移动便携式可调控多功能蓄电电热毯

移动便携式可调控多功能蓄电电热毯

贾滕玉,杨明月，朱晓琳，宋伟霖

大庆师范学院

摘要

本项目在普通电热毯原有基础上进行改良,采用蓄电方式进行工作,能够打破传统电热毯的工作环境局限。达到舒适、安全、便于操作的目的。本项目为一个基于51单片机控制,可以智能调节温度、显示当前温度的控制器。以DS18B20为温度传感器,以锂电池为蓄电池,充电器的主电路采用降压型的Buck变流器,节约资金。进而解决电热毯的多场景使用问题。

关键词 AT89C51;DS18B20;锂电池;Buck变流器

引言

本项目在老式电热毯的原有基础上做出了一定的改良,此次改良将带领电热毯进入一个全新的模式——蓄电。在停电时、户外活动等时也可以实现电热毯自由,做到不完全依赖家庭电源,使使用方式的多样化。且在充满电后,会自行断电,更加安全的同时也会降低电路的负担,电热毯使用寿命也得以延长。普通老式电热毯仅有低高温两个调节模式。本项目即采用精细温度调节,增加led显示屏,精准调温避免过凉过热以及对身体健康的影响,为用户带来更好的使用感受,还可做到环保节能,且能做到外形美观,吸引年轻群体,使用电热毯。本文主要针对移动便携式可调控多功能蓄电电热毯展开,通过蓄电池供电,利用可控硅进行电位高低的控制,使输出温度可以平滑调节,取消档位的限制,实现任意调节温度。移动型便携式可调节的多功能蓄电电热毯为全封闭设计,发热线整体安装,没有焊点和接头,在电热毯电压不足或瞬间过热时会自行关掉,暂停运行。有防水不渗漏的优点,且对外观进行合理美化。应用记忆功能,调节合适的温度无需反复操作。保证简单操作的同时确保用户健康安全。

1.系统总体设计方案

通入电流后,使用者将开关调至开的状态,设定适合自己理想的温度并设定自己需要加热的时长,默认顺序依次为先设定温度后设定时长。待机五秒钟后电热毯就开始自动运行,将水质传感器的温度信息送到单片机,由单片机发出控制指令控制继电器的通断,当达到所需温度后温度传感器不在升温,保持已有温度,电热毯开关自动调至保温状态并达到设定保温时长。

控制系统硬件构成如图1所显示,本设计的加温控制器以AT89C51单片机为核心部件,显示集成电路以及控制电路和加热控制电路等。

图1控制系统硬件

2.系统硬件介绍

2.1单片机

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，它是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。它的可擦除只读存储器可被擦除一千余次。该元件使用ATMEL高密度非易失内存的工艺技术生产,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相并行。由于把最多用的8个CPU与闪速存储器整合到同一个芯片上,所以ATMEL的AT89C51是一个最高效的微控制器,AT89C051则是它的一种精简版。且AT89C51单片机控制器给很多嵌入式系统提供了一种灵敏度更高而且便宜的选择。我们需要的正是种简单且实用的单片机。

2.2蓄电池

下图为简易智能光伏充电器的结构示意框图。在便携应用场合中,光伏电池要满足简便的要求,所以光伏电池的电压选择在16.5~21 V之间,相比较于蓄电池的11 V电压要高。为了与电热毯相匹配,蓄电池采用更轻便的锂电池。充电器的主电路使用降压型的Buck变流器,因为Buck变流器构造简单,节约资金。

电容器的调节集成电路主要由MPPT调节环、限流控制环、恒压控制环和一种智能型的选择性控制器来构成。通过光伏电池的产生功率与蓄能池的电流直接相关,智能选择控制器就可自行选取三相控制环中的一组,对主电路实施监控。

当光伏电池提供的电量过大时,智能选取开关电源选用限流调节环,使充满电流小于蓄动力电池的最高充满电流。若光伏电池的提供电量足够且蓄电池的电压比浮充电压低时,智慧选取开关电源将选用MPPT调节环,从光伏电池中获得尽量多的能量,达到充分利用光伏电池的目的。当蓄能池的压力超过浮充流时,恒压控制环即被选定。充电模块就会对电瓶以最小的电流进行恒压浮充。

有很多途径能达到实现获得MPPT,如开路电流比例分析法、扰动观察法和电导增量分析法等。此处引入了开路电流比例技术,因此技术十分简单,不需测量光伏电池的开路电流,简便并且很容易实现,同时和MPPT有关的电路可以集成在一块芯片上从而减轻体积[1]。

图2  蓄电池的光伏充电流程图

2.3温度采集电路

对于温度采集电路这一模块，主要是设计温度采集电路图，我们设计的这款电热毯应用的是DS18B20数字温度传感器，因为他接线简单，并且是我们单片机课程中最常用的的数字传感器。DS18B20可以作为系统内部的模拟温度传感器、数据信号处理装置，在进行数据信息传输的过程中与AT89S52通信，从而在设定的区域范围内实现温度采集功能。为了有效的处理DS18B20定时间题，可以对整个温度采集系统进行新的数据编程设计，其主要采用AT89S52芯片为重要组成部分，可以有效控制DS18B20的复位立和读写能力，能够在一定程度上按时间顺序有效的读取温度值，将获取的数据信息存储于系统内部的存储装置中。DS18B20温度采集优势在于系统精度高，分辨率强，抗干扰性能好。由于系统读取的数据格式一般均为二进制数的补码，因此需要求 得温度量值数据信息的原始代码

[2]。因为我们主要研究的是DS18B20是如何工作的，更应该巧妙地应用到我们的设计作品中，DS18B20不止是可以应用于我们设计的电热毯上，还可以应用于工业化许多产品上，它有一个特别重要的作用就是可以控制温度的调节，使电热毯应用起来十分的方便。在明确了应该选择DS18B20的同时应该了解温度采集电路的设计原理，温度采集电路就是将温度的变化转化成信号上的变化，温度采集电路绝大部分是通过温度传感器来实现的，温度传感器就是用于测量温度的传感器，我们应用它，无非就是想通温度采集电路来控制电热毯整体的温度，进而能更好的达到我们的目标。

2.4温度控制电路

温度控制系统是一种非线性、大滞后、时变的控制系统，且不同环境温度以及不同工作状态都会影响出口温度的控制特性。因此，单独采用固定参数的PID控制、模糊控制都无法达到满意的控制效果，需将PID和模糊控制结合起来，采用模糊控制来自整定PID参数[3]。

温度控制主要由单片机作为载体，系统中的温度传感器DSI8B20在接收到温度数据后，将信号传输至主机。在总线接入电阻，通过温度开关调节高低档位控制温度。时钟与温度传感器DSI8B20串联，达到预定的事件后电热毯自动断电，降低能耗的同时更加安全舒适。

3.系统软件介绍

主程序先对DS18B20进行初始化,接着对DS18B20进行采集温度控制数值,立地进行温度控制数值的交换和数据传输。通过两个四位数码管实时显示从数字温度测定仪中收集到的温度控制数值,并和操作系统中预先设置的温度控制数值进行对比。当环境温度值比标准差大时,程序终止加热温度;当环境温度值比标准差小时,单片机的监控端提供较低电平有效,固态继电器交流侧导通,加温设备启动工作,进一步准确地对比环境温度的检测值与设定值,当测量到的环境温度值比标准差大时,单片机控制端提供最高电平,固态继电器交换侧切断,加温设备终止工作[4]。

图3   系统的软件流程图

4.结论

本项目设计的系统选取到AT89C51单片机,用温度传感器DS18B20来检测温度,并达到控制目的。该系统配备硬件结构简单、高性价比、安装方便、稳定性好、成本低的优点。适用于日常生活,保证安全。改良后的移动便携式可调控多功能蓄电电热毯在节约能源、精细调节温度和安全等方面实现共存,解决了客户特殊情况时的取暖问题,满足了客户对舒适度和美观的追求,符合市场的发展趋势,实现了价值主张。

参考文献

[1]李威辰,郭瑭瑭,邓焰,何湘宁.一种便携式简易智能光伏充电器的设计[J].电源学报,2011(01):56-60.

[2]刘星宇.基于单片机的温度采集系统研究分析[J].科学技术创新,2021,(02):86-87.

[3]朱楠,李小宁.可变温热风源装置的研制[J].机械制造与自动化,2022,51(02):42-45.

[4]李茸,段哲民,林珊珊,黄心杰,郭龙.一种智能型电热毯温控系统的设计与实现[J].电子设计工程,2014,22(16):5-7.