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(guò)溫度檢測(cè)模塊將外界環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)的模擬量輸送給PLC，PLC與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，計(jì)算差值，并調(diào)用差值，調(diào)用內(nèi)置的PID運(yùn)算程序，設(shè)定脈沖寬度，產(chǎn)生PWM波來(lái)控制調(diào)節(jié)加熱器的通斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制。該裝置通過(guò)太陽(yáng)能電池進(jìn)行持續(xù)供電，并運(yùn)用壓力傳感器等裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱、保持恒溫和自動(dòng)斷電的功能。裝置的智能系統(tǒng)使得人們?cè)谑褂脮r(shí)沒(méi)有障礙，其體積小、重量輕的特點(diǎn)也便于人們的攜帶。

關(guān)鍵詞：PLC;坐墊;溫度控制

1.項(xiàng)目背景

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱力學(xué)的研究已相對(duì)成熟，能通過(guò)運(yùn)用電磁學(xué)，分子力學(xué)等多方面知識(shí)使用相關(guān)設(shè)備將其他能量轉(zhuǎn)化為熱能，從而對(duì)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(jī)械的使用上，未能普及到日常生活中。

隨著社會(huì)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活舒適度有了更高質(zhì)量的追求，而面對(duì)冬季嚴(yán)寒，保暖成了人們首要的需求。過(guò)去我們都遇到過(guò)冬日久坐，由于體溫與外界溫度差值過(guò)大，沒(méi)有適當(dāng)?shù)牡膶?dǎo)熱工具，而出現(xiàn)瑟瑟發(fā)抖，四肢冰涼等常見(jiàn)失溫現(xiàn)象，影響人們的日常生活作業(yè)。本團(tuán)隊(duì)致力于研發(fā)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，能夠幫助人們解決身體寒冷問(wèn)題的自動(dòng)加熱座椅裝置，有效彌補(bǔ)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(jì)

2.1功能設(shè)計(jì)

裝置主要部件分為系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，硬件包括外部結(jié)構(gòu)構(gòu)造（開(kāi)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(jì)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(jì)如下：

（1）首先使用時(shí)，將插頭插上，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，各部分設(shè)施進(jìn)行預(yù)備運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入預(yù)處理階段，完成系統(tǒng)初始化。

（2）實(shí)時(shí)采集溫度。當(dāng)當(dāng)前溫度低于設(shè)定溫度3℃時(shí)，啟動(dòng)升溫控制電路，對(duì)裝置持續(xù)加熱，當(dāng)當(dāng)前溫度高于設(shè)定溫度1℃時(shí)，啟動(dòng)溫度控制裝置，對(duì)加熱裝置進(jìn)行控制。

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

2.2功能實(shí)現(xiàn)

2.2.1加熱

本裝置以AT89C51單片機(jī)作為控制核心，以DS18B20作為溫度傳感器。AT89C51單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)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(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51單片機(jī)由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，為溫度控制提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案

DS18B20是美國(guó)Dallas公司開(kāi)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(shí)準(zhǔn)確的將環(huán)境模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化輸出為數(shù)字信號(hào)，其測(cè)量范圍為-55℃—+125℃，測(cè)量精度為0.5℃，具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。

電路設(shè)計(jì)原理圖如下：

本裝置加熱思路如下：以AT89C51單片機(jī)為核心，采用DS18B20作為溫度傳感器實(shí)時(shí)感溫，LCD1602作為顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度t以及操作者預(yù)設(shè)溫度T，利用PID控制算法進(jìn)行編程，根據(jù)實(shí)時(shí)溫度與預(yù)設(shè)溫度的數(shù)值大小進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)繼電器閉合與斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻的控制，從而實(shí)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(bào)警模塊，如因出現(xiàn)T=t時(shí)繼電器未斷開(kāi)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(guò)T，則蜂鳴器持續(xù)發(fā)出報(bào)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(wèn)題。

例如實(shí)時(shí)溫度t為16℃，操作者通過(guò)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(dāng)設(shè)備溫度上升大于等于19℃時(shí)，繼電器斷開(kāi)，電阻絲停止加熱。若實(shí)時(shí)溫度大于19℃，則蜂鳴器報(bào)警，紅燈常亮。

2.2.2保溫

當(dāng)溫度到達(dá)指定溫度時(shí)，裝置進(jìn)入下一階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)溫度進(jìn)行采集，通過(guò)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(jiǎn)單靈活，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是一種較優(yōu)的控制算法。

系統(tǒng)根據(jù)給定值PV與檢測(cè)值SP進(jìn)行比較，得到偏差e（t），通過(guò)PID控制策略，對(duì)加熱裝置進(jìn)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(duì)比較高，可以使穩(wěn)態(tài)精度達(dá)到±1℃。

具體控制原理如下：

首先控制信號(hào)由2個(gè)部分組成，一是內(nèi)部傳感器測(cè)得的裝置各個(gè)部位溫度，二是外部傳感器測(cè)得的外界溫度。該信號(hào)經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)能識(shí)別的電壓信號(hào)，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、電壓放大后，用于升溫系統(tǒng)。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定的恒定溫度時(shí)，啟動(dòng)恒溫控制系統(tǒng);當(dāng)溫度低于某個(gè)值時(shí)，啟動(dòng)升溫系統(tǒng)。整定Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)，并將三個(gè)參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)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(dòng)的電子傳輸速率調(diào)節(jié)熱量，從而實(shí)現(xiàn)恒溫.

2.2.3蓄能

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

除了能夠直接供電的太陽(yáng)能電池，我們還安裝了蓄電池。充電儲(chǔ)能的蓄電池采用鋰電池，并圍繞該電池進(jìn)行充、放電電路設(shè)計(jì)。其中，鋰電池充電芯片采用TP5410，通過(guò)降壓、穩(wěn)壓器LM2596穩(wěn)壓得到的5V電源作為充電電壓進(jìn)行充電。當(dāng)出現(xiàn)雨天或夜晚等沒(méi)有光照時(shí)，在無(wú)法使用太陽(yáng)能供電的情況下，蓄電池就將發(fā)揮用場(chǎng)。這一安排使得裝置在各種使用環(huán)境下都能夠被運(yùn)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(jì)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(guò)內(nèi)部電阻發(fā)熱絲來(lái)散發(fā)出熱量，薄式電熱片有眾多優(yōu)點(diǎn)。

1.電加熱器電源穩(wěn)定性高，無(wú)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(lái)調(diào)節(jié)電阻，即當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)可配備溫控開(kāi)關(guān)和雙重保險(xiǎn)，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(duì)應(yīng)不同的指標(biāo)。成品已通過(guò)高壓和絕緣電阻測(cè)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(diǎn)，因此比傳統(tǒng)電氣元件具有更長(zhǎng)的使用壽命，并且不易氧化。

5.在安裝方面也更舒適，即無(wú)需太多人力物力即可立即安裝和使用，厚度相當(dāng)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(gè)扁平的熱源，因此熱量不會(huì)過(guò)于強(qiáng)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(jì)

在外觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(kāi)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(gè)導(dǎo)線孔與插頭相連，保證穩(wěn)定的電流輸出。實(shí)現(xiàn)外部使用與內(nèi)部系統(tǒng)相隔絕的狀態(tài)，既保護(hù)了內(nèi)部系統(tǒng)不會(huì)被外力破環(huán)，實(shí)現(xiàn)使用的透明化，又增強(qiáng)了美觀性。具體結(jié)構(gòu)圖如下：

3.總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了新型座椅加熱系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)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(jī)等結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)了對(duì)座椅加熱恒溫控制的自動(dòng)化和智能化，高效滿足不同人群對(duì)溫度的需求。在加熱設(shè)計(jì)方面，以AT89C51單片機(jī)作為控制核心，以DS18B20作為溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)繼電器閉合與斷開(kāi)保證對(duì)加熱電阻的控制。在恒溫設(shè)計(jì)方面，以PLC為核心，采用閉環(huán)控制，使用經(jīng)典PID算法，計(jì)算溫度差，控制內(nèi)部發(fā)熱驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)溫度控制策略。在蓄能設(shè)計(jì)方面，采用太陽(yáng)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(jì)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(jì)效益。

綜上所述，該裝置成功實(shí)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。

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