与之相对的是，我国生物资源利用尚处于开发利用的初期阶段。每年农收以后，因缺少有效的利用手段，绝大多数农民以就地燃烧的方式处理大量的剩余秸秆，不仅造成了生物资源的浪费且给大气环境造成了严重的污染。随着一种以秸秆为燃料的农用取暖炉的问世，似乎问题得到了解决。但现有的取暖炉的水套换热面积小，其烟火通道过于简单，燃烧生产的热量只有很小的一部分被水套吸收，排出的烟气温度高，热量损失大。此外，自动化水平较低，操作过于繁琐，因此普及程度较低，未能大面积推广使用。

在现有的技术手段中，“201320348256.2取暖炉”、“201420359328.8全自动秸秆取暖炉”、“200520030175.3一种秸秆取暖炉”、“200620130267.5取暖炉”、“200920161726.8节能秸秆取暖炉”和“201220260907.8拱形秸秆取暖节能炉”虽然使用了秸秆等生物材料作为燃料，但是其自动化水平和热量的利用效率普遍较低，不能满足人们对一种简单高效的家庭灶用取暖两用炉的迫切需求。

发明内容

本发明针对上述问题，以农村取暖用炉具供热技术的研究为基础，研发一种新型的以秸秆、木屑等生物颗粒为原料且集取暖与灶用为一体的新型智能生物颗粒取暖系统，既满足非城市集中供暖环境下农村种植区、养殖区、农舍等的取暖需求，并可拓展应用于独立供暖的企业、商铺等。该系统的实现，采用如下技术方案：一种取暖并兼顾灶用的两用炉具，集成送料系统、燃烧系统、水循环系统、温度监测系统、余料报警系统、火灾报警系统以及智能控制器的硬件系统，在智能控制器的软控制策略下，通过Zigbee无线通信模式组建小环境下的无线局域网再与Internet连网，实现对整个取暖系统的远程智能化自动控制。送料系统由储料室、送料电机、送料螺旋杆、送料导管构成。燃烧系统由鼓风机、燃烧室、电加热棒、炉灰盒构成。水循环系统包括储水炉壁、暖气片、循环水泵。温度监测系统是基于DS18B20温度传感器芯片 设计实现。余料报警系统基于红外对管设计实现。火灾报警系统基于火焰传感器设计实现。当炉体工作时，控制板可以控制送料电机运行在不同的档位下，带动送料螺旋杆旋转，将固体生物颗粒燃料送入燃烧室。同时保证鼓风机和送料电机工作在同一档位，以保证生物颗粒的充分燃烧。在运行初期，控制系统会通过电加热棒加热燃料点燃炉体，并通过温度采样值和设定值的误差值控制送料电机的转停时间比、风机和循环水泵的转速，实现对室内温度的精准控制。

本发明炉体的燃烧室内壁是双层褶皱式内壁，双层炉壁与暖气片组成一个供暖循环系统，管道内的循环水从双层炉壁的一侧下方进入，从另一侧的上方流出，增加了循环水的加热面积和受热时间，有利于提高热量的使用效率。

使用水泵为暖气管道加压，促进热水在管道的循环，有利于促进热量在房间内的扩散，在短时间内提升房间的温度。

在整个燃烧过程中，鼓风机和送料电机的档位自动保持同步，有效的提高了燃烧效率。

采用DS18B20对管道和室内温度进行采样，以此作为温度调节的参数，并通过数码管进行显示。

能够监测料斗内的余料情况，并能在料斗内一旦发生火灾的情况下，发出火灾报警信号。

整个过程由智能控制器进行自动化智能控制，用户只需输入锅炉内水的温度设定值，控制器便会智能控制送料电机的转停时间比、风机和循环水泵的转速，实现对室内温度的实时智能化控制。

通过Zigbee局域网实现与家用计算机的连接，用户可通过手机远程访问家用计算机，间接实现远程访问与智能控制，为该系统在未来更好的融入智能家居做了很好的前期铺垫。

用户可以通过智能控制器自由切换取暖和灶用两种模式。

本实发明的优点：1、以生物颗粒为原料，燃烧成本低，符合可持续发展和环境友好的要求。2、炉体的燃烧效率和热利用效率高。3、整个过程实现了智能化的自动控制，极大的降低了系统操作的复杂性。4、使用安全性高，降低了一氧化碳中毒和火灾发生的事故率。5、实现了对炉体的智能化远程控制，符合智能家居系统的发展趋势。6、系统的适应性强，可以广泛应用于远离市区集中供暖的乡镇及农村地区，为厂矿企业、农居、商店及手工作坊等提供了一种低成本的取暖方案。

附图说明

图1是本发明的系统整体架构图

图2是本发明的取暖炉硬件结构图

图3是本发明的控制板硬件结构图

图4是本发明的温度调控原理图

图5是本发明的传感器工作流程图

图6是本发明的看门狗程序设计流程

具体实施方式

该新型智能生物颗粒取暖系统，分为炉具实体、送料系统、燃烧系统、水循环系统、温度监测系统、余料报警系统、火灾报警系统、智能控制系统和通信系统等。送料系统又包括送料电机、送料螺杆和送料导管。燃烧系统又包括鼓风机、燃烧室、电加热棒和炉灰盒。水循环系统又包括储水炉壁、暖气片和循环水泵。下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，水循环系统由散热片和水泵构成；通信系统利用Zigbee局域网设计实现；取暖炉的炉体内部集成安装了送料系统、燃烧系统、温度监测系统、余料监测系统、火灾报警系统以及各系统的智能控制器；智能控制器是基于51系列单片机设计实现。整个取暖系统的运行是在基于51系列单片机的智能控制器的控制下实现的，即，根据用户给定的锅炉水温度值来智能控制取暖系统的运行，将生物颗粒燃烧转化为热能，对炉壁内的循环水进行加热，然后通过控制循环水泵促进热水的循环，将热量搬运到各个房间的散热片，再由散热片将将热量散失到各个房间的空气中，最终实现提高房间温度的目的。智能控制器通过接线端口实现与Zigbee终端节点间的信息交互，Zigbee终端节点通过Zigbee局域网建立起与Zigbee协调器间的联系。Zigbee协调器通过RS232串口实现与家庭主机间的联系。用户可以通过以下三种方法对系统进行控制：1、通过取暖炉上提供的操作按键；2、通过家庭主机上的用户界面；3、利用手机通过Internet访问家庭主机远程操控。

如图2所示，取暖炉在硬件结构上被划分为显示机构、控制机构和执行机构。控制机构的核心是一块基于51系列单片机的智能控制器，通过对DS18b20温度传感器、红外对管、压力传感器和Zigbee终端节点的控制，实时采集锅炉水的温度值、料斗内的余料信息、火灾烟雾浓度信息，并通过Zigbee无线组网模式经232与家用电脑建立网络通信。控制器上安装有多个接线座，分别用于实现与进料电机、鼓风机、电加热棒和水泵等的连接，通过继电器和PWM调速电路等，可以实现对加热棒及电机的通断控制和平滑调速。控制器可以通过按键获得用户的具体指令，并通过显示机构对相关信息进行显示。控制器通过按键获得水温的设定值，再通过温度传感器获得当前的水温和室内温度。能够根据实际温度和设定值的差值，结合双PID算法控制各电机的工作状态，并将当前水温、室温和电机的工作档位显示在控制面板上。本发明未对器件的型号进行详细的描述，但是凡是涉及到与此相关的控制策略都在保护之列。

如图3所示，系统的智能控制器主要被划分为电源模块、控制模块和单片机最小系统。AC220V通过220V-15V的变压器变为AC15V，然后为LM2596可调电压模块供电，单片机通过控制三极管的开通与关断，控制接入LM2596电路中电阻值的大小，从而使LM2596模块为风机提供不同压值的电源，实现对风机的调速。AC15V经过整流桥整流后变为直流电压，然后经7805后变为5V稳压电源为单片机和传感器供电。由于传感器对电压的稳定性要求较高，所以在整流桥和7805的输出端分别添加了一个220uF的固态电容。同时考虑到7805的发热问题，为7805加装了散热片。单片机通过ULN2003驱动继电器和蜂鸣器，进而实 现对电加热棒、风机和水泵的启停控制。单片机通过光耦MOC3022控制双向可控硅BTA16的通断，进而控制进料电机的启停。控制器上留有排针，用于连接传感器、按键和显示机构等。虽然在控制器的设计过程中，用到了许多具体型号的器件，但权利保护不应受具体器件的型号限制，凡是与之相关的设计均应在保护之列。

如图4所示，取暖系统上电后，首先由用户通过确定系统的工作状态是取暖状态还是灶用状态，以及工作在什么档位。若用户选择工作在灶用状态，则进料电机和鼓风机工作在设定档位的对应状态，直到检测到停止按键被按下后，系统才停止工作。若用户选择工作在取暖状态下，则系统先对DS18b20进行初始化，然后由用户输入水温的设定值，并使风机和进料电机工作前面所设定档位对应的工作状态。然后系统不停的对水温设定值X₀和采样值X₁进行比较，若X₁>X₀则控制鼓风机和进料电机停止运行，控制水泵开始运行；同时，开始重复检测X₁<X₀-5是否成立，若成立则将进料电机和鼓风机恢复到设定档位所对应的工作状态，水泵停止工作。同样，直到检测到停止按钮被按下后系统才停止工作。此处设定宽度为5℃的带宽，是为了防止温度在设定值附近波动造成频繁的调控。进料电机的档位是通过控制电机的转停时间比进行控制的，电机每次转动的时间均为5s，五个档位的送料时间间隔分别为95s、75s、55s、40s、30s，送料时间间隔越小，对应进料电机的档位越高。鼓风机的转速是通过改变其两端的电压进行实现，也分为五个档位，每个档位的工作状态必须与送料电机保持同步，以保证燃料的充分燃烧。

如表1所示，档位的设定包括两个主要的部分，即风机的转速和进料电机的转停时间比。显然风机的转速越高则燃烧室内的生物颗粒燃烧的就越充分；进料电机的转停时间比越大，燃烧室内的进料就越多。若风机的转速过快，使燃烧室内颗粒的燃烧速度远远超过进料速度，则火焰会经送料管燃到料斗，造成火灾；若风机的转速过慢，使燃烧室的进料速度远远大于燃烧速度，则会造成燃烧不充分，使未充分燃烧的生物颗粒被推入炉灰盒，造成资源的浪费。因此，如何确定风机的转速和进料电机的转停时间比，对整个系统的安全和经济效益至关重要。该系统中使用的风机的额定电压为DC12V，通过改变其两端的电压值大小，便可以起到改变风机转速的作用。在该系统的实际测试和调速过程中，根据实际的燃烧效果可以得知，一档到五档的风机两端电压分别为5V、8V、9V、10V和11V时，所产生的风力能够满足对应档位的需求。然后固定风力大小，改变进料电机的转停时间比，确定每个档位的最佳进料速度。

风速和进料速度的最佳搭配是对应档位的进料得到了充分的燃烧且没有出现燃料过剩和燃料不足的情况。根据表1可知，1-5档对应的进料电机最优转停比分别为：5:90、5:70、5:60、5:40、5:30。市场上现有的木屑颗粒的售价为1.2元/kg，根据最优搭配的实际燃烧测试可以计算出不同档位的12h的燃烧成本如表2所示。根据实际运行经验可知，2档基本满足一间120m²房间的白天取暖需求，1档基本上满足用户对夜间睡眠阶段的取暖需求。

如图5所示，红外对管安装在料斗壁的底部对角线上，由发射端和接收端两部分组成，发射端用于发射红外线灯光，接收端用于接收信号。一旦料斗内的颗粒不足，则发射端射出的红外线便会被接收端接收， 余料指示灯亮，蜂鸣器响。火焰传感器安装在料斗与燃烧室的连接处，一旦该连接处被火焰点燃，火焰传感器便会接收到信号，火灾指示灯亮，蜂鸣器响。

如图6所示，考虑到该取暖系统的稳定性的要求较高，且单片机运行的环境中很可能受到来自外界环境中电磁场的干扰，造成程序跑飞而陷入死循环。所以在程序设计过程中为单片机编写了软件看门狗程序。将单片机的P3^1口接在单片机的RES引脚，并利用其内部自带的定时器1产生一个50ms的溢出中断，每次溢出时计数器num加1，当num计数到80时，令单片机P3^1输出高电平，则单片机被复位。在单片机正常运行时，单片机循环体程序的结尾处设有对num的清零程序，num永远不会计数到80。但当单片机程序陷入死循环时，num便不会被清零，便会在4s内被计数到80，使单片机被复位。

本发明未公开涉及到该系统设计的某些具体技术细节及参数，但对系统的实施方案进行了详细的描述。凡是利用本发明的思想且在权利要求范围内的任何创造均在保护之列。

表1燃烧数据统计表

备注：燃料不足▲  燃烧充分●  燃料过剩■

表2燃烧成本表

 

档位	1	2	3	4	5
						重量(kg)	14	17.5	22.5	30	37.5
成本(元)	16.8	21	27	36	45

Claims (10)

1.一种新型智能生物颗粒取暖系统，包括送料系统、燃烧系统、水循环系统、温度采集系统、余料监测系统、火灾报警系统和智能控制系统，并在炉体上安装有Zigbee模块，可以通过Zigbee局域网和Internet实现对取暖系统的远程调控；送料系统由储料室、送料电机、送料螺旋杆和送料导管组成；燃烧系统包括鼓风机、燃烧室、电加热棒和炉灰盒；水循环系统包括储水炉壁、暖气片和循环水泵；温度采集系统是基于DS18B20温度传感器芯片设计实现；余料报警系统基于红外对管设计实现；火灾报警系统基于火焰传感器设计实现；当炉体工作时，控制板可以控制送料电机运行在不同的档位下，带动送料螺旋杆旋转，将固体颗粒燃料送入燃烧室；同时保证鼓风机和送料电机工作在同一档位；在运行初期，控制系统会通过电加热棒加热燃料点燃炉体，并通过温度采样值和设定值的误差值控制送料电机的转停时间比、风机和循环水泵的转速，实现对室内温度的精准控制。

2.根据权利要求1所述的取暖炉，内壁是双层褶皱式内壁，且管道内的循环水从双层炉壁的一侧下方进入，从另一侧的上方流出，增加了循环水与炉壁的接触面积和受热时间。

3.根据权利要求1所述的取暖炉，和暖气片配套使用，并利用水泵促进水流的循环。

4.根据权利要求1所述的取暖炉，以秸秆等生物颗粒为燃料。

5.根据权利要求1所述的取暖炉，在以单片机为核心的控制板的控制下，实现高度的自动化，可以自动调节电机及水泵的转速，以实现对房间温度的调节。

6.根据权利要求1所述的取暖炉，鼓风机和送料电机的档位自动保持同步，有效的提高了燃烧效率。

7.根据权利要求1所述的取暖炉，通过显示装置向用户显示电机和水泵工作的档位，以及设定温度、循环水温度和室内实际温度。

8.根据权利要求1所述的取暖炉，通过电加热棒，实现炉体的自动点火。

9.根据权利要求1所述的取暖炉，通过Zigbee建立起家庭局域网实现与家庭电脑的通信，进而实现对其的远程控制。

10.根据权利要求1所述的取暖炉，在料斗内安装了火焰报警和红外对管，可以实现火灾报警和余料监测功能。