自動室內(nèi)加熱器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

朱英豪

摘 要：本文介紹了一種自動室內(nèi)加熱器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。該系統(tǒng)允許用戶設(shè)定所需溫度，然后將其與由溫度傳感器測量的室溫進(jìn)行比較。在微控制器的幫助下，系統(tǒng)根據(jù)溫差自動接通兩個(gè)負(fù)載（風(fēng)扇或加熱器）中的任何一個(gè)進(jìn)行響應(yīng)。當(dāng)室溫高于設(shè)定溫度時(shí)，風(fēng)扇被觸發(fā)，當(dāng)室溫低于設(shè)定溫度時(shí)，加熱器被觸發(fā)。使用Proteus 設(shè)計(jì)和模擬系統(tǒng)，用于建筑電子系統(tǒng)的電路構(gòu)建軟件。Proteus軟件用于設(shè)計(jì)和模擬主電路，Micro-C hex文件加載到Proteus原理圖設(shè)計(jì)中。為了對PIC微控制器進(jìn)行編碼，使用了Micro-C編譯器。設(shè)計(jì)了一個(gè)5 V DC電源，以便為系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路中使用的大多數(shù)有源器件提供偏置電壓。使用Multisim軟件設(shè)計(jì)和模擬直流電源。對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

關(guān)鍵詞：電子信息工程；控制系統(tǒng)；微控制器；Zigbee

一.介紹

隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動化已成為我們生活的一部分。家庭通常是任何文化中最占據(jù)的地方。家中通常由人居住的區(qū)域，例如起居室和臥室，需要保持在可居住的溫度范圍內(nèi)。這些問題在嬰兒占據(jù)的家庭區(qū)域變得更加相關(guān)。成年人可能會找到解決“熱不適”的方法，但嬰兒可能不會。用作易腐食品的存儲區(qū)域的家庭的其他區(qū)域也需要進(jìn)行熱調(diào)節(jié)，以防止這些物品的加速腐爛。這使得在家中需要溫度控制系統(tǒng)[1]。

程序化房間加熱器控制系統(tǒng)的想法可以追溯到十八世紀(jì)，這個(gè)想法首先由一位名叫沃倫？約翰遜的教育家在俄克拉荷馬州諾曼學(xué)校獲得。在此之前，Janitors被迫進(jìn)入每個(gè)教室檢查班級的溫度，然后以類似的方式控制地下室的阻尼器。自動溫度控制系統(tǒng)是為了滿足這一需求，這促使沃倫？約翰遜停止指導(dǎo)和啟動他的電氣管理組織，該組織已經(jīng)用于概述程序控制系統(tǒng)。沃倫？約翰遜最初建立了氣動溫度控制框架，該框架考慮了房間內(nèi)房屋溫度控制的結(jié)構(gòu)和家庭。到二十世紀(jì)中葉，自動溫度控制系統(tǒng)的創(chuàng)建在企業(yè)和家庭中顯得尤為突出。最近，該領(lǐng)域的組織正在完成相當(dāng)多的工作。市場上可以快速獲得大量自動房間加熱器系統(tǒng)業(yè)務(wù)項(xiàng)目。

二.相關(guān)工作

有許多商業(yè)溫度控制系統(tǒng)可以從制造商或發(fā)明者那里購買，而且，該領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)施了大量的工作。我們的工作中如果測量值大于期望值，則冷卻器/風(fēng)扇將打開以將室溫冷卻回正常設(shè)定點(diǎn)并在其處于此狀態(tài)時(shí)關(guān)閉設(shè)定點(diǎn)。但它的不同之處在于，我們的工作考慮到了通過使用鍵盤輸入?yún)⒖贾?，可以輕松編程微控制器[2]和用戶友好性。因此，在首次編程微控制器之后不需要專家，我們的系統(tǒng)可以被任何人使用。Ian Bell發(fā)明了一種基于溫度控制系統(tǒng)的自編程加熱和冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)不易操作，因?yàn)橹灰匦戮幊蹋捅仨毰c計(jì)算機(jī)連接。在相關(guān)發(fā)明中，RE Hedges發(fā)明了一種自動溫度控制系統(tǒng)，用于自動控制物體，其一部分或一個(gè)區(qū)域的溫度，以便將所述溫度連續(xù)地保持在恒定值。在他的設(shè)計(jì)中，溫度控制系統(tǒng)只能控制一個(gè)熱源；然而，難以實(shí)現(xiàn)具有大容量，高響應(yīng)和準(zhǔn)確度的期望特征的同時(shí)和組合的溫度控制。萊文先生發(fā)明了一種用于空調(diào)房的自動溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？照{(diào)房的自動溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作簡單，能夠在空調(diào)房間隨時(shí)監(jiān)測人體溫度，并及時(shí)將相應(yīng)的信號傳送給空調(diào)，然后空調(diào)進(jìn)行調(diào)整，保證人們的健康。然而，這也是一次編程，并且需要在需要重新編程時(shí)隨時(shí)與計(jì)算機(jī)連接，因此，系統(tǒng)的操作變得復(fù)雜。盡管許多相似的溫度控制系統(tǒng)，這些設(shè)計(jì)是不容易編程和溫度調(diào)節(jié)的。該系統(tǒng)利用溫度可調(diào)和風(fēng)扇溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。這些系統(tǒng)要么是一次性可編程的，要么需要模擬調(diào)整，這種調(diào)整不準(zhǔn)確且難以使用。因此，系統(tǒng)需要計(jì)算機(jī)接口以便在需要改變參考溫度時(shí)進(jìn)行編程。

基于溫度控制的其他工作確實(shí)存在于不同領(lǐng)域和不同應(yīng)用中。這樣的工作，如電力傳輸中的電纜干擾溫度監(jiān)測，使用藍(lán)牙嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)器室溫測量，使用無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的通信室控制系統(tǒng)和溫度傳感器和基于Zigbee[3]的溫度測量確實(shí)存在。這些系統(tǒng)具有相同的成本問題以及重新編程專家的需求。

三.材料和方法

3.1 自動房間加熱器控制系統(tǒng)

自動室內(nèi)加熱器控制系統(tǒng)包括三個(gè)主要的子系統(tǒng)：電源單元，所述傳感器單元和所述控制。

由六個(gè)不同的塊組成，每個(gè)塊包含幾個(gè)組件：發(fā)送器和接收器子系統(tǒng)。傳感器塊由溫度傳感器組成，用戶定義的輸入包括鍵盤，比較器或控制單元，它基本上是由微控制器組成的系統(tǒng)的核心。一般來說，系統(tǒng)電路包括PIC16F877A微控制器，LM35溫度傳感器，LCD顯示器，晶體振蕩器，4×3鍵盤用于顯示，2個(gè)晶體管用于開關(guān)，2個(gè)繼電器也用于支持晶體管的開關(guān)效果，燈泡被建模為加熱器和直流風(fēng)扇。微控制器由晶體振蕩器提供時(shí)鐘，因?yàn)樗鼪]有內(nèi)部時(shí)鐘。連接到微控制器的是溫度傳感器LM35，它測量室溫并將值讀數(shù)提供給微控制器。微控制器的2個(gè)負(fù)載由繼電器接通和斷開。繼電器不直接連接到微控制器，而是將微控制器作為開關(guān)置于微控制器和繼電器之間，以防止繼電器損壞微控制器。連接在系統(tǒng)的每個(gè)組件中的電阻器用于限制傳遞到該特定組件的電流量。LCD連接到微控制器，用于向微控制器顯示數(shù)據(jù)饋送。

3.2 電源

電源的設(shè)計(jì)考慮了可用資源，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。大多數(shù)組件使用5V DC工作，而使用12V工作的繼電器，因此需要將主電源（約240V AC）的正常電源電壓降低到必須糾正的合理電壓（轉(zhuǎn)換為DC）并進(jìn)一步過濾以消除不需要的脈動。240V交流電源降至12V AC（12 V RMS 值，其峰值約為17V），從后面的計(jì)算中可以看出，使用電壓調(diào)節(jié)器（LM7805）進(jìn)一步調(diào)節(jié)17V 5V和（LM7812）至12V. 變壓器在計(jì)算之后使用20：1的匝數(shù)比來降低電壓，并且整流二極管（IN4001）也用于整流。

3.3 傳感單元

該系統(tǒng)的這一部分使用溫度傳感器[4]（LM35）。溫度傳感器是一種對溫度敏感的設(shè)備，它響應(yīng)溫度的變化。對于溫度傳感器的校準(zhǔn)，我們使用線性建模方法。由于它被用作基本溫度傳感器，因此1°C的溫度變化將轉(zhuǎn)換為10mV。溫度傳感器的最大電壓讀數(shù)為1V，對應(yīng)于100°C。然后將其用作編程微控制器的參考。LM35為微控制器提供從室內(nèi)測量的模擬溫度電壓。然后，該模擬信號在微控制器中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因?yàn)槲⒖刂破髦荒芙忉寯?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。LM35連接到微控制器上的PORT A，因?yàn)槟J(rèn)情況下PORTA是模擬輸入引腳。

四.結(jié)果與討論

我們使用Proteus和Multisim軟件通過仿真對我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（自動室內(nèi)加熱器控制系統(tǒng)）進(jìn)行了測試。計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果一致，雖然該值不完全等于計(jì)算結(jié)果，但大致等于該值。然后，我們比較模擬結(jié)果的峰值電壓（16.8 V），則該值近似等于17 V的計(jì)算值。

五.結(jié)論

在本文中，我們介紹了自動室內(nèi)加熱器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模擬和分析。系統(tǒng)使用PIC 16F877A微控制器作為控制單元，LM35作為溫度傳感器。通過將溫度設(shè)置在各種水平來改變輸出，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)室溫高于參考溫度時(shí)風(fēng)扇被觸發(fā)并且當(dāng)室溫低時(shí)風(fēng)扇觸發(fā)OFF而觸發(fā)加熱器。該系統(tǒng)對殘疾人非常有幫助。該系統(tǒng)可用于工業(yè)或需要將溫度保持在特定值的任何外殼。該系統(tǒng)使用Proteus 設(shè)計(jì)和Multisim軟件。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行模擬和工作。將來，GSM模塊可以與系統(tǒng)集成，以便人們能夠從遠(yuǎn)處操作其溫度控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]屈毅， 寧鐸， 賴展翅，等. 溫室溫度控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2011， 27（2）：307-311.

[2]邵貝貝. 微控制器（單片機(jī)）抗干擾能力與電磁兼容性[J]. 電子技術(shù)， 1996（11）：39-42.

[3]Gill K， Yang S H， Yao F， et al. A zigbee-based home automation system[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2009， 55（2）：422-430.

[4]李強(qiáng)， 王艷松， 劉學(xué)民. 光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2010， 38（1）：135-140.