电热毯智能控温系统设计

邹佳玉 黎育红

摘 要：传统电热毯结构简单，在长时间使用后容易发生漏电的现象，并且难以对温度进行控制，易因温度过高影响人体健康。多功能性能的智能调温型电热毯，其功能模块设计分为三大部分，智能控温系统、智能报警系统、分块循环控温系统。在产品的研发过程中，完成对电热毯电子线路布设优化方案的设计，将多种外界信号作为输入，综合应用单片机优选算法，输出控制信号，进而实现对电热毯的智能控制。

关键词：温度控制；安全警報；单片机；信号传输；电路优化

1 背景

电热毯是一种接触式电暖器具。将软索式电热元件呈盘蛇状织入或缝入毛毯里，通电时即发出热量。主要用于人们睡眠时提高被窝里的温度来达到取暖目的。

电热毯的温度控制是最基本的要求，但要较为准确地控制电热毯的温度并不容易。其原因是感温的元件紧密地缠在发热线上，首先感知的是发热元件的温度，而不是电热毯的平均温度，同时受外界条件的影响，诸如布线密度、覆盖物、环境温度等。因为这种器具能够产生较高的温度，并且工作的特性让它与人体长时间大面积的接触，能因使用不当导致电热毯过热而引起打火花的危险事故。

因此，利用温度传感器多点采样测温，将温度信号通过AD转换器转为数字信号，然后传送到单片机系统（stm8s103f3p6）进行数字信号译码处理，通过数码管将温度显示出来，同时单片机系统将处理的温度信号与系统设定温度值比较，进行动作（加热、降温、停止）选择。当电热毯工作异常，将由第二条控温线路动作，达到迅速切断电源，维护安全的效果。双重保险，智能控制，具有较强的推广应用价值。

2 总体方案

手动控制总开关控制整个系统电路的接通与断开。总开关闭合，电路接通后，各部分电阻丝开始发热，单片机环节、温控环节和报警环节通过布置在电热毯上的温度传感器的反馈对电热毯进行检测、控制、调节以及监控。单片机比较各个传感器测量的温度，将最高温度T输入给温度控制环节。温控环节设置一个上限温度T1，一个下限温度T2（上下限温度可手动自己设置）。接通电源后，电热毯开始工作，电阻丝发热，温度开始提高。当温控电路检测到电热毯温度到达上限温度T1时，控温部分就会切断电热毯的供电，电热丝停止发热。一般情况下，如果人正常入睡，天气无大幅度变化（降温）时，床上的温度就可以保持在人体适合的温度内，该温度大于下限温度T2，这个时候电热毯就不会接通电源。但当电热毯温度低于下限温度时，通过温控部分的控制，电热毯重新启动发热。如果系统温控环节或单片机环节出现故障，报警电路检测到电热毯温度过高，就会二次切断电源，使电热毯停止加热，并且报警灯发亮、报警蜂鸣发生。电路总设计图如下

3 电器控制

电器控制方面，分成了3个主要的方向，电热毯温控控制线路、温控报警控制线路和单片机分块温度控制线路。

3.1 电热毯温控控制线路

温度控制精度是电热毯设计和制造中的关键技术，传统电热毯多为2档温度，温度波动大，人体容易出现不良感，不能满足多数人的舒适温暖的需求。系统首先利用温度传感器采用多点测温，将环境温度的模拟信号转换成 8 位的数字信号，然后并口传送到单片机系统（stm8s103f3p6）。单片机系统将接收的数字信号译码处理，通过数码管将温度显示出来，同时单片机系统将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以智能控制电热毯加热、降温与停止3种工作状态，从而实现电热毯的智能控制。

原理图如下

根据该设计电路焊接后实物图如下：

温度控制单片机控制系统

3.2 温控报警控制线路

电热毯温控线路和单片机线路出现问题后，电热毯的温度将会持续升高，达到报警线路所设定的最高值，将会断掉电热毯，并且蜂鸣器发出响声报警。

使用的电器元件包含220V/12V变压器、温控显示开关、继电器、发光二极管、蜂鸣器。

其电路图如下所示：

3.3 多点选温控制

在电热毯上选择两个合理位置布置两对温度传感器，比较这两点温度，将最高温度输入给温控电路进行控制，避免了局部温度过高的现象。RT1和RT1为一对温度传感器，处于同一位置；RT2 和RT2为一对温度传感器，处于同一位置，分别测量两点的温度。传感器阻值随温度升高而降低。利用桥式电路如图所示，比较RT1和RT2两端的电压，并分别输入比较器的负极和正极，然后将比较器输出端与继电器连接，进而改变继电器连通的电路，其中RT1和RT2分别接继电器的常开和常闭端。

其电路图如下所示：

调控：RT1，温度高，阻值低，电压低，比较器输出高电压，RT1导通。

RT2，温度高，阻值低，电压低，比较器输出低电压，RT2导通。

3.4 单片机分块温度控制线路

主要元件是51单片机，通过数据缓冲器，对来自布局在电热毯的数字压力传感器和数字温度传感器传输的数据进行优化分析，输出对连接在各分区电热丝供电线路上的继电器的控制信号，达到优化开断控温的目的。同时，单片机会实时的把温度值通过两片锁存器传输到显示数码管，使用户对电热毯当前状态有一个清楚的认识，达到人性化控温的目的。

4 创新与特色

智能控温：自动控温系统中，插上电源并接通开关，电热毯控制器将自动读取当前设定的温度，再经过采样电路、AD转换、数字译码测量出当前的电热毯温度，判断下一步动作，实现了对电热毯的温度更加精确的控制。

报警系统：当温度控制系统不正常工作，此时智能电热毯的安全报警系统将被触发，二次切断线路并通过报警铃声提醒使用者安全隐患。

分区控制：可根据使用者的需求，分块进行控温，采用负反馈控制方式，由过零检测模块捕捉正弦交流电过零点，同时产生同步脉冲作为控制双向可控硅移相调压的基准，改变三路加热源的输出电压。系统采用增量式PID控制算法，将ADC采样的温度值作为反馈参数，实时调整功率输出量，以保持温度恒定在用户设定目标值附近。

参考文献

[1]王国军.基于ATmega64的多回路智能控温系统的研究和设计[D].江苏大学，2010.

[2]王峰，孟立凡，王冲.基于单片机的温室调温系统的设计与实现[J].电子世界，2011，（10）：57-58.