基于PLC的智能加熱座椅系統(tǒng)

衡思羽 陳慧 呼鵬飛 姜水涵 張曉慧

摘要：介紹了以PLC為核心的智能座椅加熱系統(tǒng)，通過溫度檢測模塊將外界環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成電壓信號的模擬量輸送給PLC，PLC與設(shè)定溫度進行比較，計算差值，并調(diào)用差值，調(diào)用內(nèi)置的PID運算程序，設(shè)定脈沖寬度，產(chǎn)生PWM波來控制調(diào)節(jié)加熱器的通斷，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制。該裝置通過太陽能電池進行持續(xù)供電，并運用壓力傳感器等裝置實現(xiàn)自動加熱、保持恒溫和自動斷電的功能。裝置的智能系統(tǒng)使得人們在使用時沒有障礙，其體積小、重量輕的特點也便于人們的攜帶。

關(guān)鍵詞：PLC;坐墊;溫度控制

1.項目背景

目前，國內(nèi)外對于熱力學(xué)的研究已相對成熟，能通過運用電磁學(xué)，分子力學(xué)等多方面知識使用相關(guān)設(shè)備將其他能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而對物體供熱。這些技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)生活等方面都已經(jīng)有了廣泛的使用。但絕大部分都仍處在大型機械的使用上，未能普及到日常生活中。

隨著社會，經(jīng)濟的發(fā)展，人們對生活舒適度有了更高質(zhì)量的追求，而面對冬季嚴寒，保暖成了人們首要的需求。過去我們都遇到過冬日久坐，由于體溫與外界溫度差值過大，沒有適當?shù)牡膶?dǎo)熱工具，而出現(xiàn)瑟瑟發(fā)抖，四肢冰涼等常見失溫現(xiàn)象，影響人們的日常生活作業(yè)。本團隊致力于研發(fā)一款結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，能夠幫助人們解決身體寒冷問題的自動加熱座椅裝置，有效彌補目前市面上采用傳統(tǒng)電阻隔熱方式的加熱裝置的缺陷。

2.裝置設(shè)計

2.1功能設(shè)計

裝置主要部件分為系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計，硬件包括外部結(jié)構(gòu)構(gòu)造（開關(guān)旋鈕，導(dǎo)熱材料，插電孔以及插頭導(dǎo)線）與內(nèi)部電路集成模型，軟件包括PLC程序設(shè)計與基于模糊PID變頻恒溫控制。軟硬件相互配合，相互制約，以滿足不同溫度偏好的顧客。具體功能設(shè)計如下：

（1）首先使用時，將插頭插上，啟動開關(guān)，各部分設(shè)施進行預(yù)備運轉(zhuǎn)，進入預(yù)處理階段，完成系統(tǒng)初始化。

（2）實時采集溫度。當當前溫度低于設(shè)定溫度3℃時，啟動升溫控制電路，對裝置持續(xù)加熱，當當前溫度高于設(shè)定溫度1℃時，啟動溫度控制裝置，對加熱裝置進行控制。

（3）恒溫處理。將采集到的溫度與預(yù)設(shè)溫度值進行比較，計算其偏差量，然后根據(jù)差值，利用經(jīng)典PID控制算法計算出調(diào)控量，最后輸出相應(yīng)PWM控制量給外部的驅(qū)動電路，從而達到控制被控對象水溫的目的。

2.2功能實現(xiàn)

2.2.1加熱

本裝置以AT89C51單片機作為控制核心，以DS18B20作為溫度傳感器。AT89C51單片機是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51單片機由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為溫度控制提供了一種靈活性高且價廉的方案

DS18B20是美國Dallas公司開發(fā)的一款智能溫度傳感器，采用單總線傳輸方式，能夠?qū)崟r準確的將環(huán)境模擬信號轉(zhuǎn)化輸出為數(shù)字信號，其測量范圍為-55℃—+125℃，測量精度為0.5℃，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

電路設(shè)計原理圖如下：

本裝置加熱思路如下：以AT89C51單片機為核心，采用DS18B20作為溫度傳感器實時感溫，LCD1602作為顯示屏實時顯示當前溫度t以及操作者預(yù)設(shè)溫度T，利用PID控制算法進行編程，根據(jù)實時溫度與預(yù)設(shè)溫度的數(shù)值大小進行判斷，從而實現(xiàn)繼電器閉合與斷開實現(xiàn)對加熱電阻的控制，從而實現(xiàn)加熱這一操作。除此之外，本電路系統(tǒng)還設(shè)置了相應(yīng)的報警模塊，如因出現(xiàn)T=t時繼電器未斷開等情況而導(dǎo)致電阻絲繼續(xù)加熱，而導(dǎo)致設(shè)備溫度超過T，則蜂鳴器持續(xù)發(fā)出報警音且警示紅燈LED常亮，用以提醒操作者注意潛在安全隱患問題。

例如實時溫度t為16℃，操作者通過按鍵上下調(diào)整預(yù)設(shè)溫度T為19℃，則繼電器閉合電阻絲加熱，當設(shè)備溫度上升大于等于19℃時，繼電器斷開，電阻絲停止加熱。若實時溫度大于19℃，則蜂鳴器報警，紅燈常亮。

2.2.2保溫

當溫度到達指定溫度時，裝置進入下一階段，實現(xiàn)對溫度的控制，保證其保持在設(shè)定溫度附近。

本系統(tǒng)采用閉環(huán)的控制方式，對溫度進行采集，通過PID（比例-積分-微分）的控制方法，其控制策略結(jié)構(gòu)具有比較簡單靈活，穩(wěn)定性強，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，是一種較優(yōu)的控制算法。

系統(tǒng)根據(jù)給定值PV與檢測值SP進行比較，得到偏差e（t），通過PID控制策略，對加熱裝置進行控制，從而維持坐墊溫度在設(shè)定值附近。使用PID溫度控制策略，控制精度相對比較高，可以使穩(wěn)態(tài)精度達到±1℃。

具體控制原理如下：

首先控制信號由2個部分組成，一是內(nèi)部傳感器測得的裝置各個部位溫度，二是外部傳感器測得的外界溫度。該信號經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)能識別的電壓信號，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、電壓放大后，用于升溫系統(tǒng)。當溫度達到設(shè)定的恒定溫度時，啟動恒溫控制系統(tǒng);當溫度低于某個值時，啟動升溫系統(tǒng)。整定Kp，Ki，Kd三個參數(shù)，并將三個參數(shù)進行PID運算后經(jīng)模擬量輸出模塊輸出給變頻器的調(diào)節(jié)其頻率 從而改變內(nèi)部發(fā)熱驅(qū)動的電子傳輸速率調(diào)節(jié)熱量，從而實現(xiàn)恒溫.

2.2.3蓄能

運用太陽能電池進行持續(xù)供電。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導(dǎo)體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。我們將許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來使之成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣，并將其安裝在加熱裝置的表面，以達到持續(xù)供電的目的。

除了能夠直接供電的太陽能電池，我們還安裝了蓄電池。充電儲能的蓄電池采用鋰電池，并圍繞該電池進行充、放電電路設(shè)計。其中，鋰電池充電芯片采用TP5410，通過降壓、穩(wěn)壓器LM2596穩(wěn)壓得到的5V電源作為充電電壓進行充電。當出現(xiàn)雨天或夜晚等沒有光照時，在無法使用太陽能供電的情況下，蓄電池就將發(fā)揮用場。這一安排使得裝置在各種使用環(huán)境下都能夠被運用，大大提高了可用性。

2.3材料選擇

除了滿足產(chǎn)品的加熱、恒溫，蓄能功能外，材料的選擇也是產(chǎn)品功能效率的重要體現(xiàn)，在考慮其效率，導(dǎo)熱量，安全性，經(jīng)濟性等多方面因素下，結(jié)合目前市面上所有的導(dǎo)熱材料，選擇適配功能需求的材料顯得尤為重要。

發(fā)熱片擁有眾多類別，不同材質(zhì)的發(fā)熱片特性不同，應(yīng)用領(lǐng)域也不同。硅膠發(fā)熱片因其性能穩(wěn)定、鋁箔加熱片，安全可靠被廣泛應(yīng)用于加熱和保溫設(shè)備。

電熱片是一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能的薄式加熱產(chǎn)品，其主要的工作原理是通過內(nèi)部電阻發(fā)熱絲來散發(fā)出熱量，薄式電熱片有眾多優(yōu)點。

1.電加熱器電源穩(wěn)定性高，無熱損失，傳熱率大于98%;

2.電熱片的內(nèi)阻電路由鐵鉻或鎳鉻合金片組成。這兩種材料的特性可以根據(jù)自身的溫度來調(diào)節(jié)電阻，即當溫度升高時，電阻增大，從而降低功率，即電加熱片的所謂溫度自限功能。同時可配備溫控開關(guān)和雙重保險，大大提高了使用中的安全隱患;

3.電熱板所用的絕緣材料絕緣性能高，內(nèi)阻方向可對應(yīng)不同的指標。成品已通過高壓和絕緣電阻測試，可安全使用;

4.電加熱器的內(nèi)阻電路是嵌入式的。由于它具有溫度迅速上升和散熱迅速的特點，因此比傳統(tǒng)電氣元件具有更長的使用壽命，并且不易氧化。

5.在安裝方面也更舒適，即無需太多人力物力即可立即安裝和使用，厚度相當薄，幾乎不占用空間，大大降低了生產(chǎn)成本;

6.薄電熱板是一個扁平的熱源，因此熱量不會過于強烈。據(jù)了解，它還將生產(chǎn)比傳統(tǒng)電加熱元件產(chǎn)生的干熱或濕熱更為用戶接受的紅外熱能。

2.4外觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計

在外觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，采用一體化結(jié)構(gòu)模型，將溫度變送器、PLC、指示燈、按鈕、選擇開關(guān)，變頻器等相關(guān)硬件按一定順序放入包裝內(nèi)，只留一個導(dǎo)線孔與插頭相連，保證穩(wěn)定的電流輸出。實現(xiàn)外部使用與內(nèi)部系統(tǒng)相隔絕的狀態(tài)，既保護了內(nèi)部系統(tǒng)不會被外力破環(huán)，實現(xiàn)使用的透明化，又增強了美觀性。具體結(jié)構(gòu)圖如下：

3.總結(jié)

本文詳細介紹了新型座椅加熱系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程，通過將PLC和相應(yīng)的電子元器件、溫度傳感器、變頻器、執(zhí)行電機等結(jié)合在一起實現(xiàn)了對座椅加熱恒溫控制的自動化和智能化，高效滿足不同人群對溫度的需求。在加熱設(shè)計方面，以AT89C51單片機作為控制核心，以DS18B20作為溫度傳感器，實現(xiàn)繼電器閉合與斷開保證對加熱電阻的控制。在恒溫設(shè)計方面，以PLC為核心，采用閉環(huán)控制，使用經(jīng)典PID算法，計算溫度差，控制內(nèi)部發(fā)熱驅(qū)動，實現(xiàn)溫度控制策略。在蓄能設(shè)計方面，采用太陽能電池與蓄電池并用的方式，以適應(yīng)產(chǎn)品在不同環(huán)境下的供能量，既滿足裝置的能耗需求，又提升了裝置的環(huán)保節(jié)能理念。在選材方面，選擇導(dǎo)熱量大，導(dǎo)熱率高的加熱材料硅膠發(fā)熱片，在保證產(chǎn)品安全性能的前提下，提高產(chǎn)品的使用效率。在產(chǎn)品設(shè)計方面，采用一體化封裝式結(jié)構(gòu)，體積輕巧，攜帶方便，滿足人們的日常需求。在電子元件方面，選擇大眾化，普遍化，性能高的零件，有效保證產(chǎn)品的經(jīng)濟效益。

綜上所述，該裝置成功實現(xiàn)了集加熱，保溫，蓄能三位一體的智能座椅加熱系統(tǒng)，可有效幫助人們解決冬日久坐身體寒冷的情況，提供一種高效日常的保暖措施。

參考文獻

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