一种锅炉温度火焰信号检测系统设计

摘要 介绍基于单片机的锅炉温度火焰检测系统，可以将现场的实时温度和火焰信号传输到上位机，并在上位机上实时读取检测点火焰强度和温度值。温度检测和火焰检测分别是根据高温火焰的辐射特性和红外线特性进行测量，并在检测系统设定下限阈值报警电路，具有良好的经济性和实用性。

关键词 单片机；锅炉；温度火焰；检测系统

中图分类号TK22 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）79-0189-02

本文提出了一种基于单片机的锅炉温度火焰检测系统设计，它主要有以下几个优点：1）能够同时在线检测锅炉温度和火焰，将锅炉内实时的温度和火焰情况传输到上位机，为调整锅炉最佳风煤比提供参考；2）设置温度和火焰检测下限阈值，避免多种原因炉膛燃烧不稳定，温度场不均匀导致的炉膛灭火停炉；3）在满足现场情况下，整套设备造价低廉，具有一定的推广价值。

1检测系统构成及原理

温度火焰信号检测系统采用以美国Silicon Labs公司生产的C8051F500单片机为主控单元，并采用双MCU，利用其自身具有的12位AD同时采集红外测温传感器和火焰检测传感器传入的模拟量信号，增强了系统抗干扰能力。采用一阶惯性滤波实现信号的降噪及还原，采集到的两路信号直观的显示于数码管上，并通过串行口输出两路经处理过的信号到上位机。检测系统构成框图如图1所示。

1.1变送器和信号处理

采用双C8051F500作为主控单元，利用片上12位AD构成数据采集系统，对采集到的温度和火焰信号进行信号处理，并通过串口将处理后的数据发送到上位机进行监控。

1.2红外测温

本系统采用非接触式全辐射的红外测温方法。非接触式测温方法不会破坏被测介质的温度场和流场。同时，感温元件传热惯性小，可用于测量快变及不稳定热力过程的温度，测量上限不受材料性质的影响，适合在锅炉机等高温场合应用。系统选用德国OPTRIS公司的1MH型红外激光探头，其测量温度范围为：650℃～1800℃，分辨率为0.1℃，自带的放大器可对探头信号进行放大、线性化处理和消噪处理，特别适用于锅炉检测的测温探头。

1.3火焰检测

火焰检测的主要是对火焰进行检测和监视，在锅炉点火、低负荷异常运行时有效防止炉内爆炸事故，确保锅炉安全运行。如图2火焰检测探头原理图。

本系统采用VTB5041光电传感器，它是320nm～1100nm硅光电池器件，测量范围为波长400nm～800nm的可见光，并使用对数放大器进行放大处理。可见光火检同时检验火焰闪烁频率和可见光亮度，并进行逻辑加运算来检测燃烧火焰的存在。同时采用火焰平均光强和脉动闪烁频率双信号，可提高检测器的可靠性。

2系统硬件设计

系统硬件电路设计除了包括单片机最小系统外，还包括数模转换电路、串行通信接口电路、报警电路和显示电路等。

2.1串行通信接口

串行通信电路是实现单片机与上位机之间温度和火焰数据的传输，按照帧发送字节，帧格式采用波特率9600，无校验位，8位数据位，1位停止位[1]。串行口硬件接口电路如图3所示。

2.2报警电路

报警电路主要由三极管、固态继电器和报警器构成，其主要作用是当温度值或火焰值低于某个阈值时，由工作在饱和的NPN三极管8050构成的开关电路控制继电器的常开触点闭合，从而实现报警器工作。报警电路可有效的避免炉膛燃烧不稳定和温度场不均匀导致的炉膛灭火停炉。

2.3显示电路

显示电路8位数码管，其中四位显示温度信息，另外四位显示火焰信息。通过动态循环扫描74LS138译码器和单片机数字IO口实现数码管的段选和位选，利用数码管的余辉效应和人眼视觉的暂留效应可实现对温度值和火焰信息的读取[2]。

3软件算法

利用C8051F500自身12位ADC采集的温度和火焰值经过一阶惯性滤波算法进行降噪还原，再将处理过的数据通过串行口上位机进行实时监控。

一阶低通滤波算法采用此次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。一阶低通滤波算法公式如下：

（1.1）

式（1.1）中：β是滤波系数；x（n）是此次采样值；y（n-1）是上次滤波输出值；y（n）是本次滤波输出值。β的取值范围为[0，1] 。

使用一阶滤波最重要的就是平衡灵敏度和平稳度[3]。当β无限趋近于0，得到的数据趋于平稳，但是灵敏度的实时性有较大的滞后；反之，β无限趋于1时，数据的灵敏度较好，但是数据的波动较大，平稳性差。根据现场调试经验取β=0.27，得到的数据值在接受的灵敏度范围内取得尽可能好的平稳度。

4结论

基于单片机的温度火焰检测系统，具有抗干扰性好、逻辑判断准确和经济实用等优点，能很好地适应锅炉结构复杂、燃煤质量差异大的现场工况，为锅炉安全运行提供了有力保障。

参考文献

[1]沙占友，等.单片机电路设计[M].北京：电子工业出版社.

[2]娄建中，祁冰.一种基于单片机的温度测量电路[J].河南机电高等专科学校学报，2009（9）：10-12.

[3]黄劲松，田开坤.MSP430单片机的热敏电阻温度测量[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（4）：61-63.