碳纖維電暖產(chǎn)品智能溫控器

王楠

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌，712100）

1 可加熱電暖產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀

為了積極響應(yīng)國家“治霾減污，堅(jiān)決打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的方針，各地政府為了完成農(nóng)村煤改電改造工程，使老百姓真正享受到綠色環(huán)保產(chǎn)品，免費(fèi)提供碳纖維電炕板、碳纖維炕暖毯、碳纖維電暖畫，供父老鄉(xiāng)親們自主選擇，度過寒冷的冬季。溫控器是這些產(chǎn)品的核心部件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的溫度控制。

可加熱可穿戴紡織品主要包括處于防寒目的加熱服與用于身體加熱的與用于身體局部熱敷可加熱保健產(chǎn)品，目前市場上最常見的保暖形式還是被動阻熱式保暖，即通過對衣內(nèi)靜止空氣層的控制，是的人體自身產(chǎn)生的熱量盡量少的向外散失，起到保暖的目的。而主動產(chǎn)熱式的加熱型可穿戴紡織品主要通過外加能源來實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對人體加熱的目的。

智能溫控器是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，它先由電源、發(fā)熱元件、溫度控制系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置等通過導(dǎo)線連接成電路后，再將該電路置于服裝內(nèi)，利用電源控制電熱元件產(chǎn)生熱量，起到防寒保暖作用的一類服裝的總稱。目前市場上所銷售的智能溫控器主要有電加熱棉衣、夾克、馬甲、背心、保暖套裝、護(hù)腰等。早在20世紀(jì)40年代，國外研究人員就將幾乎可以覆蓋全部身體的電加熱墊置于面料和里料之間，開發(fā)出一款電暖產(chǎn)品。此后，研究人員對于智能溫控器的研究不斷深入將聚氯乙烯涂在電熱絲表面制成加熱元件置于服裝內(nèi)，制成一款熱量可比較均勻向全身傳遞的溫度的電暖產(chǎn)品；將導(dǎo)電紗線織入針織物中制成加熱板，由鎳金屬氰化物和鋰離子電池供電，設(shè)計(jì)出一款帶有溫度控制系統(tǒng)的智能溫控器；將聚酯膜放置于服裝的內(nèi)層充當(dāng)加熱元件，通過與電池連接達(dá)到為人體供暖的要求。此后，科研人員對智能溫控器的研究主要集中于電源、發(fā)熱元件、供熱區(qū)域和熱性能評價(jià)方法等方面。

目前市場上溫控器存在很多設(shè)計(jì)以及使用上安全上的缺陷，根據(jù)項(xiàng)目反饋，目前有一下幾個(gè)方面的問題：（1）供電系統(tǒng)經(jīng)常燒壞，甚至起火；（2）控溫開關(guān)采用繼電器，聲音比較大；（3）操作過于繁雜，不夠簡單。因此本文針對這幾個(gè)主要問題對溫控器進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)，目前該產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，用戶使用反饋良好。

2 碳纖維發(fā)熱片制作

一般使用的碳纖維發(fā)熱材料是以碳纖維單絲聚集成束的長絲材料，其特點(diǎn)為纖維材料純度高，含碳量多在99%以上，發(fā)熱面積大，且遠(yuǎn)紅外發(fā)射率高達(dá)0.95，有效提高了熱轉(zhuǎn)換率降低了電能的消耗。目前該類材料一般有兩種使用方式：一類是直接將碳纖維復(fù)絲在織物表面按一定形狀進(jìn)行粘附，另一種是將碳纖維長絲與其他紗線交織制成織物，前者在反復(fù)使用后，因黏膠等材料的老化而發(fā)生脫落。后者因碳纖維絲在交織過程中彎折過多而發(fā)生斷裂，目前多處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段。

發(fā)熱布的心臟就是碳纖維長絲，碳纖維長絲交織用來作導(dǎo)線的金屬絲，碳纖維長絲和金屬絲之間可以用常規(guī)的紗線來做導(dǎo)電發(fā)熱體的骨架，金屬絲沿經(jīng)紗方向分布在導(dǎo)電發(fā)熱布的兩端，碳纖維長絲則以一定的距離沿緯紗方向分布，發(fā)熱布在電壓的作用下就能導(dǎo)電繼而發(fā)熱。碳纖維復(fù)絲因其良好的電熱轉(zhuǎn)化情況，應(yīng)進(jìn)行更為深入的加熱研究與設(shè)計(jì)，從而使其功能更好的被利用。

發(fā)熱片的包覆材料有：粘合襯、棉毛布等，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的加熱片外觀尺寸為75*15cm，碳纖維絲長度篤定在55cm/條，并將碳纖維長絲合股加粗，減小每根碳纖維單位長度的阻值，使其便于發(fā)熱，最終確定將3束55cm長的碳纖維并聯(lián)組合。其中，碳纖維絲分別距離織物邊緣1cm，絲與絲之間間距約為1.3cm，最終形成一個(gè)閉合回路。

3 智能溫控器設(shè)計(jì)

3.1 智能加熱裝置控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能加熱裝置控制系統(tǒng)由加熱片部分、加熱開關(guān)部分、定制電池部分組成。

在智能加熱裝置系統(tǒng)中由定制獨(dú)立電源、加熱控制開關(guān)以及碳纖維發(fā)熱體結(jié)構(gòu)組成的發(fā)熱片，定制電池為10000mAh，雙2.0A輸出；加熱控制開關(guān)分為高中第三檔控制選擇，高檔100%功率輸出，中檔75%功率輸出，底擋50%功率輸出。加熱片由碳纖維發(fā)熱體和計(jì)入的加熱電源組成，電壓5v功率下雨等于8w。

整個(gè)智能加熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 智能加熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

碳纖維電暖產(chǎn)品智能溫控器系統(tǒng)，用戶可通過按鍵改變系統(tǒng)參數(shù)，單片機(jī)通過讀取相應(yīng)參數(shù)通過PWM占空比控制不同檔位的溫度，同時(shí)在碳纖維電暖產(chǎn)品生產(chǎn)之初就將其最高加熱溫度限制在60℃（即使將產(chǎn)品不停通電，其最高溫度不會超過60℃），同時(shí)數(shù)碼管顯示當(dāng)前設(shè)定檔位，且系統(tǒng)具有過流保護(hù)、雙溫雙控、過溫保護(hù)、故障報(bào)警等功能。智能溫控器系統(tǒng)主要由單片機(jī)、數(shù)碼管顯示、溫度傳感器、按鍵矩陣和可控硅電路等組成。單片機(jī)選用STM系列中擁有8 KB Flash程序存儲的STM8S003F3P6單片機(jī)，具有128字節(jié)EEPROM,內(nèi)部16MHz時(shí)鐘，5個(gè)10位AD轉(zhuǎn)換，自帶3個(gè)PWM波輸出IO等特點(diǎn)。溫度傳感器采用NTC熱敏電阻，具有價(jià)格便宜、精度較高、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)碼管驅(qū)動采用SM1668，是一種帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動控制專用電路，內(nèi)部集成有MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED驅(qū)動、鍵盤掃描等電路，且在輸入端口內(nèi)置上拉，可在應(yīng)用方案中省去外部上拉電阻?？煽毓桦娐凡捎霉怦钚酒珻T3061配合可控硅BAT24實(shí)現(xiàn)TTL電平控制交流220V。溫控器系統(tǒng)MCU控制原理圖如圖2所示。

圖2 溫控器系統(tǒng)MCU 控制原理圖

溫控器上電后，板載供電系統(tǒng)會將220V交流電轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)需要的直流電，單片機(jī)開始工作，不停掃描按鍵有沒有被按下，同時(shí)檢測按鍵被按下的時(shí)間，當(dāng)不同的按鍵被按下，單片機(jī)執(zhí)行不同的操作。例如系統(tǒng)上電后，處于休眠狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)按鍵被長時(shí)間按下，單片機(jī)在對應(yīng)的數(shù)碼管上顯示設(shè)定檔位，并開始控制可控硅按照既定檔位開始加熱。

針對上文提到的現(xiàn)有溫控器存在的問題，為了提高溫控器的穩(wěn)定性、可靠性，對供電電路、數(shù)碼管驅(qū)動電路、可控硅電路以及溫度監(jiān)控電路進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

3.2.1 供電電路

電源供電電路給溫控器的各個(gè)部分供電，如圖1所示，數(shù)碼管驅(qū)動芯片SM1668需要5V電，單片機(jī)STM8需要3.3V電，在溫控器的實(shí)際使用中，供電電壓是交流220V，因此需要將交流220V電壓轉(zhuǎn)換成后面各個(gè)芯片所需的直流5V和3.3V。

如圖3所示，220V交流電經(jīng)過D2的全橋整流，電容C3,EC1和電感L1的作用下變成高壓直流，在降壓芯片AH8652和其外圍阻容以及電感的作用下將電壓穩(wěn)在5V，同時(shí)在LDO穩(wěn)壓器AMS1117的作用就像將直流5V穩(wěn)到3.3V。

圖3 供電電路原理圖

3.2.2 溫度監(jiān)控電路

本溫控器采用可控硅來控制發(fā)熱材料的溫度，可控硅在工作時(shí)會產(chǎn)生大量的熱量，熱量累計(jì)到一定程度可能會將溫控器外殼燙變形，甚至起火，存在很大的安全隱患，因此本溫控器采用一個(gè)NTC熱敏電阻放在可控硅的散熱片下，監(jiān)控可控硅的溫度。

將NTC熱敏電阻與一個(gè)電阻串聯(lián)，從而組成串聯(lián)分壓電路。這樣當(dāng)NTC熱敏電阻隨著溫度發(fā)生變化，其產(chǎn)生的參考電壓也在變化，將參考電壓輸入到單片機(jī)的AD端口，并由此計(jì)算出溫度值，當(dāng)溫度高于設(shè)定閾值，單片機(jī)控制斷開可控硅，停止加熱，從而提高設(shè)備整體安全性。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 程序整體流程

溫控器啟動后，單片機(jī)首先掃描按鍵，檢測兩路的開關(guān)按鍵有沒有被長時(shí)間按下，如果被長時(shí)間按下就開啟對應(yīng)的通道，并從單片機(jī)FLASH讀取上次存儲的控溫?fù)跷?，并顯示在數(shù)碼管上。例如當(dāng)通道1的開關(guān)按鍵被長時(shí)間按下3S，單片機(jī)從對應(yīng)的FLASH地址讀取上次通道1的擋位并顯示在通道1對應(yīng)的數(shù)碼管上，同時(shí)單片機(jī)控制可控硅按照該擋位的設(shè)定規(guī)則控制可控硅的通斷，單片機(jī)同時(shí)在不停掃描加按鍵和減按鍵有沒有被按下，當(dāng)按鍵被按下，單片機(jī)將擋位數(shù)值對應(yīng)加一或者減一并保存，同時(shí)按照新的擋位規(guī)則控制可控硅，知道開關(guān)按鍵被再次按下，關(guān)閉該通道。通道2控制邏輯與通道1相同并相互獨(dú)立。

3.3.2 可控硅控制算法

為了簡化施工難度，控制器沒有采集電暖產(chǎn)品的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行反饋，因此控制算法就采用開環(huán)控制，現(xiàn)采用時(shí)間段法和PWM占空比法兩種。時(shí)間段法即以60秒為周期，通過加減按鍵將擋位設(shè)置成S（S可設(shè)置成10-60任意數(shù)字），單片機(jī)即控制可控硅加熱S秒斷開60-S秒。PWM占空比法即將可控硅的控制端口輸出50赫茲PWM方波，通過加減按鍵將擋位設(shè)置成S，單片機(jī)則控制修改PWM方波占空比為1.6*S。

圖4 主程序流程圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的智能溫控器的實(shí)際控制性能以及使用何種控制算法，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)使用相同功率，相同材料的電暖產(chǎn)品，分別使用不同的算法控制加熱。得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:

分析表1，可以看出，使用占空比算法相同條件下，升溫速度快，峰值溫度高，因此采用該算法控溫，目前已在某電暖項(xiàng)目完成測試，效果良好。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

根據(jù)項(xiàng)目需要，研制了一種適用于碳纖維電暖產(chǎn)品智能溫控器。該溫控器實(shí)現(xiàn)了雙溫雙控、可編程、溫度限值保護(hù)和智能溫度控制器的誤差報(bào)警功能。通過優(yōu)化軟硬件設(shè)計(jì)，大大提高了溫度控制器的精度和節(jié)能效果，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用值和研究意義。