智能电热毯的设计论文.docx

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智能电热毯的设计论文

哈尔滨理工大学

毕业设计

题目：

基于单片机的智能电热毯的设计

院、系：

荣成学院电气工程系

姓名：

指导教师：

系主任：

2014年6月10日

基于单片机的智能电热毯的控制

摘要

电热毯控制器从八十年代初控制器只设开、关两档、不能调温，到80年代中期控制器设高、底、关三档，具有简单调温功能，90年代研制生产出无级调温、自动控温的电热毯；目前正向国际先进的定时调温、电脑程序控温和自动恒温方向发展。

因此要使恒温电热毯控制器真正走人千家万户，非常有必要设计一个好的温度控制和控制器对其控制，满足大众对其在安全、舒适、操作方便等方面的要求。

本设计为一个基于51单片机控制，可以显示设定温度、加热时间与实际温度的恒温电热毯控制器。

本设计中选用了AT89C51由于采用小引脚封装所以价格仅与低档单片机相当。

本设计采用DS18B20做温度传感器。

温度范围控制在10℃~50℃范围内，将传感器输出的数字信号经由单片机后控制显示部分与温度控制部分，从而实现对电热毯的恒温控制与室温显示。

在整个设计中，本人按照系统的功能划分子系统结构，对系统进行规划设计。

本论文的结构安排也是按照这样的流程进行的。

关键词AT89C51；DS18B20；恒温电热毯控制器

Basedonsinglechipmicrocomputercontrolofintelligentelectricblanket

Abstract

Electricblanketcontrollerfromtheearlyeightyscontrollerset,onlytwofiles,nottemperatureadjustment,Bytheendofthemid-80-scontrollersethigh,andclosethreegears,withsimpletemperatureadjustmentfunction,Inthe90s,thedevelopmentandproductionofsteplesstemperaturecontrol,automatictemperaturecontrolofelectricblanket；Isthetimingoftheinternationaladvancedthermalcontrol,computerprogramcontrolmoderateautomaticconstanttemperaturedirection.Sowillmaketemperatureelectricblanketreallyleavehomecontroller,isverynecessarytodesignagoodtemperaturecontrolandcontrollertocontrol,meetthepublicinthesafe,comfortable,convenientoperation,etc.

Thisdesignisbasedon51singlechipmicrocomputercontrol,Candisplaythesettemperature,heatingtimeandtheactualtemperatureofconstanttemperatureelectricblanketcontroller.ThisdesignusesAT89C51asthetraditionaloperasfootencapsulationsopriceonlywithcheapsinglechipmicrocomputer.ThisdesignUSESDS18B20temperatureissensor.Temperatureiscontroledintherangeof10℃to50℃.Theanaloginputvoltagevaluesintothecorrespondingtemperaturecontrolofelectricblanketconstanttemperatureandroomtemperaturedisplay.Inthewholedesign,Iaccordingtothesystemfunctionaldivisionofthesubsystemstructure,planninganddesignofsystem.Thestructurearrangementofthispaperisaccordingtothisprocess.

KeywordsAT89C51;DS18B20;Blanketcontrolleroftemperaturecontroller

第1章绪论

1.1设计的背景与设计的意义

随着科学技术的不断进步，人类对科技产品的要求已不仅仅是停留在功能性满足的层次上了。

电热毯的发展趋势逐渐转移到安全、可靠、舒适、耐用、易操作、差异化定制等人性化的角度上来，温度控制器作为最基本也是最具有改良潜力的部件，越来越受到电热毯生产企业的重视。

早期的温度控制器多使用模拟元件，从只有开、关两档、不能调温，到后来能由控制器设置高、低、关三档，具有简单调温功能。

十几年的时间内，控温器的结构越来越精简，功能也越来越强大，但仍旧存在一些不足之处。

如果电热毯一直加热到天亮，则容易造成被窝温度过高，使人身体不适甚至生病，如果睡前即关闭电热毯，则半夜由于气温下降使人冻醒，不仅影响睡眠，而且容易感冒，由于不能控制温度，如果电热毯一直通电它就会持续加热，导致温度过高而引起火灾或烫伤。

本作品针对这一实际情况而设计。

本作品采电单片机作为控制中心，不断监测床上的温度，自动关闭或启动电热毯的工作，使被窝温度保持在人的最佳睡眠温度。

并利用单片机作为控制中心，控制即时准确，调节方便，可因人而异实现个性调整。

另外，增加了电子时钟功能，功能较强。

当温度低于温度控制范围下限时，应与时启动电热毯加热，而超出上限时与时停止加热，误差不得大于1℃；利用单片机程序控制系统运行，工作安全可靠。

采用DS18B20传感器，对被窝温度进行实时检测，工作电压5V，安全可靠。

采用单片机智能化控制，利用传感器实现了小信号控制大信号，实现了智能化控制。

1.2电热毯的发展

自从1912年美国人SidneyI.Russell发明第一条电热毯以来，电热毯因其简单、价廉、实用、省电等优点逐渐为广大消费者所青睐，成为冬季供暖的常用电器之一。

虽然电热毯工作只是基于阻性材料上电发热的原理，但是其制造与应用所涉与的技术领域却涵盖了诸多方面。

在一百多年的历程里，电热毯技术的发展经历了以下几个主要阶段；20世纪30年代末，第一条肢体覆盖型保温毯问世。

20世纪50年代末，英国首先将塑料绝缘材料引入电热毯。

1960年，英国发明单股螺旋发热线。

1962年，有过热熔断保护作用的、双层包覆的发热线（在两根螺旋绕制的电阻丝间隔有一层热敏塑料）在英国上市，德、日、韩等国也先后效仿。

20世纪80年代后，各国对过热熔断保护继续改进，控温保护的概念开始流行。

首先引入的是温度负反馈装置，而后又对加热线做进一步改进，增加了温度传感功能。

目前，我国取得电热毯产品生产许可证厂家有200多家，年生产量5000万床左右。

近年来，我国电热毯产、销量递增幅度大，2009-2011年全国平均每年递增率为32%；可见电热毯的产销在我国具有旺盛的生命力。

目前，具有一定生产规模的电热毯企业有20多家，不少企业通过生产线的引进和进行技术改造，使产量由较大幅度的增长，质量和品种亦相应得到了提高和发展。

一般电热毯有不带信号线型与带信号线型，不带信号线型用于普通型电热毯。

使用的电热合金丝有直线状的，但更多的是呈螺旋状缠绕在耐热芯线上，外面涂覆一层耐热树脂。

带信号线型用于调温型电热毯中。

线芯用玻璃纤维或涤纶丝编成，上面缠绕着柔韧可挠的电热合金丝（或箔带），外面包覆一层尼龙感热层或特种塑料感热层，再将一种铜合金信号线绕在感热层外，最外面涂覆一层耐热树脂。

当电热毯上任一点处的温度超过预定值时，该处相应的电热丝上的感热层即由绝缘体变为良导体，使控制电路接通，电热毯断电，达到控温和安全防护的目的。

采用不带信号线型电热元件的普通型电热毯，如要实现控温，一般设有两类控温元件：

一类是过热安全恒温器，每床电热毯约需8～9个，串联在电热元件上，起安全防护作用；另一类是恒温器控制器，设在床头或手边，起调节温度的作用。

采用带有信号线的电热元件的电热毯仅需恒温控制器。

电热毯一般由电热线、毯体、电路控制三部分组成。

其产生热量的大小和安全性能的优劣主要取决于电热线和接头。

电热线：

时有电热丝和外敷的绝缘层组成。

常用的电热丝有镍铬合金丝，铁铬铝合金丝、康铜丝、铜丝等。

电热丝的卷绕方式有直线型和螺旋形两种。

目前流行的电热丝是镍铬合金丝，电热线的形态是螺旋型。

绝缘形式采用双重绝缘。

电热毯的毯体底料上的布置为波纹迂回方式。

接头：

对于电热毯，最关键的工艺师是电源线的链接密封问题，接头的好坏对产品的性能、寿命、安全可靠性有着关键性的影响。

若接头不好出现松脱、不能密封或在使用中发生电源引线脱落等情况，极易引发火灾或者造成触电事故。

电热毯目前主要是利用发热元件来进行工作的，而发热部件的主要功能是将电能转换为热能。

电热毯的电源是经开关和保险丝与电热线直接相连接的。

使用时，插上电源插头，闭合电源开关，电热丝加热升温，其温度的调节只能靠开关和插拔电源插头来完成，而现在有很多的电热毯所采用的发热元件是热敏电阻。

热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。

其常用的半导体材料有铁镍锰钴钼钛镁铜等的氧化物或其他氧化物。

热敏电阻具有灵敏度高，电阻温度系数比金属大，体积小，结构简单，稳定性好，机械性能强，价格便宜等优点。

1.3本文主要研究内容

一般电热毯有高温、低温两档。

使用时，拨在高温档，入睡后被热醒；拨在低温档，有时醒来会觉得温度不够。

随着人们对电热毯这种取暖设备的需求的增多，人们对于电热毯的安全要求与方便程度的需求也不断提高，智能温控电热毯的设计对人们的需求有很大的帮助。

有利于解决电热毯的安全隐患与提供更舒适的温度。

本文主要针对智能温控电热毯的硬件与软件的设计展开，在基本的电热毯的基本取暖功能的基础上增加自动控温的功能，进一步保证安全。

首先要选择合适的温度传感器，可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求对电热毯周围的温度进行实时的监控，并有温控开关。

根据传感器感应的温度自动调节控制电热毯的加热。

基于单片机编写软件控制程序，实现温度的智能控制。

以确保在人离开时或睡眠时电热毯不会因为过高温度而引发危害，也可以保证睡眠时的温度不会过高或过低，保证舒适的睡眠。

第2章设计方案

2.1系统总体设计方案

通电后，用户通过按键设定定时时间和需加热到的温度，默认先输入的为加热的时间。

温度传感器采集当前温度的信号，信号再送给单片机，单片机发出控制指令控制继电器的通断，根据继电器的通断来控制电阻丝的加热，使温度达到用户设定值上，且误差不超过1℃。

当温度高于设定值时蜂鸣器发出声音进行报警并且电热毯自动停止加热直至温度低于设定值。

系统整体硬件结构框图如图2-1所示，本设计的温度测量与加热控制系统以AT89S51单片机为核心部件，外加温度采集电路、键盘与显示电路、加热控制电路和越限报警等电路。

采用单总线型数字式的温度传感器DS18B20，测温后由I/O接口读入CPU，CPU进行数据处理。

处理后的数据，一方面送LED数码管显示；另一方面与检测开关设定的温度控制值进行比较，并判断是否超限，将比较结果返回单片机，现在采用电阻丝加热，从而进行温度的调节，以保持恒定的温度[1]。

图2-1系统硬件结构框图

2.2系统功能模块方案选择

2.2.1单片机的选择

单片机的种类繁多，Intel公司的MCS-518位单片机系列、MCS-9616位单片机系列；Atmel的AT89、AVR系列；Philips的P89V51、LPC700/9008位单片机系列、LPC200016/32系列；Motorola公司的MC68HC9088位单片机系列、DSP型16位单片机。

方案一：

选择8031单片机

8031单片机是Intel公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM外，其余特性与MCS-51单片机基本一样。

采用40个引脚的8031芯片。

该芯片有4个8位并行I/O接口：

P0、P1、P2、P3，128个字节的片内数据存储器，但没片内程序存储器，需扩展，价格便宜。

方案二：

选择P89V51RD2单片机

采用有40个I/O口的P89V51RD2。

P89V51RD2是Philips公司新推出的一款功能非常强大的微处理器。

P89V51RD2采用51内核，内部集成了64kBFlashROM和1024字节的数据RAM，5V工作电压，操作频率为0~40MHz，并且支持12时钟（默认）或6时钟模式（每个机器周期包含6个时钟），选择6时钟模式时可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量，同时，另一个好处在于，可以在保证处理速度不变的情况下，将时钟频率减半，这样可以极大地降低系统的EMI。

P89V51RD2还集成了SPI（串行外围接口），增强型UART，PCA（可编程计数器阵列），具有PWM和捕获比较功能，尤其是P89V51RD2支持在系统软件调试和在系统编程的功能，这使得我们在用其开发产品时可以完全抛开仿真器和编程器，进而大大减少了产品开发的成本和时间。

对于恒温箱这一控制对象来说，芯片的性能比8031和8051等单片机要优越的多，其劣势在于价格较贵[2]。

方案三：

选择AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMb-FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，Atmel的AT89C51是一种高效微控制器。

此外AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

考虑到本设计需要单片机的控制更加安全可靠，AT89C51单片机恰好满足设计需要，所以选择AT89C51单片机。

2.2.2显示电路的选择

本设计中的显示模块在初始进行时间与温度设定时先显示时间后显示温度；在使用过程中，主要显示电热毯的温度。

在单片机系统中常用的显示电路有LED显示、LCD显示。

方案一：

选择LED显示

采用七段码显示时，数码管中的每一段相当于一个发光二极管。

对于共阳极的数码管，内部每个发光二极管的阳极被连在一起，成为该各段的公共选通线，发光二极管的阴极则成为段选线。

对于共阴极数码管，则正好相反，内部发光二极管的阴极接在一起，阳极成为段选线。

这两种数码管的驱动方式是不同的。

当需要点亮共阳极数码管的一段时，公共段需接高电平，该段的段选线接低电平。

从而该段被点亮。

当需要点亮共阴极数码管的一段时，公共段需接低电平，该段的段选线接高电平，该段被点亮。

方案二：

选择LCD显示

C系列LCD显示可以显示字母、数字符号、中文字型与图形，具有绘图与文字画面混合显示功能。

提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口与串行接口（OCMJ4X16A/B无串行接口）。

所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。

内置2M-位中文字型ROM（CGROM）总共提供8192个中文字型（16x16点阵），16K位半宽字型ROM（HCGROM）总共提供126个符号字型（16x8点阵），64x16-位字型产生RAM（CGRAM），另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。

提供多功能指令：

画面清除（Displayclear）、光标归位（Returnhome）、显示打开/关闭（Displayon/off）、光标显示/隐藏（Cursoron/off）、显示字符闪烁（Displaycharacterblink）、光标移位（Cursorshift）、显示移位（Displayshift）、垂直画面卷动（Verticallinescroll）、反白显示（By_linereversedisplay）、待命模式（Standbymode）。

为了较方便的显示LED，本系统采用了直接三极管驱动LED，然后再接到单片机上去，这大大的降低了成本，也节省了元器件。

它还具有可用程序来实现多种功能、通用性强、使用灵活的特点。

如果使用LCD显示在经济上不能降低成本，编程也比较繁琐，反而显得不合理。

故选择用LED作为显示电路。

2.2.3键盘电路的选择

本设计中要通过键盘进行设定温度与时间的加减。

一般键盘电路有两种：

独立式键盘和矩阵式键盘。

方案一：

选择独立式键盘

独立式键盘中，各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，每根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。

因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断按键是否被按下了。

独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单。

但每个按键需占用一根输入线，在按键数量较多时，输入口浪费大，电路结构显得很繁杂，故此种按键适用于按键较少或操作速度较高的场合。

方案二：

选择矩阵式键盘

矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，分别连接到按键开关的两端。

行线通过上拉电阻接到VCC上。

平时无按键动作时，行线处于低电平状态，而当有按键按下时，列线电平为低，行线电平为高。

这一点是识别矩阵式是否被按下的关键所在。

因此，各按键彼此将相互影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适合的处理，才能确定闭合键的位置。

很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘与独立式键盘相比，要节省很多的I/O口。

由于本系统只有两个按键，每个按键都有第二功能，故选择独立式键盘。

2.2.4温度采集电路的选择

由于要对电热毯的温度进行测量数据传送到单片机进行比较后再发出相应的指令，此时需要温度传感器作为测量原件对电热毯的温度进行检测。

温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。

常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻和热电偶。

在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。

与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

方案一：

选择热电偶传感器

热电偶作为测温原件具有结构简单、较高的精准度、测量范围宽、具有良好的敏感度等优点，在温度测量中应用最为广泛。

热敏电阻是用一种半导体材料制成的敏感原件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化，具有灵敏度高、体积小、较稳定、动态特性好等优点，常用于远距离测量和控制中。

方案二：

选择热电阻传感器

热电阻在工业上广泛应用于测量-200～+500℃范围的温度，随着科技的发展热电阻温度计的测量范围低温端可达-272.5℃左右，高温端可测到1000℃。

热电阻温度传感器的特点是精度高，适宜测低温。

在560℃以下的温度测量中，它的输出信号比热电偶容易测量。

电热毯的温度一般在室温～250℃范围内，范围比较窄，也比较低，对精度的要求也比较低，综合考虑热电阻、热电偶和热敏电阻的特点，选用热电阻比较好。

另外，热电阻又有铂电阻、铜电阻、铁电阻和镍电阻等，各有其特点，由于铂电阻稳定性好，性能可靠，所以本设计选用了常用的铂电阻Pt100作为温度传感器。

方案三：

选择 DS18B20作为传感器

DS18B20主要具有以下优点：

适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作[3]。

由于本设计的控制温度范围在25℃~35℃， DS18B20传感器为数字式传感器，不需要A/D转换，信号采集传递都比较方便，所以采用方案三。

2.2.5温度控制电路的选择

在使用电热毯时人们对于温度有不同的需求，因此就要求可以对温度进行灵活的控制，控制电热毯是否加热与需要达到的温度，在低于设定值时接通电源进行加热，高于设定值时则自动停止加热。

方案一：

选择晶闸管控制

当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通；若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值一下。

方案二：

选择继电器控制

控制继电器是一种自动电器，它适用于接通和分断交、直流小容量控制电路，并在电力驱动系统中供控制、保护与信号转换用。

控制继电器的输入量通常是电流、电压等电量，也可以是温度、压力、速度等非电量，输出量则是触点动作时发出的电信号或输出电路的参数变化。

控制继电器的特点是当其输入量的变化达到一定程序时，输出量才会发生阶跃性的变化。

根据它们的特性和用途，还有本设计的特点，继电器方便控制，实现起来简单，所以本设计采用继电器控制。

2.3本章小结

本章主要介绍系统设计方案的选择以与各个模块的设计。

根据设计要求本设计采用AT89C51型号的单片机；为了降低成本节省元器件它还具有可用程序来实现多种功能、通用性强、使用灵活的特点所以本系统采用了直接三极管驱动LED；键盘电路选用独立式键盘电路；DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内所以应用DS18B20温度传感器；对于温度控制电路要求要控制方便为此选用继电器控制。

第3章硬件设计

3.1单片机模块

单片机是本设计的核心，温度传感器将检测到的数字信号传递给单片机，由单片机进行比较并发出相应的控制指令，单片机控制着继电开关的通断、显示部分显示的内容等，单片机起着主要的控制作用。