馬朝飛 金怡芳 晏鵬 謝唯 陳卓

摘 ? 要：物聯(lián)網(wǎng)的概念和實物在身邊隨處可見，物聯(lián)網(wǎng)下的產(chǎn)品也是人們追求優(yōu)質(zhì)生活的需要，不斷深化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為當(dāng)前時代進(jìn)步的趨勢。在這樣的背景下，本文針對一種新型優(yōu)質(zhì)加熱材料石墨烯進(jìn)行PID恒溫控制。系統(tǒng)主要包括：溫度采集部分、溫度顯示部分、溫度控制部分、加熱部分;并利用這些模塊實現(xiàn)了石墨烯壁畫的自動控制。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) ?溫度傳感器 ?自動控制 ?石墨烯

中圖分類號：G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0145-02

適宜的環(huán)境是人高效率辦公的有利條件，而控制好溫度是營造一個舒適環(huán)境的前提。隨著自動控制理論和單片機(jī)的不斷發(fā)展，許許多多的自動控制器件不斷推陳出新，在溫度控制方面也得到了快速發(fā)展。

1 ?系統(tǒng)硬件部分設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的工作原理

通過鍵盤預(yù)先設(shè)定溫度，并使用溫度傳感器DS18B20來進(jìn)行溫度測量。DS18B20是一種集溫度測量、A/D轉(zhuǎn)換為一體的芯片，DS18B20的溫度測量部分將采集到的溫度模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成數(shù)字量，并由DQ總線傳給單片機(jī);經(jīng)單片機(jī)處理后，LCD1602顯示器顯示測量溫度。當(dāng)測量溫度小于預(yù)先設(shè)定溫度時，進(jìn)入加熱模式;當(dāng)測量溫度大于設(shè)定溫度時，裝置靜置冷卻。

1.2 系統(tǒng)硬件的組成

1.2.1 加熱材料—石墨烯

本系統(tǒng)采用石墨烯作為發(fā)熱體，由于石墨烯本身結(jié)構(gòu)的大π鍵，因而具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能。而其本質(zhì)石墨材料是以電子導(dǎo)熱機(jī)理為主，所以石墨烯也具有超強的熱傳遞性能，其熱導(dǎo)率可到5000W/mk，是金剛石、石墨的3倍，是傳統(tǒng)金屬材料銀、銅及鋁的25倍。該材料的優(yōu)點也正是本系統(tǒng)的特色之處，本系統(tǒng)在現(xiàn)有成熟的自動控制理論上，充分利用其優(yōu)點，制成新型自動恒溫控制壁畫材料。

石墨烯是一種非線性材料，其電阻率會隨著溫度的變化而變化。為了進(jìn)一步了解材料的特性，故建立石墨烯電阻率與溫度之間的數(shù)學(xué)模型，得出其關(guān)系式為：

1.2.2 溫度采集—DS18B20

假設(shè)本系統(tǒng)使用場景為家庭辦公，故系統(tǒng)溫度范圍需控制在25℃至38℃，精度范圍為±0.5℃ 。DS18B20是由DALL -AS公司生產(chǎn)的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器其測量溫度范圍在-55℃～+125℃，測量結(jié)果能以9～12位數(shù)字量方式串行傳送，具有體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點。單總線使得占用單片機(jī)的端口少，節(jié)省了大量的線路和操作。因此，在溫度采集模塊設(shè)計中采用DS18B2 0溫度傳感器。此外，DS18B20還可以進(jìn)行多點組網(wǎng)功能，每個DS18B20都有唯一對應(yīng)的ROM碼，因此單片機(jī)可以利用特定的ROM與某一個溫度傳感器通信，形成多個溫度傳感器與單片機(jī)的連接通信，構(gòu)成多點溫度采集系統(tǒng)[1]。溫度采集完成后，可在LCD1602顯示器中觀測溫度。

1.2.3 加熱裝置及人機(jī)互動

因單片機(jī)部分工作電壓在5V左右，而石墨烯加熱需要在220V的環(huán)境下，本系統(tǒng)加熱裝置采用光耦合器設(shè)備進(jìn)行隔離[2]。光耦合器由光的發(fā)出、光的接收和信號放大三部分組成。左側(cè)輸入單片機(jī)發(fā)出的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管產(chǎn)生一定波長的光線，另一側(cè)光探測器接受光并在內(nèi)部產(chǎn)生光電流，光電流通過信號放大功能進(jìn)一步放大后控制右側(cè)加熱裝置。

本系統(tǒng)通過鍵盤鍵入設(shè)定溫度來完成人機(jī)互動部分。首先，程序預(yù)設(shè)定一個溫度值，每次啟動都是固定值，當(dāng)用戶需要對溫度進(jìn)行設(shè)定時，可以采用鍵盤進(jìn)行溫度調(diào)控。

2 ?系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)上位機(jī)軟件部分—Labview

采用Labview軟件完成系統(tǒng)智能控制部分的設(shè)計。用戶通過手機(jī)打開相應(yīng)軟件，登錄到用戶操作界面，通過相關(guān)簡易操作完成監(jiān)控控制操作。

利用Labview中儀器編程標(biāo)準(zhǔn)I/O API—VISA可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和輸出[3]。上位機(jī)從串行口讀取數(shù)據(jù)時，首先上位機(jī)通過VISA Write函數(shù)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳送命令，下位機(jī)完成操作并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)緩存區(qū)，上位機(jī)中的VISA Read函數(shù)將數(shù)據(jù)讀出。當(dāng)完成數(shù)據(jù)讀取后，要立刻釋放串口，方便繼續(xù)讀取下位機(jī)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)單片機(jī)軟件部分

2.2.1 主程序流程

首先對LCD1602、DS18B20等初始化，設(shè)定定時器初值，然后進(jìn)行溫度采集，溫度比較，進(jìn)一步確定高電平時間，最后定時進(jìn)入中斷，對高低電平進(jìn)行準(zhǔn)確時間計時。

2.2.2 PID算法和PWM控制原理

為了保持室溫恒定，不僅需要得到當(dāng)前溫度的信息，也需得到加熱裝置的加熱時間。本系統(tǒng)采用PID和PWM結(jié)合控制方法進(jìn)行恒溫控制。

PID算法控制簡單且效果顯著，是經(jīng)典的自動控制理論。系統(tǒng)將當(dāng)前輸出與預(yù)計輸出進(jìn)行比對，得出誤差值e（t），在PID調(diào)節(jié)器的作用下，進(jìn)行比例、積分、微分計算，得出輸出值以確定PWM的占空比。因得到溫度數(shù)據(jù)是離散的，故采用PID離散表達(dá)式，其數(shù)學(xué)模型為：

（1）

式（1）中kp、ki、kd為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù).err（k）為當(dāng)前誤差。

實現(xiàn)對加熱裝置的精準(zhǔn)控制，可采用PWM脈沖寬度調(diào)制。PWM脈沖寬度調(diào)制通過控制開關(guān)器件的通斷輸出一系列幅值相等而寬度不同的脈沖，利用這部分脈沖作為需要的波形。上述PID算法得到的輸出作為更新PWM脈沖寬度的依據(jù)，再利用單片機(jī)的定時器功能精準(zhǔn)控制脈沖的寬度，處于高電平時導(dǎo)通加熱裝置，處于低電平時關(guān)閉加熱裝置。

2.2.3 PID算法系數(shù)整定

PID控制器參數(shù)的整定[4]主要分為兩大類：一是理論計算整定法，二是工程整定的方法。理論計算整定法主要是根據(jù)系統(tǒng)（如本例加熱材料石墨烯）數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行理論推算控制器參數(shù)，但最終仍需要實際實驗進(jìn)行微調(diào)整。工程整定方法主要根據(jù)經(jīng)驗，進(jìn)行實際實驗，通過效果判斷，主要采用臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。本系統(tǒng)中采用臨界比例法，步驟如下。

（1）根據(jù)經(jīng)驗預(yù)設(shè)定比例系數(shù)和采樣周期讓系統(tǒng)工作起來，而后增大比例系數(shù)至超過臨界振蕩，再緩慢減小系數(shù)至臨界振蕩，得到比例系數(shù)。

（2）采用類似的方式確定臨界振蕩時的積分系數(shù)，取得到的150%～180%。

（3）微分仍采取上述方法得到微分系數(shù)，取得到的30%即可。

3 ?結(jié)語

本系統(tǒng)充分利用石墨烯發(fā)熱均勻、效率高且能產(chǎn)生對人體有益物質(zhì)等特點，利用現(xiàn)有的PID算法等理論對石墨烯進(jìn)行自動控制，達(dá)到保持室內(nèi)溫度恒定的目的。本系統(tǒng)將算法與高效率發(fā)熱材料充分配合達(dá)到高效工作，操作過程上手簡單，實驗效果明顯，在未來智能家居方面具有巨大前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 李善壽，方潛生，肖本賢，等.基于單片機(jī)的恒溫控制器的設(shè)計和實現(xiàn)[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，18（12）：197-199.

[2] 杜運東，劉勝利，包西勇，等.基于單片機(jī)的電熱恒溫箱控制系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化，2008（4）：92-94.

[3] 范治政，劉永春，郭志庭.基于Ardunio和LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2015，30（7）：62-65.

[4] 袁易君.基于單片機(jī)室內(nèi)恒溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代企業(yè)文化，2008（36）：67-68.