基于PLC的智能加熱座椅系統

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，通過溫度檢測模塊將外界環境溫度轉化成電壓信號的模擬量輸送給PLC，PLC與設定溫度進行比較，計算差值，并調用差值，調用內置的PID運算程序，設定脈沖寬度，產生PWM波來控制調節加熱器的通斷，實現系統的溫度控制。該裝置通過太陽能電池進行持續供電，并運用壓力傳感器等裝置實現自動加熱、保持恒溫和自動斷電的功能。裝置的智能系統使得人們在使用時沒有障礙，其體積小、重量輕的特點也便于人們的攜帶。

關鍵詞：PLC;坐墊;溫度控制

1.項目背景

目前，國內外對于熱力學的研究已相對成熟，能通過運用電磁學，分子力學等多方面知識使用相關設備將其他能量轉化為熱能，從而對物體供熱。這些技術在工業生產生活等方面都已經有了廣泛的使用。但絕大部分都仍處在大型機械的使用上，未能普及到日常生活中。

隨著社會，經濟的發展，人們對生活舒適度有了更高質量的追求，而面對冬季嚴寒，保暖成了人們首要的需求。過去我們都遇到過冬日久坐，由于體溫與外界溫度差值過大，沒有適當的的導熱工具，而出現瑟瑟發抖，四肢冰涼等常見失溫現象，影響人們的日常生活作業。本團隊致力于研發一款結構簡單，便于攜帶，能夠幫助人們解決身體寒冷問題的自動加熱座椅裝置，有效彌補目前市面上采用傳統電阻隔熱方式的加熱裝置的缺陷。

2.裝置設計

2.1功能設計

裝置主要部件分為系統硬件和軟件設計，硬件包括外部結構構造（開關旋鈕，導熱材料，插電孔以及插頭導線）與內部電路集成模型，軟件包括PLC程序設計與基于模糊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。具體功能設計如下：

（1）首先使用時，將插頭插上，啟動開關，各部分設施進行預備運轉，進入預處理階段，完成系統初始化。

（2）實時采集溫度。當當前溫度低于設定溫度3℃時，啟動升溫控制電路，對裝置持續加熱，當當前溫度高于設定溫度1℃時，啟動溫度控制裝置，對加熱裝置進行控制。

（3）恒溫處理。將采集到的溫度與預設溫度值進行比較，計算其偏差量，然后根據差值，利用經典PID控制算法計算出調控量，最后輸出相應PWM控制量給外部的驅動電路，從而達到控制被控對象水溫的目的。

2.2功能實現

2.2.1加熱

本裝置以AT89C51單片機作為控制核心，以DS18B20作為溫度傳感器。AT89C51單片機是一種帶4K字節FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51單片機由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為溫度控制提供了一種靈活性高且價廉的方案

DS18B20是美國Dallas公司開發的一款智能溫度傳感器，采用單總線傳輸方式，能夠實時準確的將環境模擬信號轉化輸出為數字信號，其測量范圍為-55℃—+125℃，測量精度為0.5℃，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

電路設計原理圖如下：

本裝置加熱思路如下：以AT89C51單片機為核心，采用DS18B20作為溫度傳感器實時感溫，LCD1602作為顯示屏實時顯示當前溫度t以及操作者預設溫度T，利用PID控制算法進行編程，根據實時溫度與預設溫度的數值大小進行判斷，從而實現繼電器閉合與斷開實現對加熱電阻的控制，從而實現加熱這一操作。除此之外，本電路系統還設置了相應的報警模塊，如因出現T=t時繼電器未斷開等情況而導致電阻絲繼續加熱，而導致設備溫度超過T，則蜂鳴器持續發出報警音且警示紅燈LED常亮，用以提醒操作者注意潛在安全隱患問題。

例如實時溫度t為16℃，操作者通過按鍵上下調整預設溫度T為19℃，則繼電器閉合電阻絲加熱，當設備溫度上升大于等于19℃時，繼電器斷開，電阻絲停止加熱。若實時溫度大于19℃，則蜂鳴器報警，紅燈常亮。

2.2.2保溫

當溫度到達指定溫度時，裝置進入下一階段，實現對溫度的控制，保證其保持在設定溫度附近。

本系統采用閉環的控制方式，對溫度進行采集，通過PID（比例-積分-微分）的控制方法，其控制策略結構具有比較簡單靈活，穩定性強，易于實現等優點，是一種較優的控制算法。

系統根據給定值PV與檢測值SP進行比較，得到偏差e（t），通過PID控制策略，對加熱裝置進行控制，從而維持坐墊溫度在設定值附近。使用PID溫度控制策略，控制精度相對比較高，可以使穩態精度達到±1℃。

具體控制原理如下：

首先控制信號由2個部分組成，一是內部傳感器測得的裝置各個部位溫度，二是外部傳感器測得的外界溫度。該信號經放大和A/D轉換后，轉換為控制系統能識別的電壓信號，并經D/A轉換、電壓放大后，用于升溫系統。當溫度達到設定的恒定溫度時，啟動恒溫控制系統;當溫度低于某個值時，啟動升溫系統。整定Kp，Ki，Kd三個參數，并將三個參數進行PID運算后經模擬量輸出模塊輸出給變頻器的調節其頻率 從而改變內部發熱驅動的電子傳輸速率調節熱量，從而實現恒溫.

2.2.3蓄能

運用太陽能電池進行持續供電。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。我們將許多個電池串聯或并聯起來使之成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣，并將其安裝在加熱裝置的表面，以達到持續供電的目的。

除了能夠直接供電的太陽能電池，我們還安裝了蓄電池。充電儲能的蓄電池采用鋰電池，并圍繞該電池進行充、放電電路設計。其中，鋰電池充電芯片采用TP5410，通過降壓、穩壓器LM2596穩壓得到的5V電源作為充電電壓進行充電。當出現雨天或夜晚等沒有光照時，在無法使用太陽能供電的情況下，蓄電池就將發揮用場。這一安排使得裝置在各種使用環境下都能夠被運用，大大提高了可用性。

2.3材料選擇

除了滿足產品的加熱、恒溫，蓄能功能外，材料的選擇也是產品功能效率的重要體現，在考慮其效率，導熱量，安全性，經濟性等多方面因素下，結合目前市面上所有的導熱材料，選擇適配功能需求的材料顯得尤為重要。

發熱片擁有眾多類別，不同材質的發熱片特性不同，應用領域也不同。硅膠發熱片因其性能穩定、鋁箔加熱片，安全可靠被廣泛應用于加熱和保溫設備。

電熱片是一種將電能轉換為熱能的薄式加熱產品，其主要的工作原理是通過內部電阻發熱絲來散發出熱量，薄式電熱片有眾多優點。

1.電加熱器電源穩定性高，無熱損失，傳熱率大于98%;

2.電熱片的內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自身的溫度來調節電阻，即當溫度升高時，電阻增大，從而降低功率，即電加熱片的所謂溫度自限功能。同時可配備溫控開關和雙重保險，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，內阻方向可對應不同的指標。成品已通過高壓和絕緣電阻測試，可安全使用;

4.電加熱器的內阻電路是嵌入式的。由于它具有溫度迅速上升和散熱迅速的特點，因此比傳統電氣元件具有更長的使用壽命，并且不易氧化。

5.在安裝方面也更舒適，即無需太多人力物力即可立即安裝和使用，厚度相當薄，幾乎不占用空間，大大降低了生產成本;

6.薄電熱板是一個扁平的熱源，因此熱量不會過于強烈。據了解，它還將生產比傳統電加熱元件產生的干熱或濕熱更為用戶接受的紅外熱能。

2.4外觀與結構設計

在外觀與結構設計方面，采用一體化結構模型，將溫度變送器、PLC、指示燈、按鈕、選擇開關，變頻器等相關硬件按一定順序放入包裝內，只留一個導線孔與插頭相連，保證穩定的電流輸出。實現外部使用與內部系統相隔絕的狀態，既保護了內部系統不會被外力破環，實現使用的透明化，又增強了美觀性。具體結構圖如下：

3.總結

本文詳細介紹了新型座椅加熱系統的具體實現過程，通過將PLC和相應的電子元器件、溫度傳感器、變頻器、執行電機等結合在一起實現了對座椅加熱恒溫控制的自動化和智能化，高效滿足不同人群對溫度的需求。在加熱設計方面，以AT89C51單片機作為控制核心，以DS18B20作為溫度傳感器，實現繼電器閉合與斷開保證對加熱電阻的控制。在恒溫設計方面，以PLC為核心，采用閉環控制，使用經典PID算法，計算溫度差，控制內部發熱驅動，實現溫度控制策略。在蓄能設計方面，采用太陽能電池與蓄電池并用的方式，以適應產品在不同環境下的供能量，既滿足裝置的能耗需求，又提升了裝置的環保節能理念。在選材方面，選擇導熱量大，導熱率高的加熱材料硅膠發熱片，在保證產品安全性能的前提下，提高產品的使用效率。在產品設計方面，采用一體化封裝式結構，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，有效保證產品的經濟效益。

綜上所述，該裝置成功實現了集加熱，保溫，蓄能三位一體的智能座椅加熱系統，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。

參考文獻

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