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        基于物聯(lián)網(wǎng)的石墨烯智能電暖壁畫開發(fā)

        2020-07-01 01:51:15馬朝飛金怡芳晏鵬謝唯陳卓
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:石墨烯自動(dòng)控制溫度傳感器

        馬朝飛 金怡芳 晏鵬 謝唯 陳卓

        摘 ? 要:物聯(lián)網(wǎng)的概念和實(shí)物在身邊隨處可見,物聯(lián)網(wǎng)下的產(chǎn)品也是人們追求優(yōu)質(zhì)生活的需要,不斷深化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)前時(shí)代進(jìn)步的趨勢(shì)。在這樣的背景下,本文針對(duì)一種新型優(yōu)質(zhì)加熱材料石墨烯進(jìn)行PID恒溫控制。系統(tǒng)主要包括:溫度采集部分、溫度顯示部分、溫度控制部分、加熱部分;并利用這些模塊實(shí)現(xiàn)了石墨烯壁畫的自動(dòng)控制。

        關(guān)鍵詞:?jiǎn)纹瑱C(jī) ?溫度傳感器 ?自動(dòng)控制 ?石墨烯

        中圖分類號(hào):G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-098X(2020)04(c)-0145-02

        適宜的環(huán)境是人高效率辦公的有利條件,而控制好溫度是營(yíng)造一個(gè)舒適環(huán)境的前提。隨著自動(dòng)控制理論和單片機(jī)的不斷發(fā)展,許許多多的自動(dòng)控制器件不斷推陳出新,在溫度控制方面也得到了快速發(fā)展。

        1 ?系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)的工作原理

        通過(guò)鍵盤預(yù)先設(shè)定溫度,并使用溫度傳感器DS18B20來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。DS18B20是一種集溫度測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換為一體的芯片,DS18B20的溫度測(cè)量部分將采集到的溫度模擬量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量,并由DQ總線傳給單片機(jī);經(jīng)單片機(jī)處理后,LCD1602顯示器顯示測(cè)量溫度。當(dāng)測(cè)量溫度小于預(yù)先設(shè)定溫度時(shí),進(jìn)入加熱模式;當(dāng)測(cè)量溫度大于設(shè)定溫度時(shí),裝置靜置冷卻。

        1.2 系統(tǒng)硬件的組成

        1.2.1 加熱材料—石墨烯

        本系統(tǒng)采用石墨烯作為發(fā)熱體,由于石墨烯本身結(jié)構(gòu)的大π鍵,因而具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能。而其本質(zhì)石墨材料是以電子導(dǎo)熱機(jī)理為主,所以石墨烯也具有超強(qiáng)的熱傳遞性能,其熱導(dǎo)率可到5000W/mk,是金剛石、石墨的3倍,是傳統(tǒng)金屬材料銀、銅及鋁的25倍。該材料的優(yōu)點(diǎn)也正是本系統(tǒng)的特色之處,本系統(tǒng)在現(xiàn)有成熟的自動(dòng)控制理論上,充分利用其優(yōu)點(diǎn),制成新型自動(dòng)恒溫控制壁畫材料。

        石墨烯是一種非線性材料,其電阻率會(huì)隨著溫度的變化而變化。為了進(jìn)一步了解材料的特性,故建立石墨烯電阻率與溫度之間的數(shù)學(xué)模型,得出其關(guān)系式為:

        1.2.2 溫度采集—DS18B20

        假設(shè)本系統(tǒng)使用場(chǎng)景為家庭辦公,故系統(tǒng)溫度范圍需控制在25℃至38℃,精度范圍為±0.5℃ 。DS18B20是由DALL -AS公司生產(chǎn)的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器其測(cè)量溫度范圍在-55℃~+125℃,測(cè)量結(jié)果能以9~12位數(shù)字量方式串行傳送,具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。單總線使得占用單片機(jī)的端口少,節(jié)省了大量的線路和操作。因此,在溫度采集模塊設(shè)計(jì)中采用DS18B2 0溫度傳感器。此外,DS18B20還可以進(jìn)行多點(diǎn)組網(wǎng)功能,每個(gè)DS18B20都有唯一對(duì)應(yīng)的ROM碼,因此單片機(jī)可以利用特定的ROM與某一個(gè)溫度傳感器通信,形成多個(gè)溫度傳感器與單片機(jī)的連接通信,構(gòu)成多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)[1]。溫度采集完成后,可在LCD1602顯示器中觀測(cè)溫度。

        1.2.3 加熱裝置及人機(jī)互動(dòng)

        因單片機(jī)部分工作電壓在5V左右,而石墨烯加熱需要在220V的環(huán)境下,本系統(tǒng)加熱裝置采用光耦合器設(shè)備進(jìn)行隔離[2]。光耦合器由光的發(fā)出、光的接收和信號(hào)放大三部分組成。左側(cè)輸入單片機(jī)發(fā)出的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的光線,另一側(cè)光探測(cè)器接受光并在內(nèi)部產(chǎn)生光電流,光電流通過(guò)信號(hào)放大功能進(jìn)一步放大后控制右側(cè)加熱裝置。

        本系統(tǒng)通過(guò)鍵盤鍵入設(shè)定溫度來(lái)完成人機(jī)互動(dòng)部分。首先,程序預(yù)設(shè)定一個(gè)溫度值,每次啟動(dòng)都是固定值,當(dāng)用戶需要對(duì)溫度進(jìn)行設(shè)定時(shí),可以采用鍵盤進(jìn)行溫度調(diào)控。

        2 ?系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

        2.1 系統(tǒng)上位機(jī)軟件部分—Labview

        采用Labview軟件完成系統(tǒng)智能控制部分的設(shè)計(jì)。用戶通過(guò)手機(jī)打開相應(yīng)軟件,登錄到用戶操作界面,通過(guò)相關(guān)簡(jiǎn)易操作完成監(jiān)控控制操作。

        利用Labview中儀器編程標(biāo)準(zhǔn)I/O API—VISA可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和輸出[3]。上位機(jī)從串行口讀取數(shù)據(jù)時(shí),首先上位機(jī)通過(guò)VISA Write函數(shù)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳送命令,下位機(jī)完成操作并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)緩存區(qū),上位機(jī)中的VISA Read函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)完成數(shù)據(jù)讀取后,要立刻釋放串口,方便繼續(xù)讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)。

        2.2 系統(tǒng)單片機(jī)軟件部分

        2.2.1 主程序流程

        首先對(duì)LCD1602、DS18B20等初始化,設(shè)定定時(shí)器初值,然后進(jìn)行溫度采集,溫度比較,進(jìn)一步確定高電平時(shí)間,最后定時(shí)進(jìn)入中斷,對(duì)高低電平進(jìn)行準(zhǔn)確時(shí)間計(jì)時(shí)。

        2.2.2 PID算法和PWM控制原理

        為了保持室溫恒定,不僅需要得到當(dāng)前溫度的信息,也需得到加熱裝置的加熱時(shí)間。本系統(tǒng)采用PID和PWM結(jié)合控制方法進(jìn)行恒溫控制。

        PID算法控制簡(jiǎn)單且效果顯著,是經(jīng)典的自動(dòng)控制理論。系統(tǒng)將當(dāng)前輸出與預(yù)計(jì)輸出進(jìn)行比對(duì),得出誤差值e(t),在PID調(diào)節(jié)器的作用下,進(jìn)行比例、積分、微分計(jì)算,得出輸出值以確定PWM的占空比。因得到溫度數(shù)據(jù)是離散的,故采用PID離散表達(dá)式,其數(shù)學(xué)模型為:

        (1)

        式(1)中kp、ki、kd為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù).err(k)為當(dāng)前誤差。

        實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱裝置的精準(zhǔn)控制,可采用PWM脈沖寬度調(diào)制。PWM脈沖寬度調(diào)制通過(guò)控制開關(guān)器件的通斷輸出一系列幅值相等而寬度不同的脈沖,利用這部分脈沖作為需要的波形。上述PID算法得到的輸出作為更新PWM脈沖寬度的依據(jù),再利用單片機(jī)的定時(shí)器功能精準(zhǔn)控制脈沖的寬度,處于高電平時(shí)導(dǎo)通加熱裝置,處于低電平時(shí)關(guān)閉加熱裝置。

        2.2.3 PID算法系數(shù)整定

        PID控制器參數(shù)的整定[4]主要分為兩大類:一是理論計(jì)算整定法,二是工程整定的方法。理論計(jì)算整定法主要是根據(jù)系統(tǒng)(如本例加熱材料石墨烯)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行理論推算控制器參數(shù),但最終仍需要實(shí)際實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微調(diào)整。工程整定方法主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn),通過(guò)效果判斷,主要采用臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。本系統(tǒng)中采用臨界比例法,步驟如下。

        (1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)定比例系數(shù)和采樣周期讓系統(tǒng)工作起來(lái),而后增大比例系數(shù)至超過(guò)臨界振蕩,再緩慢減小系數(shù)至臨界振蕩,得到比例系數(shù)。

        (2)采用類似的方式確定臨界振蕩時(shí)的積分系數(shù),取得到的150%~180%。

        (3)微分仍采取上述方法得到微分系數(shù),取得到的30%即可。

        3 ?結(jié)語(yǔ)

        本系統(tǒng)充分利用石墨烯發(fā)熱均勻、效率高且能產(chǎn)生對(duì)人體有益物質(zhì)等特點(diǎn),利用現(xiàn)有的PID算法等理論對(duì)石墨烯進(jìn)行自動(dòng)控制,達(dá)到保持室內(nèi)溫度恒定的目的。本系統(tǒng)將算法與高效率發(fā)熱材料充分配合達(dá)到高效工作,操作過(guò)程上手簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)效果明顯,在未來(lái)智能家居方面具有巨大前景。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 李善壽,方潛生,肖本賢,等.基于單片機(jī)的恒溫控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008,18(12):197-199.

        [2] 杜運(yùn)東,劉勝利,包西勇,等.基于單片機(jī)的電熱恒溫箱控制系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化,2008(4):92-94.

        [3] 范治政,劉永春,郭志庭.基于Ardunio和LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表,2015,30(7):62-65.

        [4] 袁易君.基于單片機(jī)室內(nèi)恒溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代企業(yè)文化,2008(36):67-68.

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