電熱毯智能控溫系統設計

鄒佳玉 黎育紅

摘 要：傳統電熱毯結構簡單，在長時間使用后容易發生漏電的現象，并且難以對溫度進行控制，易因溫度過高影響人體健康。多功能性能的智能調溫型電熱毯，其功能模塊設計分為三大部分，智能控溫系統、智能報警系統、分塊循環控溫系統。在產品的研發過程中，完成對電熱毯電子線路布設優化方案的設計，將多種外界信號作為輸入，綜合應用單片機優選算法，輸出控制信號，進而實現對電熱毯的智能控制。

關鍵詞：溫度控制；安全警報；單片機；信號傳輸；電路優化

1 背景

電熱毯是一種接觸式電暖器具。將軟索式電熱元件呈盤蛇狀織入或縫入毛毯里，通電時即發出熱量。主要用于人們睡眠時提高被窩里的溫度來達到取暖目的。

電熱毯的溫度控制是最基本的要求，但要較為準確地控制電熱毯的溫度并不容易。其原因是感溫的元件緊密地纏在發熱線上，首先感知的是發熱元件的溫度，而不是電熱毯的平均溫度，同時受外界條件的影響，諸如布線密度、覆蓋物、環境溫度等。因為這種器具能夠產生較高的溫度，并且工作的特性讓它與人體長時間大面積的接觸，能因使用不當導致電熱毯過熱而引起打火花的危險事故。

因此，利用溫度傳感器多點采樣測溫，將溫度信號通過AD轉換器轉為數字信號，然后傳送到單片機系統（stm8s103f3p6）進行數字信號譯碼處理，通過數碼管將溫度顯示出來，同時單片機系統將處理的溫度信號與系統設定溫度值比較，進行動作（加熱、降溫、停止）選擇。當電熱毯工作異常，將由第二條控溫線路動作，達到迅速切斷電源，維護安全的效果。雙重保險，智能控制，具有較強的推廣應用價值。

2 總體方案

手動控制總開關控制整個系統電路的接通與斷開。總開關閉合，電路接通后，各部分電阻絲開始發熱，單片機環節、溫控環節和報警環節通過布置在電熱毯上的溫度傳感器的反饋對電熱毯進行檢測、控制、調節以及監控。單片機比較各個傳感器測量的溫度，將最高溫度T輸入給溫度控制環節。溫控環節設置一個上限溫度T1，一個下限溫度T2（上下限溫度可手動自己設置）。接通電源后，電熱毯開始工作，電阻絲發熱，溫度開始提高。當溫控電路檢測到電熱毯溫度到達上限溫度T1時，控溫部分就會切斷電熱毯的供電，電熱絲停止發熱。一般情況下，如果人正常入睡，天氣無大幅度變化（降溫）時，床上的溫度就可以保持在人體適合的溫度內，該溫度大于下限溫度T2，這個時候電熱毯就不會接通電源。但當電熱毯溫度低于下限溫度時，通過溫控部分的控制，電熱毯重新啟動發熱。如果系統溫控環節或單片機環節出現故障，報警電路檢測到電熱毯溫度過高，就會二次切斷電源，使電熱毯停止加熱，并且報警燈發亮、報警蜂鳴發生。電路總設計圖如下

3 電器控制

電器控制方面，分成了3個主要的方向，電熱毯溫控控制線路、溫控報警控制線路和單片機分塊溫度控制線路。

3.1 電熱毯溫控控制線路

溫度控制精度是電熱毯設計和制造中的關鍵技術，傳統電熱毯多為2檔溫度，溫度波動大，人體容易出現不良感，不能滿足多數人的舒適溫暖的需求。系統首先利用溫度傳感器采用多點測溫，將環境溫度的模擬信號轉換成 8 位的數字信號，然后并口傳送到單片機系統（stm8s103f3p6）。單片機系統將接收的數字信號譯碼處理，通過數碼管將溫度顯示出來，同時單片機系統將處理的溫度信號與系統設定溫度值比較，形成可以智能控制電熱毯加熱、降溫與停止3種工作狀態，從而實現電熱毯的智能控制。

原理圖如下

根據該設計電路焊接后實物圖如下：

溫度控制單片機控制系統

3.2 溫控報警控制線路

電熱毯溫控線路和單片機線路出現問題后，電熱毯的溫度將會持續升高，達到報警線路所設定的最高值，將會斷掉電熱毯，并且蜂鳴器發出響聲報警。

使用的電器元件包含220V/12V變壓器、溫控顯示開關、繼電器、發光二極管、蜂鳴器。

其電路圖如下所示：

3.3 多點選溫控制

在電熱毯上選擇兩個合理位置布置兩對溫度傳感器，比較這兩點溫度，將最高溫度輸入給溫控電路進行控制，避免了局部溫度過高的現象。RT1和RT1為一對溫度傳感器，處于同一位置；RT2 和RT2為一對溫度傳感器，處于同一位置，分別測量兩點的溫度。傳感器阻值隨溫度升高而降低。利用橋式電路如圖所示，比較RT1和RT2兩端的電壓，并分別輸入比較器的負極和正極，然后將比較器輸出端與繼電器連接，進而改變繼電器連通的電路，其中RT1和RT2分別接繼電器的常開和常閉端。

其電路圖如下所示：

調控：RT1，溫度高，阻值低，電壓低，比較器輸出高電壓，RT1導通。

RT2，溫度高，阻值低，電壓低，比較器輸出低電壓，RT2導通。

3.4 單片機分塊溫度控制線路

主要元件是51單片機，通過數據緩沖器，對來自布局在電熱毯的數字壓力傳感器和數字溫度傳感器傳輸的數據進行優化分析，輸出對連接在各分區電熱絲供電線路上的繼電器的控制信號，達到優化開斷控溫的目的。同時，單片機會實時的把溫度值通過兩片鎖存器傳輸到顯示數碼管，使用戶對電熱毯當前狀態有一個清楚的認識，達到人性化控溫的目的。

4 創新與特色

智能控溫：自動控溫系統中，插上電源并接通開關，電熱毯控制器將自動讀取當前設定的溫度，再經過采樣電路、AD轉換、數字譯碼測量出當前的電熱毯溫度，判斷下一步動作，實現了對電熱毯的溫度更加精確的控制。

報警系統：當溫度控制系統不正常工作，此時智能電熱毯的安全報警系統將被觸發，二次切斷線路并通過報警鈴聲提醒使用者安全隱患。

分區控制：可根據使用者的需求，分塊進行控溫，采用負反饋控制方式，由過零檢測模塊捕捉正弦交流電過零點，同時產生同步脈沖作為控制雙向可控硅移相調壓的基準，改變三路加熱源的輸出電壓。系統采用增量式PID控制算法，將ADC采樣的溫度值作為反饋參數，實時調整功率輸出量，以保持溫度恒定在用戶設定目標值附近。

參考文獻

[1]王國軍.基于ATmega64的多回路智能控溫系統的研究和設計[D].江蘇大學，2010.

[2]王峰，孟立凡，王沖.基于單片機的溫室調溫系統的設計與實現[J].電子世界，2011，（10）：57-58.