基于温差发电的智能柴煤炉设计

徐大为，王昆能，胡 浪，孙先波

（湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000）

基于温差发电的智能柴煤炉设计

徐大为，王昆能，胡 浪，孙先波*

（湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000）

介绍了一种基于温差发电的智能柴煤炉设计方案.系统由温差发电子系统、DC-DC子系统、AVR单片机控制系统等组成.主要是利用炉内暖风以及炉外冷风达到温差条件，通过温差半导体发电系统发电，经过DC-DC系统供电.在柴煤炉进风口装上风机，利用单片机控制风机运转，可实现自动调速或手动调速，以达到炉内燃料充分燃烧的目的，同时还能点亮LED灯照明或为手机充电等功能.仿真及实验结果表明：该系统具有控制电机转速精度高、结构设计新颖、能使柴煤炉燃料燃烧充分等优点，且操作简便，应用广泛.

AVR单片机；温差发电；智能柴煤炉

传统的柴煤炉依旧是农村广泛应用的一种加热取暖炉，尤其在恩施地区乃至武陵山区，农村居民大都用柴煤炉取暖.但是传统柴煤炉的热效率很低，人们都致力于研究炉子外观及结构，考虑到柴煤炉充分燃烧和余热回收利用问题的却不多.

温差发电技术的工作原理是在两块不同性质的半导体片两端形成一个温度差，这样在半导体两端就产生了直流电动势.柴煤炉能很好达到温差这个条件，取炉内暖风作为热源，室内冷风作为冷源，利用温度差发电［1-2］.

利用温差发电技术和现代控制技术对传统柴煤炉进行改造升级，设计的新型智能柴煤炉具备控制电机转速精度高、结构设计新颖、能使柴煤炉燃料燃烧充分等优点，且操作简便，应用广泛.

1 系统设计

1.1 柴煤炉结构优化设计

目前市面上普遍使用的柴煤炉，没有对进风口风速控制，存在燃料不能充分燃烧的问题，本次设计在炉壁开两个大小适宜且相距不太远的出风口，同时，在下面风口对应面再开个适宜的进风口.这样炉壁接温差发电系统，上面暖风出风口接在温差发电片热端，下面冷风进风口接在温差发电片冷端，温差发电系统再接风机，风机再接进风口.同时调整炉体外部结构，使智能柴煤炉协调工作.

1.2 温差发电系统

温差发电技术的基本原理是塞贝克效应，将P型和N型两种不同类型的热电材料的一端相连形成一个PN结，并使其中一端处于高温状态，另一端就处于低温状态，由于热激发的作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，由于存在浓度差，使得空穴和电子向低温端扩散，产生电动势，通过热电材料热端和冷端之间的温度差实现了热内能直接转化［3-5］.温差发电原理如下图1所示.

图1　温差发电原理示意图Fig.1 The princip1e diagram of thermoe1ectric power generation

本系统建立半导体温差发电器的理论模型和数学模型，进而优化温差发电系统的电路结构，确定工作电压和发电自身内阻的最佳范围，找出最优参数，还要选择合适数量的温差发电片构建发电系统.

1.3 智能控制系统

智能控制系统能通过温差发电系统提供电源，通过采集烟雾浓度与炉外温度合理控制风机转速，使柴煤炉工作在最佳状态，实现智能控制.

智能控制系统由烟雾浓度、温度采集模块、风机调速模块、主控模块、按键模块和显示模块组成.控制系统结构框图如图2所示.

图2　控制系统结构框图Fig.2 The structure diagram of contro1 system

2 硬件设计

2.1 温差发电系统稳压模块

温差发电系统发出的直流电压直接受温差发电片两端温度差的影响.因此，温差发电系统的输出电压存在一定的波动，必须通过稳压调节后才能为设备提供能量.由于温差发电系统的发电电压比较低并且不稳定，无法直接为储能装置和用电设备直接供能［6-7］，因此需要使用升压稳压芯片对发电电压进行升压稳压处理，实验中测出每片温差发电片在最大温差，发出电压不超过2.5 v，采用2片串联不会超过5 v电压，只需考虑升压电路及稳压电路，如图3所示.

图3　升压稳压电路Fig.3 The booster circuit

首先由柴煤炉构建出温差发电模块，形成电源模块，然后经过升压稳压到5 v，连接4条回路，每条回路要放置隔离二极管，防止倒流来保护电路.一条回路直接接5 v供电照明设备，一条回路接直流风机，还有一条给单片机供电，最后一条备用.

2.2 控制系统

控制系统主要是实现柴媒炉的智能控制，由烟雾浓度、温度采集电路、风机调速电路、按键回路、显示电路等组成，控制系统电路图如下图4所示.

主控芯片选择AVR系列单片机的ATMEGA16，该芯片端口资源足够系统设计需要，自带A/D转换器，16K f1ashRom［8-9］.烟雾采集选择MQ-2烟雾浓度传感器，其电导率随着气体浓度的增大而增大，由于电阻是电导率的倒数，显然电阻是减小的，其特性相当于一个滑动变阻器，不同的电导对应不同的烟雾浓度.

按键电路设计3个按键，按键一代表手动调小转速，按键二代表手动调大转速，按键三代表自动控制模式.在自动模式下，首先，控制风机以小速度运转，然后风机运转速度随着烟雾浓度增加而增大，从而控制柴煤炉烟雾浓度，使其烟雾浓度达到燃料充分燃烧下的烟雾浓度后，风机匀速，保持炉内烟雾浓度.采用高温传感器采集炉内温度，当温度一旦达到设定的温度上限，风机以较小速度运转或停止.用4位数码管显示烟雾浓度和温度.

图4　控制系统电路图Fig.4 The circuit diagram of the contro1 system

3 系统仿真与实验

采用常用的仿真软件proteus进行系统仿真.仿真硬件电路如前图4所示，仿真软件的设计主要包括风机调速控制主程序、数据采集子程序、按键子程序、显示子程序.主程序流程图如图5所示.

图5　主程序流程图Fig.5 The f1ow diagram of the main program

仿真结果如图6所示，通过仿真结果可以看到烟雾浓度、温度均能正确显示，风机转速也能随烟雾浓度和温度的变化自动调整，实现了智能控制的目标.

图6　仿真图Fig.6 The simu1ation diagram

在仿真实验的基础上搭建实验电路，检测实际的烟雾浓度和温度数据.烟雾浓度采集数据如表1所示，温度采集数据如表2所示.

表1　烟雾浓度采集数据表Tab.1 Smoke concentration acquisition data tab1e

表2　温度采集数据表Tab.2 Temperature acquisition data tab1e

通过对烟雾浓度和温度采集数据分析来看，测试数据基本覆盖了所有可能的烟雾浓度和温度值.对比分析测试的烟雾浓度和温度值与实际的烟雾浓度和温度值，有一定的误差，可能的原因有系统本身的设计误差、人为读数的误差、转换误差等，但都在误差允许的范围内.同时，通过调试可以发现，风机能很好的随烟雾浓度和温度的变化自动调整转速，达到了智能控制的目的.

4 结论

基于温差发电和AVR单片机微控制器实现对传统柴煤炉改进设计，首先能余热发电，节约资源，同时利用AVR单片机智能控制系统实现对燃料充分燃烧，使传统柴煤炉更加智能.仿真及实验结果表明，本系统设计的功能均已实现，系统工作稳定.

［1］ 马宗正，邵凤翔，王新莉，等.发动机尾气温差发电装置［J］.山东大学学报（工学版），2016，46（2）：122-127.

［2］ 秦涛.一种汽车尾气温差发电及车顶太阳能发电的实验装置［J］.太阳能，2016（1）：43-46.

［3］ 邓亚东，范韬，郭殉，等.汽车尾气温差发电装置及热电模块的布置研究［J］.武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2010，32（2）：265-267.

［4］ 陈允成.半导体温差发电器应用的研究［D］.厦门：厦门大学，2006.

［5］ 林涛，王长宏，吕琪铭，等.半导体温差电系统的性能分析及散热外场研究［J］.电源技术，2014，38（8）：1507-1509.

［6］ BELL L E.Coo1ing，heating，generating power，and recovering waste heat with thermoe1ectric systems［J］.Science，2008，321（5895）：1457-1461.

［7］ 孙先波，谭建军.太阳能热水器防冻智能测控仪设计［J］.湖北民族学院学报（自然科学版），2011，29（3）：320-323.

［8］ 刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用：基于ATmega48/ATmega16［M］.北京：航空航天大学出版社，2008.

［9］ 王善军，王萍，杜云峰.基于模糊PID控制的AVR单片机温度控制性能研究［J］.吉林工程技术师范学院学报，2013，29（9）：90-93.

责任编辑：时 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.

恩施州科技计划项目（2016）.

徐大为（1990-），男，硕士生，主要从事控制系统设计的研究；*

孙先波（1976-），男，硕士，副教授，主要从事控制理论与控制工程、工业自动化等的研究.