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室内自动加热器控制系统的设计与仿真
Adamu Murtala Zungerulowast;, Mmoloki Mangwala, Joseph Chuma, Baboloki Gaebolae,
Bokamoso Basutli
Department of Electrical, Computer and Telecommunications Engineering, Botswana International University of Science and Technology, Private Bag 16, Palapye, Botswana
E-mail address: zungerum@biust.ac.bw (A.M. Zungeru).
摘要
本文介绍了自动房间加热器的设计和仿真控制系统。该系统允许用户设置所需的温度，然后将其与温度传感器测得的室温进行比较。在微控制器的帮助下，系统通过打开以下任意一个来响应，根据温度的不同自动将两（2）个负载（风扇或加热器）区别。当室温高于设定温度时，风扇被触发开启，并且当室温低于设定温度时，加热器就被触发开启。该系统的设计和仿真使用Proteus 8，用于搭建电子系统。Proteus软件对主电路进行了设计和仿真，并编写了Micro-C十六进制文件，加载在Proteus原理图设计中。为了对PIC单片机进行编码，使用了Micro-C编译器。设计了5 V DC电源，以便为系统设计中使用的大多数有源器件提供偏置电压电路。使用Multisim设计和仿真直流电源软件，对系统进行了仿真，仿真结果符合设计规范。
关键词：电气工程
1.介绍
随着技术的进步，自动化已成为我们生活的一部分。在任何文化中，家通常都是被占用最多的地方。家里的区域经常被人使用，例如客厅和卧室需要保持在合适的温度范围内。在有婴儿的家庭区域中，这些问题变得更加相关。成人能够发现并避免“热不适”，但婴儿可能不会。其他领域用作易腐烂食品存储区的房屋也需要进行温度控制，以防止此类物品加速腐烂。这使房屋内需要一种温度控制系统。
房间加热器控制系统的概念可以追溯到第18世纪，这种想法首先由俄克拉荷马州的诺曼学派（Norman School）确定，教育家叫沃伦·约翰逊[1]。在此之前，看门人被迫去每个教室检查一下课程的温度，不仅如此，控制S型地下室中的风门也以类似的方式。约翰逊正在寻找一种方法结束或可能限制看门人对教室的干预，并增加学生的舒适度[1]。自动温度控制系统正是为了满足这一需求，促使沃伦·约翰逊（Warren S. Johnson）停止了指导然后开始他的电力管理组织程序控制系统。沃伦·约翰逊（Warren S.Johnson）最初建立了气动系统温度控制框架，在考虑了对温度控制的建筑物和房屋中一个房间一个房间地布置。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声名鹊起。到目前为止，大量的工作正在由该领域的工作人员组织完成。大量的自动房间加热器系统业务可在市场上迅速获得，其中包括AIRCONS之类的设备[1]。
天气总是变化无常，并且间隔很短，因此，外部条件始终会影响室内条件。当前使用的温度控制系统有局限性。这些限制之一是用户必须在每次外部条件变化时调整改变系统。这很累人，并且证明这不是控制房间温度的有效方式。此外，残疾人在面对他们房屋中的温度控制系统时也会面临很多挑战，因为该系统要求他们使用身体接触或一些手持远程设备进行操作。为了减少这样做的必要，需要一个放置到适当位置的自动运行的系统。
本文提出了一种自动室内加热器控制系统。该系统可监控室内温度并控制室内的新鲜空气流通，而无需人工干预。本设计使用微控制器和温度传感器来监视和控制房间内的温度。首先，用户必须在系统中设置一个自己想要保持的温度，然后温度传感器将感应周围温度并与微控制器接通。微控制器每隔10秒读取一次温度，并将其与所需值进行比较。如果测量值小于期望值，则加热器将自动触发开启以加热房间温度，直到回到所需值并关闭。并且，如果测量值大于所需的值，风扇将自动触发以冷却温度直到恢复到所需值并关闭。人们倾向于设计一个简单而有效的系统来解决一个复杂的系统。对简单且经济高效的系统的需求趋向于工程方面设计着眼于解决复杂系统并最小化的简单解决方案的设计通过最小化设备和组件的数量来设计系统的成本设计。这是可持续和成本效益十项设计原则的一个方面[2]。
2.相关工作
在过去的几年中，人们对自动化的需求增加了，冷却和加热系统得到了广泛的应用。在制造商或者发明者那里可以购买到大量的商业温度控制系统，此外，在这一领域已经出现了相当多的作品。我们的工作类似于这种[3]，如果测量值大于期望值，则冷却器/风扇将打开，以将室温冷却到正常设置点，并在到达设定点时关闭[3]。但这在意义上是不同的，考虑到工作，对微控制器进行编程的简易性和用户友好性通过使用键盘输入参考值。因此，在首次对微控制器进行编程后，不需要专家，我们的系统可以被任何人使用。在[4]中，伊恩·贝尔（Ian Bell）发明了一种自编程的加热和冷却系统，它是基于温度控制系统的。这个系统操作起来并不容易，只要重新编程，就必须与计算机对接。在相关发明[5]中，R.E. Hedges发明了一种旨在自动控制物体温度的系统，其一部分或一个区域，以便将所述温度持续保持在一个恒定值。在他的设计中，温度控制系统只能控制一个单一的热源;但是很难同时实现温度控制，并结合了大容量，高响应和准确性的理想功能。M. R. Levine [6]发明了一种用于空调房间的自动温度调节系统。空调房的自动温度调节系统简化了操作，并能够随时监控人体温度，相应的信号会及时发送给空调，然后再进行调整，以确保人们的健康。但是，这也是一个时间编程，并且需要在重新编程时随时与计算机连接，因此，系统的操作变得复杂。尽管有许多类似的温度控制系统，“自己动手”温度控制设计最近已发布[5、7、8、9、10、11、12、13、14、15，16]，这些设计在编程和温度方面都不容易调整。该系统的优势是使用温度可调以及风扇温度控制系统。这些系统要么是可以一次性编程或需要模拟调整，这种调整不准确且较难使用。最新的是使用Arduino [17]进行基于实时的温度控制发布。本系统使用基于ATMEL 89C51的Arduino，这只是应用程序之一，因此，不是原始的设计工作，更昂贵，而且首先要耗费时间学习Arduino IDE。系统操作也不简单，因为它不为用户提供改变参考温度的地方，因此系统就像前者一样需要计算机在参考温度的时候进行重新编程。该系统类似于[18,19]中作者提出的系统，也不容易学习和使用。
基于温度控制的其他工作确实存在于不同地区和不同的应用程序。诸如电缆干扰温度监控等工作在电力传输[20]中，使用蓝牙进行服务器机房温度测量嵌入式系统[21]，使用无线温度的通信室控制系统监控系统[22]以及温度传感器和基于Zigbee的温度测量[23,24]确实存在。这些系统具有相同的成本问题以及重新编程方面的专家需求。
图1.系统主要组成部分的框图
3.材料和方法
3.1.室内自动加热器控制系统
室内自动加热器控制系统包括三（3）个主要子系统：电源单元，传感器单元和控制/开关单元，系统框图如图1所示。
图1由六（6）个不同的模块组成，每个模块都包含几个组件：发射器和接收器子系统。传感器块由温度传感器（LM35）组成，用户定义的输入由键盘，比较器或控制单元组成，这基本上是由微控制器组成的系统的核心。
图2.系统流程图
一般来说，系统电路由PIC16F877A微控制器、LM35温度控制器组成传感器，LCD显示屏、晶体振荡器、4 x 3键盘用于显示，2个用于开关的晶体管，2个继电器也用于支持晶体管开关效果，灯泡模型为加热器和直流风扇。微控制器由晶体振荡器来计时，因为它没有内部时钟。连接到微控制器的是温度传感器LM 35，可测量室温并将数值读取给微控制器。微控制器的2个负载由继电器接通和断开。继电器没有直接连接至微控制器，而是晶体管，因为开关位于微控制器和继电器之间，以防止继电器损坏微控制器。电阻器连接在系统的每个组件中，用于限制传递给该特定组件的电流。 LCD与微控制器相连，用于显示输入到微控制器的数据。图2给出了室内自动加热器控制系统的操作逻辑（流程图）。LCD的亮度由可变电阻器控制，如图4所示。完整的系统使用的材料如表1所示：
3.2.电力供应
在设计规范会议时，考虑到了电源设计的可用资源。 大多数组件在 5 V DC 上运行，而继电器使用12V，因此需要降低正常电源电压从电源（约240 V AC），到合理的电压，将必须修正（转换为直流电）和进一步过滤，以消除不必要的脉动。 240 V 交流电源降低到 12 V 交流电（12 V RMS 值，其中峰值是大约17 V），从下面的计算可以看到，17 V是进一步使用电压调节器 （LM7805）到 5 V 和 （LM7812） 到 12 V 进行调节。变压器计算后采用20：1的匝比进行电压和整流二极管（IN4001）的整流。方程式（1）、（2）、（3）、（4）、（5） 给出了获得平滑直流信号的过程（电压）。
变压器的匝比和供电关系；
然而，采用了一个优先值为3300 mF的假设滤波，由于波纹值高于计算值，因此会过滤更多，超过预期。图3为所设计的电源电路及得到的模拟结果。
图3.电源电路
3.3.传感单元
本系统使用的是温度传感器（LM35）。温度传感器是一种对温度敏感的设备，它可以对温度变化做出反应。对于温度传感器的校准，我们使用线性建模的方法。由于它被用作基本温度传感器，因此温度每升高1 C就会将其转换为10 mV。传感器读出的最大电压为1V，对应于100 °C，然后将其用作编程的参考。 LM35为微控制器提供模拟温度电压，这是从房间测量的。然后将该模拟信号转换为数字信号，因为微控制器只能解释数字数据。 因为PORT A是默认模拟输入，所以LM35连接到微控制器上的PORT A。不过，一般（等式（6）和（7））从温度传感器得到的微控制器引脚2的电压降和LM35温度传感器测到的温度由[25]给出：
如此，在我们的代码中，我们已经清楚了如何读取以及修改温度。
3.4.控制/开关单元
控制/开关单元包含从传感器单元接收温度状态的微控制器。该单元由微控制器组成，由于其精简的指令集计算机设计，采用PIC16F877A微控制器。这也使代码非常高效，PIC比它强劲的竞争对手如基于8081的微控制器占用更少的内存。相较于它的高时钟速度，其成本也显得很低。本单元的其他部件和装置有:两个(2)晶体管和两个(2)继电器来开/关风扇或加热器。首先提示用户输入他想要房间保持的参考温度。然后温度传感器将测量周围的温度并将数值传递给微控制器。微控制器每10秒读取并检测一次温度，与参考值进行比较。如果测量值小于参考值，加热器会自动打开，使房间变暖，直到温度变回参考值再关闭。如果测量值大于参考值，则冷却器/风扇将被打开，使房间降温到参考温度，当温度恢复到参考温度时就关闭。从温度传感器测量室温在本质上是模拟的。微控制器有一个内建的模数转换装置(A/D)，将模拟信号转换成数字信号，因为微控制器是一种数字设备，只能使用二进制数。图2所示为系统流程图。微控制器编码的伪代码如伪代码1所示：
伪代码1：PIC 16F877A 伪代码
初始化端口和变量
从模拟传感器读取温度
输入参考温度
同时显示实际温度和参考温度
比较参考温度与实际温度
如果参考温度小于实际
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资料编号：[259369]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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