電熱毯智能控溫系統(tǒng)設(shè)計

鄒佳玉 黎育紅

摘 要：傳統(tǒng)電熱毯結(jié)構(gòu)簡單，在長時間使用后容易發(fā)生漏電的現(xiàn)象，并且難以對溫度進行控制，易因溫度過高影響人體健康。多功能性能的智能調(diào)溫型電熱毯，其功能模塊設(shè)計分為三大部分，智能控溫系統(tǒng)、智能報警系統(tǒng)、分塊循環(huán)控溫系統(tǒng)。在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，完成對電熱毯電子線路布設(shè)優(yōu)化方案的設(shè)計，將多種外界信號作為輸入，綜合應(yīng)用單片機優(yōu)選算法，輸出控制信號，進而實現(xiàn)對電熱毯的智能控制。

關(guān)鍵詞：溫度控制；安全警報；單片機；信號傳輸；電路優(yōu)化

1 背景

電熱毯是一種接觸式電暖器具。將軟索式電熱元件呈盤蛇狀織入或縫入毛毯里，通電時即發(fā)出熱量。主要用于人們睡眠時提高被窩里的溫度來達到取暖目的。

電熱毯的溫度控制是最基本的要求，但要較為準確地控制電熱毯的溫度并不容易。其原因是感溫的元件緊密地纏在發(fā)熱線上，首先感知的是發(fā)熱元件的溫度，而不是電熱毯的平均溫度，同時受外界條件的影響，諸如布線密度、覆蓋物、環(huán)境溫度等。因為這種器具能夠產(chǎn)生較高的溫度，并且工作的特性讓它與人體長時間大面積的接觸，能因使用不當導(dǎo)致電熱毯過熱而引起打火花的危險事故。

因此，利用溫度傳感器多點采樣測溫，將溫度信號通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，然后傳送到單片機系統(tǒng)（stm8s103f3p6）進行數(shù)字信號譯碼處理，通過數(shù)碼管將溫度顯示出來，同時單片機系統(tǒng)將處理的溫度信號與系統(tǒng)設(shè)定溫度值比較，進行動作（加熱、降溫、停止）選擇。當電熱毯工作異常，將由第二條控溫線路動作，達到迅速切斷電源，維護安全的效果。雙重保險，智能控制，具有較強的推廣應(yīng)用價值。

2 總體方案

手動控制總開關(guān)控制整個系統(tǒng)電路的接通與斷開?？傞_關(guān)閉合，電路接通后，各部分電阻絲開始發(fā)熱，單片機環(huán)節(jié)、溫控環(huán)節(jié)和報警環(huán)節(jié)通過布置在電熱毯上的溫度傳感器的反饋對電熱毯進行檢測、控制、調(diào)節(jié)以及監(jiān)控。單片機比較各個傳感器測量的溫度，將最高溫度T輸入給溫度控制環(huán)節(jié)。溫控環(huán)節(jié)設(shè)置一個上限溫度T1，一個下限溫度T2（上下限溫度可手動自己設(shè)置）。接通電源后，電熱毯開始工作，電阻絲發(fā)熱，溫度開始提高。當溫控電路檢測到電熱毯溫度到達上限溫度T1時，控溫部分就會切斷電熱毯的供電，電熱絲停止發(fā)熱。一般情況下，如果人正常入睡，天氣無大幅度變化（降溫）時，床上的溫度就可以保持在人體適合的溫度內(nèi)，該溫度大于下限溫度T2，這個時候電熱毯就不會接通電源。但當電熱毯溫度低于下限溫度時，通過溫控部分的控制，電熱毯重新啟動發(fā)熱。如果系統(tǒng)溫控環(huán)節(jié)或單片機環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，報警電路檢測到電熱毯溫度過高，就會二次切斷電源，使電熱毯停止加熱，并且報警燈發(fā)亮、報警蜂鳴發(fā)生。電路總設(shè)計圖如下

3 電器控制

電器控制方面，分成了3個主要的方向，電熱毯溫控控制線路、溫控報警控制線路和單片機分塊溫度控制線路。

3.1 電熱毯溫控控制線路

溫度控制精度是電熱毯設(shè)計和制造中的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)電熱毯多為2檔溫度，溫度波動大，人體容易出現(xiàn)不良感，不能滿足多數(shù)人的舒適溫暖的需求。系統(tǒng)首先利用溫度傳感器采用多點測溫，將環(huán)境溫度的模擬信號轉(zhuǎn)換成 8 位的數(shù)字信號，然后并口傳送到單片機系統(tǒng)（stm8s103f3p6）。單片機系統(tǒng)將接收的數(shù)字信號譯碼處理，通過數(shù)碼管將溫度顯示出來，同時單片機系統(tǒng)將處理的溫度信號與系統(tǒng)設(shè)定溫度值比較，形成可以智能控制電熱毯加熱、降溫與停止3種工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)電熱毯的智能控制。

原理圖如下

根據(jù)該設(shè)計電路焊接后實物圖如下：

溫度控制單片機控制系統(tǒng)

3.2 溫控報警控制線路

電熱毯溫控線路和單片機線路出現(xiàn)問題后，電熱毯的溫度將會持續(xù)升高，達到報警線路所設(shè)定的最高值，將會斷掉電熱毯，并且蜂鳴器發(fā)出響聲報警。

使用的電器元件包含220V/12V變壓器、溫控顯示開關(guān)、繼電器、發(fā)光二極管、蜂鳴器。

其電路圖如下所示：

3.3 多點選溫控制

在電熱毯上選擇兩個合理位置布置兩對溫度傳感器，比較這兩點溫度，將最高溫度輸入給溫控電路進行控制，避免了局部溫度過高的現(xiàn)象。RT1和RT1為一對溫度傳感器，處于同一位置；RT2 和RT2為一對溫度傳感器，處于同一位置，分別測量兩點的溫度。傳感器阻值隨溫度升高而降低。利用橋式電路如圖所示，比較RT1和RT2兩端的電壓，并分別輸入比較器的負極和正極，然后將比較器輸出端與繼電器連接，進而改變繼電器連通的電路，其中RT1和RT2分別接繼電器的常開和常閉端。

其電路圖如下所示：

調(diào)控：RT1，溫度高，阻值低，電壓低，比較器輸出高電壓，RT1導(dǎo)通。

RT2，溫度高，阻值低，電壓低，比較器輸出低電壓，RT2導(dǎo)通。

3.4 單片機分塊溫度控制線路

主要元件是51單片機，通過數(shù)據(jù)緩沖器，對來自布局在電熱毯的數(shù)字壓力傳感器和數(shù)字溫度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行優(yōu)化分析，輸出對連接在各分區(qū)電熱絲供電線路上的繼電器的控制信號，達到優(yōu)化開斷控溫的目的。同時，單片機會實時的把溫度值通過兩片鎖存器傳輸?shù)斤@示數(shù)碼管，使用戶對電熱毯當前狀態(tài)有一個清楚的認識，達到人性化控溫的目的。

4 創(chuàng)新與特色

智能控溫：自動控溫系統(tǒng)中，插上電源并接通開關(guān)，電熱毯控制器將自動讀取當前設(shè)定的溫度，再經(jīng)過采樣電路、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字譯碼測量出當前的電熱毯溫度，判斷下一步動作，實現(xiàn)了對電熱毯的溫度更加精確的控制。

報警系統(tǒng)：當溫度控制系統(tǒng)不正常工作，此時智能電熱毯的安全報警系統(tǒng)將被觸發(fā)，二次切斷線路并通過報警鈴聲提醒使用者安全隱患。

分區(qū)控制：可根據(jù)使用者的需求，分塊進行控溫，采用負反饋控制方式，由過零檢測模塊捕捉正弦交流電過零點，同時產(chǎn)生同步脈沖作為控制雙向可控硅移相調(diào)壓的基準，改變?nèi)芳訜嵩吹妮敵鲭妷?。系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，將ADC采樣的溫度值作為反饋參數(shù)，實時調(diào)整功率輸出量，以保持溫度恒定在用戶設(shè)定目標值附近。

參考文獻

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