基于雙單片機的電烤箱溫度控制系統設計

摘要：針對生產生活中對溫度控制的高精度要求，利用雙單片機(SCM)作為硬件平臺，融合無線傳輸技術、PWM波產生技術，采用PID算法，設計了一種基于雙單片機的電烤箱溫度控制系統。采用多點測溫，提高溫度控制精度;利用無線傳輸芯片nRF24L01進行兩單片機之間的通信，實現檢測和控制的分離。同時進行鍵盤顯示電路設計，實現數據的輸入、顯示功能;進行超限報警電路的設計，防止溫度出現大的超調。經過硬件結合軟件調試，整個系統運行良好，很好的實現了溫度控制。

在生產生活過程中，控制對象各種各樣，溫度控制在生產過程中占有相當大的比例，其關鍵在于測溫和控溫兩方面。由于單片機具有集成度高、功能強、體積小、價格低、抗干擾能力等優于一般CPU的優點，因此，在要求高控制精度和低成本的工業測控系統中，通常采用單片機作為數字控制器取代模擬控制器。文獻中采用AD590作為溫度傳感器預設多組PID參數實現溫度控制;文獻采用單個87C51作為控制器，兼顧檢測、控制等任務實現溫度控制。此二者均采用AD590溫度傳感器進行溫度測量，其外圍電路復雜、成本高且精確度低;針對這些問題，該論文采用數字傳感器克服其缺點。同時該論文采用雙單片機來實現控制，采用無線方式進行信號傳輸，以滿足在特定使用環境下，實現遠距離的控制。

1 溫度控制系統的整體設計

利用單片機實現對電烤箱的穩定控制，其控制系統以單片機為控制核心，采用數字PID的控制算法實現自動控制，達到控制溫度的恒定。將多個溫度傳感器置于電烤箱中，傳感器測得多個信號，將這些信號加權平均之后與設定溫度值的給定電壓進行比較，采用PID算法，得到控制信號，來驅動執行器動作，達到理想結果。圖1為系統的總體結構框圖。

系統選擇STC89C52RC作為主控芯片，既滿足大內存、高速率和通用性的要求，又遵循經濟節約的原則。利用檢測到的信號和給定溫度值對應的信號之間的偏差，采用PID算法得到控制信號，再通過處理放大去驅動執行器。而為了能實現遠程監控，設計采用雙單片機，利用無線模塊進行數據傳送，達到遠程顯示、控制和超限報警等功能。

2 溫度控制系統的硬件設計

系統的硬件設計主要包括測溫接口電路、無線傳輸接口電路、按鍵和顯示電路和超限報警電路的設計，其系統兩個單片機及其外圍電路圖分別如圖2和3所示。

2.1 測溫接口電路設計

采用數字溫度傳感器DS18B20進行溫度采集。為提高精度，使用四個傳感器通過軟件求取平均值。4個DS18B20可以接到一個I/O口上，但需要使用獨立電源;由于該系統I/O口充足，其連接采用一個傳感器對應一個I/O口的方式，如圖2所示。若需要更多傳感器，可以考慮采用多個傳感器對應一個I/O口的連接方式。

2.2 無線傳輸接口電路設計

采用nRF24L01芯片實現無線傳輸，其主要引腳排列如圖4所示。各引腳具體功能如下：CE為發射和接收的使能端;CSN為SPI的使能端;SCK為SPI時鐘輸入;MOSI為SPI數據主輸從入端;MISO為SPI數據主入從輸端;IRQ為中斷輸出;VCC為電源端，接3.3 V直流電源。

2.3 按鍵和顯示電路設計

2.3.1 按鍵接口電路設計

設計一共接4個按鍵。其中3個是用到的，另外一個按鍵用于功能擴展。其中3個按鍵的功能分別為：切換鍵、加一鍵和減一鍵，切換鍵用做顯示所測溫度與設定溫度值顯示的切換，加一鍵和減一鍵用來改變設定值。

2.3.2 顯示接口電路設計

采用4位共陽極LED數碼管，它們分別顯示溫度值的百位、十位、個位和小數點后一位。若要顯示設定值。需要按下切換按鍵即可。共陽數碼管需要接上驅動電路，從該電路接到單片機的I/O口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3上，這四位分別是四位數碼管的片選口，通過此四位決定是哪位數碼管進行顯示。數碼管的a～dp通過電阻接到單片機的P0口上，通過P0口接收需要顯示數字的段碼，從而實現數字的顯示。

2.4 超限報警電路設計

當溫度超過設定范圍時，系統能夠及時報警。系統采用蜂鳴器進行報警，即將蜂鳴器接在單片機的I/O口P2.7上，當出現超限時，將P2.7口置高電平，蜂鳴器報警。

2.5 硬件技術介紹

2.5.1 nRF24L01芯片

該芯片有不同的工作狀態，可以通過設置CE和狀態寄存器來選擇它的工作狀態。工作狀態如表1所示。配置為發射模式的nRF24L01將會利用增強式ShockBurst技術來發射數據包。發送設備在發完數據后將自動轉為接收狀態等待接收方的應答信號。若發送設備未接收到應答信號，它將自動重發這包數據(自動重發開啟的情況下)直到接收這包數據或重發次數超過了在寄存器SETUP_RETR_ARC設置的所允許的最大重發次數。如果是第二種情況，它將在STATUS寄存器里的MAX_RT位反應出來，并且給出中斷。當nRF24L01收到應答信號時，它將認為該包數據成功發送到接收方，并把這包數據從發射堆棧中消除，同時IRQ變低，STATUS寄存器里德中斷標志位TX_DS置高。

3 溫度控制系統的軟件設計

整個系統由主從單片機控制，主單片機擔負著檢測和處理溫度、傳送溫度、執行PID算法和產生PWM等等的控制任務，從單片機主要實現控制鍵盤輸入、接收主單片機傳過來的溫度并顯示以及報警等功能。

3.1 主單片機程序設計

主單片機主程序主要包括系統的初始化和調用子程序。系統的初始化包括初始化IO口、變量定義以及nRF24L01的初始化配置等。主單片機主要的功能就是檢測溫度值并傳送給從單片機，同時接收從單片機傳過來的設定值，并進行PID運算，產生PWM波。由此可設計主程序的流程圖如圖5所示。

3.2 從單片機程序設計

從單片機需要實現的功能有：按鍵輸入設定值、顯示從主單片機傳送過來的溫度值、將設定值傳送給主單片機以及超限報警功能，從單片機的程序包括：主程序、按鍵掃描子程序、顯示子程序和雙機通信程序等。其主程序的流程圖如圖6所示。

3.3 PID算法設計

增量式：PID算法如公式(1)

如果單純用PID算法，可能會出現很大的超調，所以在設計軟件時，可以加上上下限，當偏差值小于下限值時，執行器不動作;當偏差值大于上限值時，就將令偏差值等于最大值來計算;只有當偏差值在上下限區間內，系統才會按照PID算法執行。下列程序為PID輸出值程序。

4 結論

按照上述方法設計的硬件電路和程序，經過實際調試，整個系統運行良好，很好地實現了對鍋爐溫度的控制。該方法以雙單片機作為硬件平臺，將無線傳輸技術、PWM波產生技術等加入到設計之中，實現了一種高精度、性能穩定溫控方案。為今后工業上不同對象的溫度控制提供了參考依據和技術支持。

關鍵詞： 單片機 溫度控制 PID算法 無線傳輸