基于物联网的石墨烯智能电暖壁画开发

马朝飞 金怡芳 晏鹏 谢唯 陈卓

摘   要：物联网的概念和实物在身边随处可见，物联网下的产品也是人们追求优质生活的需要，不断深化物联网技术成为当前时代进步的趋势。在这样的背景下，本文针对一种新型优质加热材料石墨烯进行PID恒温控制。系统主要包括：温度采集部分、温度显示部分、温度控制部分、加热部分;并利用这些模块实现了石墨烯壁画的自动控制。

关键词：单片机  温度传感器  自动控制  石墨烯

中图分类号：G64                                    文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0145-02

适宜的环境是人高效率办公的有利条件，而控制好温度是营造一个舒适环境的前提。随着自动控制理论和单片机的不断发展，许许多多的自动控制器件不断推陈出新，在温度控制方面也得到了快速发展。

1  系统硬件部分设计

1.1 系统的工作原理

通过键盘预先设定温度，并使用温度传感器DS18B20来进行温度测量。DS18B20是一种集温度测量、A/D转换为一体的芯片，DS18B20的温度测量部分将采集到的温度模拟量经过A/D转换器转成数字量，并由DQ总线传给单片机;经单片机处理后，LCD1602显示器显示测量温度。当测量温度小于预先设定温度时，进入加热模式;当测量温度大于设定温度时，装置静置冷却。

1.2 系统硬件的组成

1.2.1 加热材料—石墨烯

本系统采用石墨烯作为发热体，由于石墨烯本身结构的大π键，因而具有优良的导热、导电性能。而其本质石墨材料是以电子导热机理为主，所以石墨烯也具有超强的热传递性能，其热导率可到5000W/mk，是金刚石、石墨的3倍，是传统金属材料银、铜及铝的25倍。该材料的优点也正是本系统的特色之处，本系统在现有成熟的自动控制理论上，充分利用其优点，制成新型自动恒温控制壁画材料。

石墨烯是一种非线性材料，其电阻率会随着温度的变化而变化。为了进一步了解材料的特性，故建立石墨烯电阻率与温度之间的数学模型，得出其关系式为：

1.2.2 温度采集—DS18B20

假设本系统使用场景为家庭办公，故系统温度范围需控制在25℃至38℃，精度范围为±0.5℃ 。DS18B20是由DALL -AS公司生产的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器其测量温度范围在-55℃～+125℃，测量结果能以9～12位数字量方式串行传送，具有体积小、抗干扰能力强等优点。单总线使得占用单片机的端口少，节省了大量的线路和操作。因此，在温度采集模块设计中采用DS18B2 0温度传感器。此外，DS18B20还可以进行多点组网功能，每个DS18B20都有唯一对应的ROM码，因此单片机可以利用特定的ROM与某一个温度传感器通信，形成多个温度传感器与单片机的连接通信，构成多点温度采集系统[1]。温度采集完成后，可在LCD1602显示器中观测温度。

1.2.3 加热装置及人机互动

因單片机部分工作电压在5V左右，而石墨烯加热需要在220V的环境下，本系统加热装置采用光耦合器设备进行隔离[2]。光耦合器由光的发出、光的接收和信号放大三部分组成。左侧输入单片机发出的电信号驱动发光二极管产生一定波长的光线，另一侧光探测器接受光并在内部产生光电流，光电流通过信号放大功能进一步放大后控制右侧加热装置。

本系统通过键盘键入设定温度来完成人机互动部分。首先，程序预设定一个温度值，每次启动都是固定值，当用户需要对温度进行设定时，可以采用键盘进行温度调控。

2  系统软件部分的设计

2.1 系统上位机软件部分—Labview

采用Labview软件完成系统智能控制部分的设计。用户通过手机打开相应软件，登录到用户操作界面，通过相关简易操作完成监控控制操作。

利用Labview中仪器编程标准I/O API—VISA可以进行数据的读取和输出[3]。上位机从串行口读取数据时，首先上位机通过VISA Write函数向下位机发送数据传送命令，下位机完成操作并将数据传送到数据缓存区，上位机中的VISA Read函数将数据读出。当完成数据读取后，要立刻释放串口，方便继续读取下位机数据。

2.2 系统单片机软件部分

2.2.1 主程序流程

首先对LCD1602、DS18B20等初始化，设定定时器初值，然后进行温度采集，温度比较，进一步确定高电平时间，最后定时进入中断，对高低电平进行准确时间计时。

2.2.2 PID算法和PWM控制原理

为了保持室温恒定，不仅需要得到当前温度的信息，也需得到加热装置的加热时间。本系统采用PID和PWM结合控制方法进行恒温控制。

PID算法控制简单且效果显著，是经典的自动控制理论。系统将当前输出与预计输出进行比对，得出误差值e（t），在PID调节器的作用下，进行比例、积分、微分计算，得出输出值以确定PWM的占空比。因得到温度数据是离散的，故采用PID离散表达式，其数学模型为：

（1）

式（1）中kp、ki、kd为比例系数、积分系数、微分系数.err（k）为当前误差。

实现对加热装置的精准控制，可采用PWM脉冲宽度调制。PWM脉冲宽度调制通过控制开关器件的通断输出一系列幅值相等而宽度不同的脉冲，利用这部分脉冲作为需要的波形。上述PID算法得到的输出作为更新PWM脉冲宽度的依据，再利用单片机的定时器功能精准控制脉冲的宽度，处于高电平时导通加热装置，处于低电平时关闭加热装置。

2.2.3 PID算法系数整定

PID控制器参数的整定[4]主要分为两大类：一是理论计算整定法，二是工程整定的方法。理论计算整定法主要是根据系统（如本例加热材料石墨烯）数学模型，进行理论推算控制器参数，但最终仍需要实际实验进行微调整。工程整定方法主要根据经验，进行实际实验，通过效果判断，主要采用临界比例法、反应曲线法和衰减法。本系统中采用临界比例法，步骤如下。

（1）根据经验预设定比例系数和采样周期让系统工作起来，而后增大比例系数至超过临界振荡，再缓慢减小系数至临界振荡，得到比例系数。

（2）采用类似的方式确定临界振荡时的积分系数，取得到的150%～180%。

（3）微分仍采取上述方法得到微分系数，取得到的30%即可。

3  结语

本系统充分利用石墨烯发热均匀、效率高且能产生对人体有益物质等特点，利用现有的PID算法等理论对石墨烯进行自动控制，达到保持室内温度恒定的目的。本系统将算法与高效率发热材料充分配合达到高效工作，操作过程上手简单，实验效果明显，在未来智能家居方面具有巨大前景。

参考文献

[1] 李善寿，方潜生，肖本贤，等.基于单片机的恒温控制器的设计和实现[J].计算机技术与发展，2008，18（12）：197-199.

[2] 杜运东，刘胜利，包西勇，等.基于单片机的电热恒温箱控制系统[J].信息技术与信息化，2008（4）：92-94.

[3] 范治政，刘永春，郭志庭.基于Ardunio和LabVIEW的多功能数据采集系统[J].自动化与仪表，2015，30（7）：62-65.

[4] 袁易君.基于单片机室内恒温系统的设计[J].现代企业文化，2008（36）：67-68.