電暖器中溫控器的設(shè)計與仿真

賈瑞強，潘存治，許鳴珠

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

電暖器中溫控器的設(shè)計與仿真

賈瑞強，潘存治，許鳴珠

(石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

設(shè)計出一種在電暖器供暖中調(diào)節(jié)溫度的智能溫控器?？刂破鞯暮诵牟糠质茿T89C51單片機，串口時鐘芯片提供時間和日期，DS18B20溫度傳感器作為測溫元件檢測室內(nèi)溫度，按鍵復(fù)位電路可調(diào)節(jié)時間日期、設(shè)定溫度以及進行系統(tǒng)復(fù)位。液晶顯示屏實時顯示時間日期、房間溫度和白天夜晚兩個設(shè)定溫度，紅色發(fā)光二極管用來指示電暖器的開閉狀況。通過以上設(shè)計，電暖器中的溫度控制器能夠根據(jù)用戶設(shè)定的溫度，分白天和夜晚兩個時段控制房間電暖器的開閉，根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)電暖器大小檔開關(guān)，實時顯示時間日期、房間溫度、設(shè)定溫度和暖氣工作狀況。滿足人們在不同時段對供暖的需求，達到設(shè)計的目的。

電暖器；溫控器；液晶顯示；分時段；大小檔

在我們生活中陳舊落后的供暖方法一直占據(jù)著主要地位。電采暖適合當(dāng)前我國對環(huán)保、節(jié)能的要求，它沒有常用供暖形式造成的污染問題，整個系統(tǒng)在供暖中沒有飛塵和其他氣味[1]。目前市場上存在的電暖器溫度控制器功能單一，操作不便，難以滿足人們對節(jié)能環(huán)保的要求。筆者所設(shè)計的電暖器中的溫度控制器可以實時顯示時間日期、室內(nèi)溫度、設(shè)定溫度以及電暖器開閉情況，并且可以實現(xiàn)分時段大小檔控制。用戶能夠按需求精確地控制各室室溫，滿足人們在不同時段對供暖的需求，給人一個便捷健康的室內(nèi)環(huán)境，而且又可得到低谷電價帶來的實惠，真正做到了人性化，節(jié)能環(huán)保。

1 設(shè)計方案

電暖器的溫度控制器在Proteus和Keil軟件中仿真設(shè)計。核心控制器是AT89C51單片機，它能夠根據(jù)用戶設(shè)定的白天和夜晚溫度分時段控制繼電器的開關(guān)，即房間內(nèi)電暖器的開閉，且可以根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)電暖器的大小檔開關(guān)，LCD顯示屏用來顯示當(dāng)前時間、房間溫度和分時段設(shè)定溫度，紅色發(fā)光二極管則用來指示電暖器的開關(guān)情況。

設(shè)計的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)有六大部分組成：

1)AT89C51單片機，為整個系統(tǒng)的核心部分。

2)串行時鐘部分，采用DS1302時鐘芯片。

3)溫度采集部分，采用DS18B20溫度傳感器。

4)12864液晶顯示屏。

5)繼電器電路。

6)按鍵和復(fù)位電路。

2 溫度控制器硬件設(shè)計

控制器硬件部分分別為單片機、時鐘電路、溫度采集電路、12864LCD顯示電路、繼電器電路以及復(fù)位和按鍵電路。整個控制器采用直流+5 V供電。由于房間內(nèi)溫度多點檢測需要多個溫度傳感器，實際布線繁瑣，增加成本，綜合考慮，在一定的誤差允許范圍內(nèi)，系統(tǒng)采用溫度傳感器單點檢測室內(nèi)溫度。

2.1 硬件電路介紹

AT89C51單片機為整個系統(tǒng)的核心控制器，它讀取時鐘芯片中的時鐘信號和溫度傳感器檢測到的溫度值，把它們傳送給液晶顯示屏進行實時顯示。單片機通過比較當(dāng)前時段的溫度預(yù)設(shè)值與檢測值，決定是否接通繼電器，即是否打開電暖器。整個系統(tǒng)中它處于核心調(diào)節(jié)的地位。AT89C51單片機是帶 4 K 字節(jié)FLASH存儲器的CMOS 8位微處理器。該器件與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[2，3]。因此，該芯片被廣泛使用。

DS1302時鐘芯片為本電路提供精確的時間，采用普通32.768 kHz晶振。DS18B20溫度傳感器用來檢測室內(nèi)溫度，該傳感器擁有特殊的單線接口方式，能夠?qū)z測到的溫度信號轉(zhuǎn)成為數(shù)字信號，所以能夠直接和單片機相接。本系統(tǒng)的顯示部分采用可顯示漢字的12864LCD顯示屏，用來實時顯示時間日期、溫度傳感器檢測到的房間溫度和分時段設(shè)定溫度。電磁繼電器用來控制電暖器的開閉。它實際上是用較小的電流、較低的電壓去控制較大電流、較高的電壓的一種“自動開關(guān)”。復(fù)位和按鍵電路是每個系統(tǒng)中必不可少的一部分，復(fù)位電路用于單片機的復(fù)位，按鍵電路用來設(shè)置時間日期、分時段設(shè)定溫度。系統(tǒng)采用通常使用的按鍵電平復(fù)位電路，按鍵電路共有五個按鍵，分別為時間設(shè)置、加、減、確定和溫度設(shè)定，通過中斷處理來實現(xiàn)按鍵電平的轉(zhuǎn)換。

2.2 系統(tǒng)總體電路圖

綜合以上設(shè)計，仿真中用白熾燈代替電暖器，系統(tǒng)的整體電路圖如圖2所示。

3 溫度控制器軟件設(shè)計

要用單片機完成一定的控制功能，除了構(gòu)建相應(yīng)的硬件電路外，軟件編程也占有非常重要的地位。伴隨單片機芯片的不斷完善，硬件集成化程度漸漸提高，對軟件編程也提出了新的挑戰(zhàn)。溫度控制器采用C語言編程，它的功能是在程序作用下實現(xiàn)的。軟件設(shè)計與硬件設(shè)計相結(jié)合，分成多個不同的模塊，逐個編程和調(diào)試，最后由主程序?qū)⒏髂K拼接到一起[4，5]。由此編程方便軟件調(diào)試，增加了各個程序的通用性。主程序設(shè)計和控制繼電器程序流程圖如圖3、圖4所示。

當(dāng)給系統(tǒng)上電時，首先進行初始化，設(shè)定溫度的默認(rèn)值是白天22 ℃，夜晚20 ℃。電路工作時，首先通過按鍵電路設(shè)置時間、日期以及所需要達到的溫度值，溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度，輸出信號給單片機，單片機判斷當(dāng)前時間屬于白天和夜晚哪個時段，比較當(dāng)前時段的預(yù)設(shè)值與檢測值，決定是否接通繼電器。

若檢測溫度低于預(yù)設(shè)值3 ℃及以上時，則電暖器開大檔，即兩部分電暖器同時加熱；若檢測溫度低于預(yù)設(shè)值不足3 ℃時，則電暖器開小檔，只有一部分電暖器加熱；若檢測溫度不低于預(yù)設(shè)值時，電暖器待機，沒有暖氣加熱。

4 溫度控制器功能介紹及仿真效果

系統(tǒng)運行時主界面上顯示時間日期、室內(nèi)溫度以及兩個時段的設(shè)定溫度。反復(fù)按下時鐘設(shè)置鍵可分別選中年、月、日、時、分、秒，配合加、減兩鍵進行調(diào)整，按下確定鍵可退出調(diào)整。反復(fù)按下溫度設(shè)定鍵可分別選中白天設(shè)定溫度、夜晚設(shè)定溫度，配合加、減兩鍵進行調(diào)節(jié)，按下確定鍵可退出調(diào)節(jié)。顯示屏主界面如圖5所示。

在仿真中用白熾燈代替電暖器，當(dāng)白天設(shè)定溫度為23 ℃，室內(nèi)檢測溫度為20 ℃時，電暖氣開大檔，兩部分電暖器同時加熱，兩個紅色發(fā)光二極管被點亮，如圖6所示；當(dāng)夜晚設(shè)定溫度為21 ℃，室內(nèi)檢測溫度為19 ℃時，電暖器開小檔，只有一部分電暖器加熱，第一個紅色發(fā)光二極管被點亮，如圖7所示；當(dāng)夜晚設(shè)定溫度為21 ℃，室內(nèi)檢測溫度為21 ℃時，電暖器關(guān)閉，沒有電暖器加熱，紅色發(fā)光二極管均不亮，如圖8所示。

5 結(jié)論

通過以上所述的設(shè)計，電暖器中的溫度控制器能夠根據(jù)用戶設(shè)定的溫度，分白天和夜晚兩個時段控制房間電暖器的開閉，根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)電暖器大小檔開關(guān)，實時顯示時間日期、房間溫度、設(shè)定溫度和暖氣工作狀況，滿足人們在不同時段對供暖的需求，做到了方便便捷，節(jié)能環(huán)保，達到設(shè)計的目的，有一定的實用價值。

[1] 曹冬林.電采暖在我國的發(fā)展前景淺析[J].機電信息,2007(25):47-49.

[2] 張英平,張朝陽.孵化場溫度控制器的Proteus仿真設(shè)計[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(4):97-99.

[3] 劉穎.節(jié)能型供熱溫度控制器設(shè)計[J].電子科技,2013(6):73-76.

[4] 王慧強.基于MCS單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2010(5):73-74,83.

[5] 高衛(wèi)東.51單片機原理與實踐(C語言版)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

Design and Simulation of Temperature Controller in Electric Heater

JIA Rui-qiang, PAN Cun-zhi, XU Ming-zhu

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China)

Intelligent temperature controller used to adjust the temperature in electric heater is designed. The core part of the controller is AT89C51 micro-controller. The serial clock chip provides the time and date. DS18B20 temperature sensor as the temperature measuring device detects the indoor temperature. Key and reset circuit can adjust the date and time, set temperature and system reset. LCD displays date and time, the room temperature and set temperature real-timely. The red LED is used to indicate the status of the opening and closing of electric heater. Through the above design, the temperature controller in the heater can control the opening and closing of the room heater according to the temperature set by the user at two periods of day and night. It can automatically adjust the size of the heater according to the ambient temperature and real-time display time and date, room temperature, temperature set and working conditions. It has met people in different periods of heating demand and has achieved the purpose of the design.

electric heater; temperature controller; LCD; different time periods; the size of the file

2016-05-26

賈瑞強(1992-)，男，河北邢臺人，在讀碩士研究生，主要從事機電系統(tǒng)控制及自動化的研究，郵箱1306687108@qq.com。

TM925

A

1008-9446(2016)06-0045-04