碳晶地板温度控制系统技术报告.docx

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碳晶地板温度控制系统技术报告

吉林省大学生创新创业训练计划

项目申请书

推荐学校北华大学

项目名称智能调温电热地板控制系统

项目类型创新训练项目□创业训练项目□创业实践项目

所属一级学科名称控制科学与工程

所属二级学科名称电力电子与电力传动

项目负责人王巨龙

申报日期2015年04月16日

吉林省教育厅制

二○一四年三月

项目名称

智能调温电热地板控制系统

项目类型

（√）创新创业项目（）创业训练项目（）创业实践项目

项目实施时间

起始时间：

2015年5月完成时间：

2017年5月

申请人或申请团队

姓名

年级

学校

所在院系

/专业

联系电话

E-mail

主持人

王巨龙

2013

北华大学

电气信息工程学院

186********

946987619@

成员

卜俊乾

2013

北华大学

电气信息工程学院测控技术与仪器

133********

594093841@

谭江林

2013

北华大学

电气信息工程学院测控技术与仪器

186********

1326735995@

张

指导教师主要成果

姓名

王宇鸿

研究方向

电气自动化电子信息

年龄

43

行政职务/专业技术职务

副教授

王宇鸿：

1.光伏储能控制策略的研究与实践，吉林省教育厅，第三名，2014年。

2.高性能电流型变频器关键技术研究，吉林省教育厅，第二名，2014年。

3.基于负载识别技术的预付费式用电智能计量管理系统，吉林省教育厅，第十名，2012年。

4.冶炼生产过程集成优化系统设计与实现，吉林省教育厅，第四名，2012年。

5.精密磁悬浮定位平台控制策略研究，吉林省科学技术厅，第三名，2009年。

6.微电子制造领域中的精密定位平台的研究，吉林省教育厅，第四名，2010年。

7.Cross-high-spectrumESPRITAlgorithmandDSPRealizationonPowerHarmonicsDetection，MEC2011—41（EI），第一作者，2011年。

8.数字系统设计，航空工业出版社，编著，2007年。

9.EDA技术与数字系统设计，电子工业出版社，编著，2007年。

10.继电保护原理学习指导（第二版），中国电力出版社，主编，2011年。

孙继元

研究方向

检测技术与自动化装置

35

行政职务/专业技术职务

讲师

11.

指导教师主要成果

孙继元：

教研：

1.2006年，吉林省大学生电子竞赛，吉林省三等奖

2.2007年，全国大学生电子竞赛，国家级一等奖

3.2008年，吉林省大学生电子竞赛，吉林省一等奖

4.2008年，飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛，东北赛区二等奖

5.2009年，全国大学生电子竞赛，吉林省三等奖

6.2009年，飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛，东北赛区三等奖

7.2010年，吉林省大学生电子竞赛，吉林省二等奖

8.2010年，飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛，东北赛区三等奖

9.2011年，吉林省大学生电子竞赛，吉林省二等奖

10.2011年，飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛，东北赛区三等奖

11.2012年，飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛，东北赛区二等奖

12.2013年，吉林省大学生电子竞赛，吉林省二等奖

13.2013年，飞思卡尔杯全国大学生智能车比赛，东北赛区二等奖

14.2007，优秀毕业设计指导教师，校级优秀奖

15.2009，优秀毕业设计指导教师，校级优秀奖

16.2012，优秀毕业设计指导教师，校级优秀奖

17.2013，优秀毕业设计指导教师，校级优秀奖

18.2008，国家级大学生创新性实验计划项目，合格

19.2009，国家级大学生创新性实验计划项目，合格

20.2010，校级大学生创新性实验计划项目，合格

21.工程对象教学法培养创新能力的应用研究，实验技术与管理，第一作者，核心期刊，2014年。

22.论培养电气信息类本科学生的创新实践能力，科技信息，第一作者，省级期刊，2011年。

科研：

1.新型室内停车场管理系统的设计，吉林省教育厅，第一名，2014年。

2.仓库火灾预警机器人控制系统，吉林省教育厅，第一名，2010年。

3.交流电机全数字智能软启动综合保护系统，吉林市科学技术局，第五名，2013年。

4.数字化整流器的研究，国家级，第四名，2012年。

5.新型精密磁悬浮定位平台的开发，吉林市科学技术局，第四名，2010年。

6.双因子认证的人员身份自动识别技术研究与应用，吉林省教育厅，第五名，2008年。

7.thedesignofintelligentelectricvehiclesbasingonvisualnavigation，ISTM/2009（ISTP），第一作者，2009年。

1、项目实施的目的、意义

碳晶地板温度控制系统是一款基于太阳能、风能以及220V供电的新能源双闭环温度可控地板供热系统。

本系统采用STC12C5410AD单片机作为控制核心，以DS18B20作为温度传感器、T435800W双向可控硅作为220V交流电的开关、1602显示反馈温度。

主控制器给子控制器给定调控温度，DS18B20反馈采集温度给主控制器，主控制器通过控制T435800W双向可控硅使地板温度维持在可控范围内，以达到维持温度的要求。

它适用于我国南方，山区，农村等太阳能及风能充足的地区。

目前，家庭供暖技术已经深入大多数家庭，但是随着对供暖设备需求的增大，供暖设备和方式仅限于一般的空调制热和集中式的暖气片供暖系统。

然而集中式的暖气片供暖系统仅在我国北方偏寒冷的地区得以大规模采用，而南方城市、农村及偏远地区绝大多数是采用空调制热供暖，暖炉供暖甚至没有供暖系统。

而这一方式不仅耗能巨大，而且污染环境。

基于新能源，一种全新的供暖方式——碳晶地板温度控制应用而生。

本款碳晶地板温度控制系统采用家庭220V、风能和太阳能供电。

在利用多种能源的基础上，体现了节能减排的理念。

同时，本系统结构简单、易于控制，造价低廉等优点迎合了市场的需求。

本系统设计的理念即在节能减排的基础上解决多数地区冬天供暖系统不足而设计的一种更高效、更经济的供暖方式。

首先，通过地板对于室内温度的加热和控制不仅比空调供暖更加全方位以及高效，而且，地板所采用的双闭环控制系统的反馈机制使得地板在室温控制方面具有更加敏捷的反应。

使得能源得到进一步的节约以实现最大程度的利用。

同时，广泛的采用多种能源供电的这套系统适应了南方多风及日照充足的环境，大胆使用新能源适应了将来面向新能源的发展方向。

由于太阳能，风能等产品市场上已经有很多，在本报告中就不多做介绍。

2、项目研究内容和拟解决的关键问题

碳晶温控地板主要实现的功能就是控温，在这个方向上我们用DS18B20实现采集温度。

当上位机向子系统发送设定温度时，子系统当前采集温度与设定温度进行对比，当比设定温度低时，控制光耦-双向可控硅打开；当比设定温度高时，与之相反。

我们以串口通信的方式实现上位机与子系统之间进行通信，正因如此才实现温度反馈。

我们为了增加这个系统的实用性，我们增加了远程遥控的能力手机与中央电脑之间的通信、zigbee通信模块，当你在远处时就可以对自家进行调节达到你适合的温度。

本系统采用STC12C5410AD单片机作为控制核心，以DS18B20作为温度传感器、T435800W双向可控硅作为220V交流电的开关、1602显示反馈温度。

主控制器给子控制器给定调控温度，DS18B20反馈采集温度给主控制器，子控制器通过控制T435800W双向可控硅使地板温度维持在可控范围内，以达到维持温度的要求。

在我们研究这个系统时，主要是处理以下几种问题：

1.12v稳压电路模块；

2.5410最小系统板及5v稳压电路

3.通过5410串口通信实现温度传输；

4.通过手机网络模块来实现远距离温度控制；

5.利用18b20来采集温度；

6.如何进行串口与zigbee之间的转换。

7.如何解决温度的实时传输问题

8.如何将太阳能转化为家居可用的电能

3、项目研究与实施的基础条件

1、自身条件：

本项目团队成员都是从大一军训后就开始对单片机学习和系统设计；具有多年的系统开发经验，团队各自专业所具备的基础知识和学习能力很强，成绩优秀，对实验室的各种实验项目兴趣浓厚，积极参加。

而且作为大学生的我们已经具有了一定的基础知识，和各个专业的知识。

在实验室形成了一只热爱实践创新的大学生团队。

2、前期研究：

项目成员在十月份开始筹备本项目，不但收集了大量的资料，部分的系统完成了调试，取得了初步的成果，在学校和实验室提供的材料以及资金的条件下，使碳晶地板系统的研究奠定了基础。

同时，实验室内的学长正在研究光伏发电和风力发电的课题，有配套的太阳能技术可供支持。

3、外部条件：

学校提供工作室一间以及日常生活所必需的水、电、网络等资源。

北华大学智能电力电子装备工程研究中心（以下简称研究中心）提供常见电子元器件以及相关基础工具。

研究中心的领导、博士以及多名研究生作为此项目的技术支撑，在高级算法以及相关理论方面提供支持。

4、项目实施方案

设计碳晶温控地板遵循以下几条原则：

1.地板升温较快2.碳晶发热片和在上面附加的单片机及各种元件模块的总体厚度不能超过0.5毫米3.整体线路要有较好的防水性能。

●具有无线遥控功能；

●闭环控温功能；

●实时传输数据功能；

1、系统结构

（1）系统硬件设计。

通过分析碳晶地板发热及串口通信原理，确定结构模块化的硬件设计思路，分别进行摄像头AC-DC和DC-DC稳压模块、温度采集模块、光耦-双向可控硅模块、zigbee传输模块、串口通信模块和实物电路的设计等组成。

（2）结合碳晶地板的硬件结构，进行软件编程部分的工作。

按照碳晶地板的升温控温原理和温度反馈主程序的设计。

（3）结合光伏发电的成果将新能源与本设计结合使之成为多能源供电的新型智能家居。

（4）系统调试和实验结果分析。

首先对系统的各个模块进行相关调试和检测，然后组装模型，进行对地板升温控温实验，验证理论设计方案的合理性。

2、模块设计方案

（1）太阳能发电模块：

太阳能光伏发电系统是利用光伏组件半导体的“光伏效应”，将太阳光的辐射直接转换为电能的一种新型的发电系统，光伏并网发电系统有光伏列阵、变换器等组成。

变换器将光伏电池的输出直流电逆变成正弦交流电并入电网，控制其控制光伏电池最大功率点跟踪和逆变器并网电流的波形、频率和功率，是光伏发电系统向电网输送的功率是光伏电池工作的最大功率。

图2-1-1太阳能光伏发电板

（2）光伏逆变器作为一个完整的系统，其输入为太阳能电池板输出的功率变化的直流电，经过全桥逆变后输出和电网同频同相的交变电流，光伏逆变器向电网输送能量的前提条件是太阳能电池板提供的能量大于系统工作本身所消耗的能量。

针对图2-2-1所示的家用经济型光伏逆变器整体硬件框图，设计适合系统工作要求的供电电源是保证系统运行的关键。

由于光伏逆变器并网的条件之一是必须接入电网，在没有电网的时候要求能及时停止运行来保护整个电网的安全，并输出孤岛保护状态，方便人为检修。

图2-6为基于Boost和全桥拓扑的光伏逆变器系统供电框图，整个系统直接从Boost输出处获得工作所消耗的能量，其中辅助电源为系统所有低压控制器和驱动器提供合适的电源电压，整个方案采用集中式供电，直接将所有用电设备需要的电源电压通过辅助电源供给。

该框图主要实现的功能是给光伏逆变器的控制器DSP2812和IGBT驱动器提供能量，保证系统能在接入电池板后能正常工作，之所以选择从直流母线上获取能量，主要是考虑到光伏逆变器模块不能从电网或者太阳能电池板处获取工作的能量。

如果供电电源的能量取自电网，那么逆变器一旦因电网出现故障进入孤岛状态，将因无法获得控制电而停机，无法输出孤岛保护状态，此时逆变器也无法监控太阳能电池板，从而给维护带来困难，而且这种取电方式还会在夜间消耗电网的能量，提高满足光伏逆变器夜间耗电量小于1W的设计指标要求的难度；另外，光伏逆变器的供电能量不能直接取自太阳能电池板，因为电池板的输出电压受光照条件、温度和天气影响较大，例如当天空中出现一些云朵遮挡住太阳光时，太阳能电池板的输出电压急剧减小，如果这时逆变器的工作能量取自太阳能电池板的话，那么逆变器就会出现因供电电压过低而突然停机，而这时母线中可能还存储有较多的能量，这种主回路先于控制回路断电的情况将显著增加逆变器的安全隐患。

为了增强系统的稳定性，将供电电源的输入点选择在母线电压处，相比较太阳能电池板的输出电压，直流母线电压的储能更大、电压波动更小，可实现更加稳定可靠的输出，而且只需合理设置启动和关断电压即可满足对太阳能电池板带电情况下的连续监控的需求,并能保证夜间耗电量小于1W；另外，只要在母线电压低于一定值时，控制回路才断电，保证了功率电路先于控制回路断电，因此将母线作为逆变器供电电源的输入点是最合理、最稳定、最符合设计要求的选择。

图2-2-1

（3）AC-DC和DC-DC电路模块：

这个项目中AC-DC电路是在主控制盒中。

如图2-3-1为220V~5V原理图，由220V交流电通过变压器再通过7812稳压芯片达到12V，如图2-3-1为7812。

如图2-3-3为12V~5V原理图，DC-DC电路是在每块实验板上将12V稳压到5V，如果在主控制盒中降到5V，那么在传输电能中会有电能损耗，最终比5V小很多，导致硬件系统不稳。

图2-3-1大功率7812

我们通过多次的实验可以得到在多个负载并联使用时用普通的7812时会发烫，所以我们用大功率的7812来减少对电流的限制，同时由于外部封装是金属结构，可以有效的散热。

图2-3-2220V-5V转换电路

图2-3-312V-5V转换电路

（4）温度采集模块：

我们这次采用的是DS18B20温度传感器，如图2-4-1，这种传感器应用起来比较方便，同时价格也比较便宜

图2-4-1DS18B20应用原理图

（5）光耦-双向可控硅模块：

光耦内部相当于有一个发光二极管和一个光电二极管

当从单片机发送一个高电平时，内部发光二极管发光，导致光电二极管导通来控制双

向可控硅导通，当从单片机发送一个低电平时，恰好相反。

如图2-5-2为光耦，光耦相当于一个控制双向可控硅通断的开关，而双向可控硅相当于继电器控制220v的通断，由此实现了弱电控制强电。

如：

图2-5-1为双向可控硅，图2-5-3为光耦-双向可控硅原理图。

图2-5-1双向可控硅图2-5-2光耦

图2-5-3光耦-双向可控硅原理图（moc3022为光耦T435880W为双向可控硅）

（6）温度传输模块：

温度传输模块分为子系统和上位机两个部分。

上位机则在主控制盒内，而子系统则附着在碳晶地板之上。

上位机向子系统不停地发送温度传输指令，子系统当接收到指令时，子系统的温度采集模块把检测到温度通过串口通信的方式向上位机传递温度数据和地板模块子系统的标志位，当上位机接收到子系统的标志位和温度数据时，要分辨出温度数据和标志位，再将温度数据显示在液晶显示器上。

图2-6-1子系统原理图

注：

子系统以STC12C5410AD单片机最小系统为核心，在外围加上了DS18B20温度传感器、光耦-双向可控硅控制电路及12V-5V转换电路。

（7）控温模块设计：

当上位机向子系统发送设定温度是，则子系统负责检测设定温度与当前采集温度的大小进行比较，当设定温度大于当前采集温度时，则子系统控制光耦-双向可控硅模块打开，使地板两端附加220V电压起到加热地板作用；当设定温度小于当前采集温度时，则子系统控制光耦-双向可控硅模块断开，使地板两端电压为0V；如图2-6-1为子系统原理图，图2-6-2为上位机原理图。

图2-6-2上位机原理图

注：

上位机系统以STC12C5410AD单片机最小系统板为核心，图上六个按键包括子系统发射设定温度和设定温度自加自减按功能，1602则负责显示设定温度和每个子系统当前温度状况。

（8）系统整体硬件结构:

位于主控制盒内的上位机系统向子系统以串口通信的方式发出指令，当从机接到指令时做出如（4），（5）的。

整个系统整体硬件结构如图2-8-1.

图2-8-1系统整体硬件结构原理图

（9）Zigbee传送通信模块：

将基于zigbee芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家具设备中去，组成机遇zigbee的无线网络家庭控制网络技术，根据自己的需要用户可以接入或者移除不同的设备，通过这些无线网络收发器模块在各子网络之间的数据传输的节点，是指在家庭内的无线设备的网络互连，使他们能够协作，自动运行，在设计中既能利用现有的无线通信网络也可以通过Internet网络进行数据传输，如3G网络，以便用户可以随时随地的接入家庭网络。

在家庭网络内网中，只需要一个具有无线接口管理功能的zigbee模块相连，通过应用界面便可通过中央主控电脑或手持终端进行设备控制与状态查询。

系统构架如图2-9-1

图2-9-1zigbee通信中转方式示意

（10）程序流程结构：

整个碳晶地板以串口通信为通信渠道，建立上位机与子系统

之间的关系，在此基础之上才可以实现温度的调控及各个部分的温度显示，通过上位机检测按键实现调温的功能，通过光耦-双向可控硅实现控温的功能。

碳晶地板的程序流程图如图2-8-1.

图2-10-1程序流程图

（11）碳晶地板的实际应用：

口通信方式将数据再发给主控箱。

主控箱中的主机经由蓝牙模块再将实时数据传给手机终端。

手机可利用APP同样适用蓝牙的方式给主控箱发送温度指令以达到闭环控制。

如图2-11-1所示。

图2-11-1

3、开展工作的组织机构及管理系统

（1）本次创新项目由王宇鸿、孙继元老师指导，王巨龙、卜俊乾和谭江林等同学开展，研究中心具有系统的管理方法，资深的学术沉淀和浓郁的学习气氛，培养了大批优秀的技术型人才。

孙继元作为研究中心的资深指导老师，具备扎实的理论基础和丰富创新的指导思想，长期带队参加省内或全国的电子竞赛和省内的或全国的创新项目，多次获得优异的成绩，同时，项目组成员长期在研究中心学习具有一定的理论基础和实践能力，个人能力极强。

（2）主要实施措施：

项目开展后，组成人员将在指导老师的耐心指导下按照总计划严谨的实施，在研究中心提供的实验室，利用研究中心的相关高等的实验设备，分工协作，各需所长，积极配合尽自己全力完成此次创新项目。

（3）预期日程如下：

时间

项目实践进程

2015-05-01—2015-08-01

进行硬件设计研究

2015-08-01—2015-10-01

学习主控芯片以及单独的模块调试

2015-10-01—2015-12-01

阶段性总结，在计算机上仿真各个模块的原理

2015-12-01—2015-01-01

进行模块组合

2016-01-01—2016-03-31

2016-03-31—2016-04-01

确定具体方案，进行硬件设计与功能的实现，同时开始第一篇论文的撰写

2016-04-01—2016-07-01

初步制作通信模型并调试

2016-07-01--2016-08-01

进行阶段性的总结整理和下阶段计划

2016-08-01--2016-10-01-

完成第一篇论文的发表，制作地板模型

2016-10-01--2016-12-01

完成制版、焊接等工作，同时开始第二篇论文

2016-12-01--2016-03-01

进行系统组装及调试

2017-03-01--2017-04-15

根据调试结果进行优化与调整

2017-04-15--2017-04-30

2017-04-30--2017-05-01

对整个项目进行资料整理和总结，完成第二篇的论文的发表

2017-05-01

进行结题答辩

注：

在以上日程中，除节假日，如寒暑假提前返校外，项目组成成员将在课余时间积极进行项目研究，在整个过程中，以不影响项目组成成员的课程学习为前提，同时在老师将在定期组织成员进行项目探讨和检查任务完成情况。

（4）校内外的保障条件

●经费配套：

该项目国家教育厅给与经费支持，同时学校、学院均将给与经费补助以及相关的实验设备。

●场地：

该项目所需场地将由研究中心提供，所配置的实验室有研究所需的部分仪器。

●指导力量：

指导老师将密切跟踪整个项目过程，督促学生及时准确的完成任务，给出具体的指导，让同学们少走弯路，同时，研究中心将派出专业理论知识的研究生和博士生进行理论指导，让同学们研究出创新的算法。

（5）项目管理办法的简要介绍

●高度重视组员在研究过程中的安全问题，永远将安全放在首位。

●在研究过程中如发现因项目实施原因导致组员学习成绩下降，项目组将给与警告一次，如不能及时改正，该成员将自动退出项目组，项目组根据实际情况再决定项目组成员。

●项目资金由学校统一管理，每次组员的购买器件的资金先由组员垫付，回校凭发票报销。

●制定相关制度，使组员积极参与到创新项目当中。

●考虑到组员可能因为意外事故或事情不能继续参与项目研究当中，对于组员的选定制定好相关的制度。

5、学校可以提供的条件

课题组成员为北华大学电气信息工程学院大二和大三学生，都已完成了《电子技术基础》、《电路》等课程的学习，对于研究项目内容已具有一定的专业知识和实验操作技能；课题组成员头脑灵活，有强烈的团队精神，对创新有浓厚的兴趣；指导教师均具有扎实的理论知识和丰富的科研经验，可为项目开展提供有力的保障。

●场地和设备：

学院工程技术研究中心提供开放式实验室和其他实验场所，配备必备的实验仪器。

●图书资料：

学校图书馆藏书丰富，可供项目组成员借阅相关书籍，用来进行项目研究。

●政策保障：

学校及院系有完善的系统管理措施。

凡省级立项课题，学生完成课题追加学分，视具体情况给与必要的奖励，指导老师追加工作量同省级立项课题，也视具体情况给与奖励。

●配套经费：

学校给与充足的经费配套以及设备配套。

6、预期成果

本项目旨在培养项目组成员的动手能力和协作精神以及创新意识和创新思维。

通过该项目的完成，项目组成员提高了创新意识和创新能力，为今后的发展打下基础。

1.实践成果：

（1）实物样品碳晶地板一套。

（2）相应的控制程序一份。

（3）公开发表论文二篇以上。

（4）性能测试等实验报告二份。

（5）完成项目总结报告一份。

（6）该项目的心得五份。

（7）教学课件（PPT）一份。

2.实践成果应用：

（1）2017年6月中旬召开结题汇报会和实践创新训练项目的经验交流会，进行宣传并激励更广大同学参与实践锻炼中，提高自身的综合素质。

（2）实践所得到的一系列数据分析以及所得出的相关结论，为有关科研部门提供有利的参考依据。

七、经费预算

明细表（单位：

元）

支出项目

明细

小计

耗材费

制板费

200

8000

电子器材

7000

工具

400

底盘及其他耗材

400

防护用具购买

500

资料费

书籍

500

450

印刷