基于PLC的智能加热座椅系统

衡思羽 陈慧 呼鹏飞 姜水涵 张晓慧

摘要：介绍了以PLC为核心的智能座椅加热系统，通过温度检测模块将外界环境温度转化成电压信号的模拟量输送给PLC，PLC与设定温度进行比较，计算差值，并调用差值，调用内置的PID运算程序，设定脉冲宽度，产生PWM波来控制调节加热器的通断，实现系统的温度控制。该装置通过太阳能电池进行持续供电，并运用压力传感器等装置实现自动加热、保持恒温和自动断电的功能。装置的智能系统使得人们在使用时没有障碍，其体积小、重量轻的特点也便于人们的携带。

关键词：PLC;坐垫;温度控制

1.项目背景

目前，国内外对于热力学的研究已相对成熟，能通过运用电磁学，分子力学等多方面知识使用相关设备将其他能量转化为热能，从而对物体供热。这些技术在工业生产生活等方面都已经有了广泛的使用。但绝大部分都仍处在大型机械的使用上，未能普及到日常生活中。

随着社会，经济的发展，人们对生活舒适度有了更高质量的追求，而面对冬季严寒，保暖成了人们首要的需求。过去我们都遇到过冬日久坐，由于体温与外界温度差值过大，没有适当的的导热工具，而出现瑟瑟发抖，四肢冰凉等常见失温现象，影响人们的日常生活作业。本团队致力于研发一款结构简单，便于携带，能够帮助人们解决身体寒冷问题的自动加热座椅装置，有效弥补目前市面上采用传统电阻隔热方式的加热装置的缺陷。

2.装置设计

2.1功能设计

装置主要部件分为系统硬件和软件设计，硬件包括外部结构构造（开关旋钮，导热材料，插电孔以及插头导线）与内部电路集成模型，软件包括PLC程序设计与基于模糊PID变频恒温控制。软硬件相互配合，相互制约，以满足不同温度偏好的顾客。具体功能设计如下：

（1）首先使用时，将插头插上，启动开关，各部分设施进行预备运转，进入预处理阶段，完成系统初始化。

（2）实时采集温度。当当前温度低于设定温度3℃时，启动升温控制电路，对装置持续加热，当当前温度高于设定温度1℃时，启动温度控制装置，对加热装置进行控制。

（3）恒温处理。将采集到的温度与预设温度值进行比较，计算其偏差量，然后根据差值，利用经典PID控制算法计算出调控量，最后输出相应PWM控制量给外部的驱动电路，从而达到控制被控对象水温的目的。

2.2功能实现

2.2.1加热

本装置以AT89C51单片机作为控制核心，以DS18B20作为温度传感器。AT89C51单片机是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，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。AT89C51单片机由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为温度控制提供了一种灵活性高且价廉的方案

DS18B20是美国Dallas公司开发的一款智能温度传感器，采用单总线传输方式，能够实时准确的将环境模拟信号转化输出为数字信号，其测量范围为-55℃—+125℃，测量精度为0.5℃，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

电路设计原理图如下：

本装置加热思路如下：以AT89C51单片机为核心，采用DS18B20作为温度传感器实时感温，LCD1602作为显示屏实时显示当前温度t以及操作者预设温度T，利用PID控制算法进行编程，根据实时温度与预设温度的数值大小进行判断，从而实现继电器闭合与断开实现对加热电阻的控制，从而实现加热这一操作。除此之外，本电路系统还设置了相应的报警模块，如因出现T=t时继电器未断开等情况而导致电阻丝继续加热，而导致设备温度超过T，则蜂鸣器持续发出报警音且警示红灯LED常亮，用以提醒操作者注意潜在安全隐患问题。

例如实时温度t为16℃，操作者通过按键上下调整预设温度T为19℃，则继电器闭合电阻丝加热，当设备温度上升大于等于19℃时，继电器断开，电阻丝停止加热。若实时温度大于19℃，则蜂鸣器报警，红灯常亮。

2.2.2保温

当温度到达指定温度时，装置进入下一阶段，实现对温度的控制，保证其保持在设定温度附近。

本系统采用闭环的控制方式，对温度进行采集，通过PID（比例-积分-微分）的控制方法，其控制策略结构具有比较简单灵活，稳定性强，易于实现等优点，是一种较优的控制算法。

系统根据给定值PV与检测值SP进行比较，得到偏差e（t），通过PID控制策略，对加热装置进行控制，从而维持坐垫温度在设定值附近。使用PID温度控制策略，控制精度相对比较高，可以使稳态精度达到±1℃。

具体控制原理如下：

首先控制信号由2个部分组成，一是内部传感器测得的装置各个部位温度，二是外部传感器测得的外界温度。该信号经放大和A/D转换后，转换为控制系统能识别的电压信号，并经D/A转换、电压放大后，用于升温系统。当温度达到设定的恒定温度时，启动恒温控制系统;当温度低于某个值时，启动升温系统。整定Kp，Ki，Kd三个参数，并将三个参数进行PID运算后经模拟量输出模块输出给变频器的調节其频率 从而改变内部发热驱动的电子传输速率调节热量，从而实现恒温.

2.2.3蓄能

运用太阳能电池进行持续供电。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。我们将许多个电池串联或并联起来使之成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵，并将其安装在加热装置的表面，以达到持续供电的目的。

除了能够直接供电的太阳能电池，我们还安装了蓄电池。充电储能的蓄电池采用锂电池，并围绕该电池进行充、放电电路设计。其中，锂电池充电芯片采用TP5410，通过降压、稳压器LM2596稳压得到的5V电源作为充电电压进行充电。当出现雨天或夜晚等没有光照时，在无法使用太阳能供电的情况下，蓄电池就将发挥用场。这一安排使得装置在各种使用环境下都能够被运用，大大提高了可用性。

2.3材料选择

除了满足产品的加热、恒温，蓄能功能外，材料的选择也是产品功能效率的重要体现，在考虑其效率，导热量，安全性，经济性等多方面因素下，结合目前市面上所有的导热材料，选择适配功能需求的材料显得尤为重要。

发热片拥有众多类别，不同材质的发热片特性不同，应用领域也不同。硅胶发热片因其性能稳定、铝箔加热片，安全可靠被广泛应用于加热和保温设备。

电热片是一种将电能转换为热能的薄式加热产品，其主要的工作原理是通过内部电阻发热丝来散发出热量，薄式电热片有众多优点。

1.电加热器电源稳定性高，无热损失，传热率大于98%;

2.电热片的内阻电路由铁铬或镍铬合金片組成。这两种材料的特性可以根据自身的温度来调节电阻，即当温度升高时，电阻增大，从而降低功率，即电加热片的所谓温度自限功能。同时可配备温控开关和双重保险，大大提高了使用中的安全隐患;

3.电热板所用的绝缘材料绝缘性能高，内阻方向可对应不同的指标。成品已通过高压和绝缘电阻测试，可安全使用;

4.电加热器的内阻电路是嵌入式的。由于它具有温度迅速上升和散热迅速的特点，因此比传统电气元件具有更长的使用寿命，并且不易氧化。

5.在安装方面也更舒适，即无需太多人力物力即可立即安装和使用，厚度相当薄，几乎不占用空间，大大降低了生产成本;

6.薄电热板是一个扁平的热源，因此热量不会过于强烈。据了解，它还将生产比传统电加热元件产生的干热或湿热更为用户接受的红外热能。

2.4外观与结构设计

在外观与结构设计方面，采用一体化结构模型，将温度变送器、PLC、指示灯、按钮、选择开关，变频器等相关硬件按一定顺序放入包装内，只留一个导线孔与插头相连，保证稳定的电流输出。实现外部使用与内部系统相隔绝的状态，既保护了内部系统不会被外力破环，实现使用的透明化，又增强了美观性。具体结构图如下：

3.总结

本文详细介绍了新型座椅加热系统的具体实现过程，通过将PLC和相应的电子元器件、温度传感器、变频器、执行电机等结合在一起实现了对座椅加热恒温控制的自动化和智能化，高效满足不同人群对温度的需求。在加热设计方面，以AT89C51单片机作为控制核心，以DS18B20作为温度传感器，实现继电器闭合与断开保证对加热电阻的控制。在恒温设计方面，以PLC为核心，采用闭环控制，使用经典PID算法，计算温度差，控制内部发热驱动，实现温度控制策略。在蓄能设计方面，采用太阳能电池与蓄电池并用的方式，以适应产品在不同环境下的供能量，既满足装置的能耗需求，又提升了装置的环保节能理念。在选材方面，选择导热量大，导热率高的加热材料硅胶发热片，在保证产品安全性能的前提下，提高产品的使用效率。在产品设计方面，采用一体化封装式结构，体积轻巧，携带方便，满足人们的日常需求。在电子元件方面，选择大众化，普遍化，性能高的零件，有效保证产品的经济效益。

综上所述，该装置成功实现了集加热，保温，蓄能三位一体的智能座椅加热系统，可有效帮助人们解决冬日久坐身体寒冷的情况，提供一种高效日常的保暖措施。

参考文献

[1] 郑晓洋王丽颖 感压式电热毯的创新开发[J] 科技创新与生产力，2017年，49-52

[2] 何兴阳 基于单片机的智能温度调节杯[J] 电脑知识与技术，2021年，179-182+192

[3] 李茸段哲民林珊珊黄心杰郭龙 一种智能型电热毯温控系统的设计与实现[J]， 电子设计工程. 2014，22（16）