賈瑞強(qiáng)，潘存治，許鳴珠

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

電暖器中溫控器的設(shè)計(jì)與仿真

賈瑞強(qiáng)，潘存治，許鳴珠

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

設(shè)計(jì)出一種在電暖器供暖中調(diào)節(jié)溫度的智能溫控器。控制器的核心部分是AT89C51單片機(jī)，串口時(shí)鐘芯片提供時(shí)間和日期，DS18B20溫度傳感器作為測(cè)溫元件檢測(cè)室內(nèi)溫度，按鍵復(fù)位電路可調(diào)節(jié)時(shí)間日期、設(shè)定溫度以及進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位。液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示時(shí)間日期、房間溫度和白天夜晚兩個(gè)設(shè)定溫度，紅色發(fā)光二極管用來(lái)指示電暖器的開(kāi)閉狀況。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，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(gè)時(shí)段控制房間電暖器的開(kāi)閉，根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)電暖器大小檔開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)顯示時(shí)間日期、房間溫度、設(shè)定溫度和暖氣工作狀況。滿足人們?cè)诓煌瑫r(shí)段對(duì)供暖的需求，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

電暖器；溫控器；液晶顯示；分時(shí)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(guó)對(duì)環(huán)保、節(jié)能的要求，它沒(méi)有常用供暖形式造成的污染問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)在供暖中沒(méi)有飛塵和其他氣味[1]。目前市場(chǎng)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(duì)節(jié)能環(huán)保的要求。筆者所設(shè)計(jì)的電暖器中的溫度控制器可以實(shí)時(shí)顯示時(shí)間日期、室內(nèi)溫度、設(shè)定溫度以及電暖器開(kāi)閉情況，并且可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)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?cè)诓煌瑫r(shí)段對(duì)供暖的需求，給人一個(gè)便捷健康的室內(nèi)環(huán)境，而且又可得到低谷電價(jià)帶來(lái)的實(shí)惠，真正做到了人性化，節(jié)能環(huán)保。

1 設(shè)計(jì)方案

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

設(shè)計(jì)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(jī)，為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。

2)串行時(shí)鐘部分，采用DS1302時(shí)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(jì)

控制器硬件部分分別為單片機(jī)、時(shí)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(gè)控制器采用直流+5 V供電。由于房間內(nèi)溫度多點(diǎn)檢測(cè)需要多個(gè)溫度傳感器，實(shí)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(diǎn)檢測(cè)室內(nèi)溫度。

2.1 硬件電路介紹

AT89C51單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制器，它讀取時(shí)鐘芯片中的時(shí)鐘信號(hào)和溫度傳感器檢測(cè)到的溫度值，把它們傳送給液晶顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。單片機(jī)通過(guò)比較當(dāng)前時(shí)段的溫度預(yù)設(shè)值與檢測(cè)值，決定是否接通繼電器，即是否打開(kāi)電暖器。整個(gè)系統(tǒng)中它處于核心調(diào)節(jié)的地位。AT89C51單片機(jī)是帶 4 K 字節(jié)FLASH存儲(chǔ)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(shí)鐘芯片為本電路提供精確的時(shí)間，采用普通32.768 kHz晶振。DS18B20溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)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(cè)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)成為數(shù)字信號(hào)，所以能夠直接和單片機(jī)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(lái)實(shí)時(shí)顯示時(shí)間日期、溫度傳感器檢測(cè)到的房間溫度和分時(shí)段設(shè)定溫度。電磁繼電器用來(lái)控制電暖器的開(kāi)閉。它實(shí)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(dòng)開(kāi)關(guān)”。復(fù)位和按鍵電路是每個(gè)系統(tǒng)中必不可少的一部分，復(fù)位電路用于單片機(jī)的復(fù)位，按鍵電路用來(lái)設(shè)置時(shí)間日期、分時(shí)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(gè)按鍵，分別為時(shí)間設(shè)置、加、減、確定和溫度設(shè)定，通過(guò)中斷處理來(lái)實(shí)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(jì)，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(jì)

要用單片機(jī)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(jī)芯片的不斷完善，硬件集成化程度漸漸提高，對(duì)軟件編程也提出了新的挑戰(zhàn)。溫度控制器采用C語(yǔ)言編程，它的功能是在程序作用下實(shí)現(xiàn)的。軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合，分成多個(gè)不同的模塊，逐個(gè)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(gè)程序的通用性。主程序設(shè)計(jì)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(shí)，首先進(jìn)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(shí)，首先通過(guò)按鍵電路設(shè)置時(shí)間、日期以及所需要達(dá)到的溫度值，溫度傳感器檢測(cè)室內(nèi)溫度，輸出信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)判斷當(dāng)前時(shí)間屬于白天和夜晚哪個(gè)時(shí)段，比較當(dāng)前時(shí)段的預(yù)設(shè)值與檢測(cè)值，決定是否接通繼電器。

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

4 溫度控制器功能介紹及仿真效果

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主界面上顯示時(shí)間日期、室內(nèi)溫度以及兩個(gè)時(shí)段的設(shè)定溫度。反復(fù)按下時(shí)鐘設(shè)置鍵可分別選中年、月、日、時(shí)、分、秒，配合加、減兩鍵進(jìn)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(jìn)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(cè)溫度為20 ℃時(shí)，電暖氣開(kāi)大檔，兩部分電暖器同時(shí)加熱，兩個(gè)紅色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，如圖6所示；當(dāng)夜晚設(shè)定溫度為21 ℃，室內(nèi)檢測(cè)溫度為19 ℃時(shí)，電暖器開(kāi)小檔，只有一部分電暖器加熱，第一個(gè)紅色發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，如圖7所示；當(dāng)夜晚設(shè)定溫度為21 ℃，室內(nèi)檢測(cè)溫度為21 ℃時(shí)，電暖器關(guān)閉，沒(méi)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(guò)以上所述的設(shè)計(jì)，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(gè)時(shí)段控制房間電暖器的開(kāi)閉，根據(jù)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)電暖器大小檔開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)顯示時(shí)間日期、房間溫度、設(shè)定溫度和暖氣工作狀況，滿足人們?cè)诓煌瑫r(shí)段對(duì)供暖的需求，做到了方便便捷，節(jié)能環(huán)保，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，有一定的實(shí)用價(jià)值。

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

[2] 張英平,張朝陽(yáng).孵化場(chǎng)溫度控制器的Proteus仿真設(shè)計(jì)[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)(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(jì)[J].電子科技,2013(6):73-76.

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

[5] 高衛(wèi)東.51單片機(jī)原理與實(shí)踐(C語(yǔ)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(qiáng)(1992-)，男，河北邢臺(tái)人，在讀碩士研究生，主要從事機(jī)電系統(tǒng)控制及自動(dòng)化的研究，郵箱1306687108@qq.com。

TM925

A

1008-9446(2016)06-0045-04