自动室内加热器控制系统的设计与仿真

朱英豪

摘 要：本文介绍了一种自动室内加热器控制系统的设计和仿真。该系统允许用户设定所需温度，然后将其与由温度传感器测量的室温进行比较。在微控制器的帮助下，系统根据温差自动接通两个负载（风扇或加热器）中的任何一个进行响应。当室温高于设定温度时，风扇被触发，当室温低于设定温度时，加热器被触发。使用Proteus 设计和模拟系统，用于建筑电子系统的电路构建软件。Proteus软件用于设计和模拟主电路，Micro-C hex文件加载到Proteus原理图设计中。为了对PIC微控制器进行编码，使用了Micro-C编译器。设计了一个5 V DC电源，以便为系统设计电路中使用的大多数有源器件提供偏置电压。使用Multisim软件设计和模拟直流电源。对系统进行了仿真，仿真结果符合设计规范。

关键词：电子信息工程；控制系统；微控制器；Zigbee

一.介绍

随着技术的进步，自动化已成为我们生活的一部分。家庭通常是任何文化中最占据的地方。家中通常由人居住的区域，例如起居室和卧室，需要保持在可居住的温度范围内。这些问题在婴儿占据的家庭区域变得更加相关。成年人可能会找到解决“热不适”的方法，但婴儿可能不会。用作易腐食品的存储区域的家庭的其他区域也需要进行热调节，以防止这些物品的加速腐烂。这使得在家中需要温度控制系统[1]。

程序化房间加热器控制系统的想法可以追溯到十八世纪，这个想法首先由一位名叫沃伦？约翰逊的教育家在俄克拉荷马州诺曼学校获得。在此之前，Janitors被迫进入每个教室检查班级的温度，然后以类似的方式控制地下室的阻尼器。自动温度控制系统是为了满足这一需求，这促使沃伦？约翰逊停止指导和启动他的电气管理组织，该组织已经用于概述程序控制系统。沃伦？约翰逊最初建立了气动温度控制框架，该框架考虑了房间内房屋温度控制的结构和家庭。到二十世纪中叶，自动温度控制系统的创建在企业和家庭中显得尤为突出。最近，该领域的组织正在完成相当多的工作。市场上可以快速获得大量自动房间加热器系统业务项目。

二.相关工作

有许多商业温度控制系统可以从制造商或发明者那里购买，而且，该领域已经实施了大量的工作。我们的工作中如果测量值大于期望值，则冷却器/风扇将打开以将室温冷却回正常设定点并在其处于此状态时关闭设定点。但它的不同之处在于，我们的工作考虑到了通过使用键盘输入参考值，可以轻松编程微控制器[2]和用户友好性。因此，在首次编程微控制器之后不需要专家，我们的系统可以被任何人使用。Ian Bell发明了一种基于温度控制系统的自编程加热和冷却系统。该系统不易操作，因为只要重新编程，它就必须与计算机连接。在相关发明中，RE Hedges发明了一种自动温度控制系统，用于自动控制物体，其一部分或一个区域的温度，以便将所述温度连续地保持在恒定值。在他的设计中，温度控制系统只能控制一个热源；然而，难以实现具有大容量，高响应和准确度的期望特征的同时和组合的温度控制。莱文先生发明了一种用于空调房的自动温度调节系统。空调房的自动温度调节系统操作简单，能够在空调房间随时监测人体温度，并及时将相应的信号传送给空调，然后空调进行调整，保证人们的健康。然而，这也是一次编程，并且需要在需要重新编程时随时与计算机连接，因此，系统的操作变得复杂。尽管许多相似的温度控制系统，这些设计是不容易编程和温度调节的。该系统利用温度可调和风扇温度控制系统的优势。这些系统要么是一次性可编程的，要么需要模拟调整，这种调整不准确且难以使用。因此，系统需要计算机接口以便在需要改变参考温度时进行编程。

基于温度控制的其他工作确实存在于不同领域和不同应用中。这样的工作，如电力传输中的电缆干扰温度监测，使用蓝牙嵌入式系统的服务器室温测量，使用无线温度监测系统的通信室控制系统和温度传感器和基于Zigbee[3]的温度测量确实存在。这些系统具有相同的成本问题以及重新编程专家的需求。

三.材料和方法

3.1 自动房间加热器控制系统

自动室内加热器控制系统包括三个主要的子系统：电源单元，所述传感器单元和所述控制。

由六个不同的块组成，每个块包含几个组件：发送器和接收器子系统。传感器块由温度传感器组成，用户定义的输入包括键盘，比较器或控制单元，它基本上是由微控制器组成的系统的核心。一般来说，系统电路包括PIC16F877A微控制器，LM35温度传感器，LCD显示器，晶体振荡器，4×3键盘用于显示，2个晶体管用于开关，2个继电器也用于支持晶体管的开关效果，灯泡被建模为加热器和直流風扇。微控制器由晶体振荡器提供时钟，因为它没有内部时钟。连接到微控制器的是温度传感器LM35，它测量室温并将值读数提供给微控制器。微控制器的2个负载由继电器接通和断开。继电器不直接连接到微控制器，而是将微控制器作为开关置于微控制器和继电器之间，以防止继电器损坏微控制器。连接在系统的每个组件中的电阻器用于限制传递到该特定组件的电流量。LCD连接到微控制器，用于向微控制器显示数据馈送。

3.2 电源

电源的设计考虑了可用资源，同时满足设计规范。大多数组件使用5V DC工作，而使用12V工作的继电器，因此需要将主电源（约240V AC）的正常电源电压降低到必须纠正的合理电压（转换为DC）并进一步过滤以消除不需要的脉动。240V交流电源降至12V AC（12 V RMS 值，其峰值约为17V），从后面的计算中可以看出，使用电压调节器（LM7805）进一步调节17V 5V和（LM7812）至12V. 变压器在计算之后使用20：1的匝数比来降低电压，并且整流二极管（IN4001）也用于整流。

3.3 传感单元

该系统的这一部分使用温度传感器[4]（LM35）。温度传感器是一种对温度敏感的设备，它响应温度的变化。对于温度传感器的校准，我们使用线性建模方法。由于它被用作基本温度传感器，因此1°C的温度变化将转换为10mV。温度传感器的最大电压读数为1V，对应于100°C。然后将其用作编程微控制器的参考。LM35为微控制器提供从室内测量的模拟温度电压。然后，该模拟信号在微控制器中转换为数字信号，因为微控制器只能解释数字数据。LM35连接到微控制器上的PORT A，因为默认情况下PORTA是模拟输入引脚。

四.结果与讨论

我们使用Proteus和Multisim软件通过仿真对我们设计的系统（自动室内加热器控制系统）进行了测试。计算结果与仿真结果一致，虽然该值不完全等于计算结果，但大致等于该值。然后，我们比较模拟结果的峰值电压（16.8 V），则该值近似等于17 V的计算值。

五.结论

在本文中，我们介绍了自动室内加热器控制系统的设计，模拟和分析。系统使用PIC 16F877A微控制器作为控制单元，LM35作为温度传感器。通过将温度设置在各种水平来改变输出，并且发现当室温高于参考温度时风扇被触发并且当室温低时风扇触发OFF而触发加热器。该系统对残疾人非常有帮助。该系统可用于工业或需要将温度保持在特定值的任何外壳。该系统使用Proteus 设计和Multisim软件。系统根据设计规范进行模拟和工作。将来，GSM模块可以与系统集成，以便人们能够从远处操作其温度控制系统。

参考文献：

[1]屈毅， 宁铎， 赖展翅，等. 温室温度控制系统的神经网络PID控制[J]. 农业工程学报， 2011， 27（2）：307-311.

[2]邵贝贝. 微控制器（单片机）抗干扰能力与电磁兼容性[J]. 电子技术， 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]李强， 王艳松， 刘学民. 光纤温度传感器在电力系统中的应用现状综述[J]. 电力系统保护与控制， 2010， 38（1）：135-140.