基于雙單片機的電烤箱溫度控制系統設計

摘要：針對生產(chǎn)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(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、PWM波產(chǎn)生技術(shù)，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(diǎn)測溫，提高溫度控制精度;利用無(wú)線(xiàn)傳輸芯片nRF24L01進(jìn)行兩單片機之間的通信，實(shí)現檢測和控制的分離。同時(shí)進(jìn)行鍵盤(pán)顯示電路設計，實(shí)現數據的輸入、顯示功能;進(jìn)行超限報警電路的設計，防止溫度出現大的超調。經(jīng)過(guò)硬件結合軟件調試，整個(gè)系統運行良好，很好的實(shí)現了溫度控制。

在生產(chǎn)生活過(guò)程中，控制對象各種各樣，溫度控制在生產(chǎn)過(guò)程中占有相當大的比例，其關(guān)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(jià)格低、抗干擾能力等優(yōu)于一般CPU的優(yōu)點(diǎn)，因此，在要求高控制精度和低成本的工業(yè)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(shí)現溫度控制;文獻采用單個(gè)87C51作為控制器，兼顧檢測、控制等任務(wù)實(shí)現溫度控制。此二者均采用AD590溫度傳感器進(jìn)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(wèn)題，該論文采用數字傳感器克服其缺點(diǎn)。同時(shí)該論文采用雙單片機來(lái)實(shí)現控制，采用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行信號傳輸，以滿(mǎn)足在特定使用環(huán)境下，實(shí)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(shí)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(shí)現自動(dòng)控制，達到控制溫度的恒定。將多個(gè)溫度傳感器置于電烤箱中，傳感器測得多個(gè)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(jìn)行比較，采用PID算法，得到控制信號，來(lái)驅動(dòng)執行器動(dòng)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(mǎn)足大內存、高速率和通用性的要求，又遵循經(jīng)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(guò)處理放大去驅動(dòng)執行器。而為了能實(shí)現遠程監控，設計采用雙單片機，利用無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)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(wú)線(xiàn)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(gè)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(jìn)行溫度采集。為提高精度，使用四個(gè)傳感器通過(guò)軟件求取平均值。4個(gè)DS18B20可以接到一個(gè)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(gè)傳感器對應一個(gè)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(gè)傳感器對應一個(gè)I/O口的連接方式。

2.2 無(wú)線(xiàn)傳輸接口電路設計

采用nRF24L01芯片實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(fā)射和接收的使能端;CSN為SPI的使能端;SCK為SPI時(shí)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(gè)按鍵。其中3個(gè)是用到的，另外一個(gè)按鍵用于功能擴展。其中3個(gè)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(lái)改變設定值。

2.3.2 顯示接口電路設計

采用4位共陽(yáng)極LED數碼管，它們分別顯示溫度值的百位、十位、個(gè)位和小數點(diǎn)后一位。若要顯示設定值。需要按下切換按鍵即可。共陽(yáng)數碼管需要接上驅動(dòng)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(guò)此四位決定是哪位數碼管進(jìn)行顯示。數碼管的a～dp通過(guò)電阻接到單片機的P0口上，通過(guò)P0口接收需要顯示數字的段碼，從而實(shí)現數字的顯示。

2.4 超限報警電路設計

當溫度超過(guò)設定范圍時(shí)，系統能夠及時(shí)報警。系統采用蜂鳴器進(jìn)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(shí)，將P2.7口置高電平，蜂鳴器報警。

2.5 硬件技術(shù)介紹

2.5.1 nRF24L01芯片

該芯片有不同的工作狀態(tài)，可以通過(guò)設置CE和狀態(tài)寄存器來(lái)選擇它的工作狀態(tài)。工作狀態(tài)如表1所示。配置為發(fā)射模式的nRF24L01將會(huì )利用增強式ShockBurst技術(shù)來(lái)發(fā)射數據包。發(fā)送設備在發(fā)完數據后將自動(dòng)轉為接收狀態(tài)等待接收方的應答信號。若發(fā)送設備未接收到應答信號，它將自動(dòng)重發(fā)這包數據(自動(dòng)重發(fā)開(kāi)啟的情況下)直到接收這包數據或重發(fā)次數超過(guò)了在寄存器SETUP_RETR_ARC設置的所允許的最大重發(fā)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(lái)，并且給出中斷。當nRF24L01收到應答信號時(shí)，它將認為該包數據成功發(fā)送到接收方，并把這包數據從發(fā)射堆棧中消除，同時(shí)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(gè)系統由主從單片機控制，主單片機擔負著(zhù)檢測和處理溫度、傳送溫度、執行PID算法和產(chǎn)生PWM等等的控制任務(wù)，從單片機主要實(shí)現控制鍵盤(pán)輸入、接收主單片機傳過(guò)來(lái)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(shí)接收從單片機傳過(guò)來(lái)的設定值，并進(jìn)行PID運算，產(chǎn)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(shí)現的功能有：按鍵輸入設定值、顯示從主單片機傳送過(guò)來(lái)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(huì )出現很大的超調，所以在設計軟件時(shí)，可以加上上下限，當偏差值小于下限值時(shí)，執行器不動(dòng)作;當偏差值大于上限值時(shí)，就將令偏差值等于最大值來(lái)計算;只有當偏差值在上下限區間內，系統才會(huì )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(jīng)過(guò)實(shí)際調試，整個(gè)系統運行良好，很好地實(shí)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(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、PWM波產(chǎn)生技術(shù)等加入到設計之中，實(shí)現了一種高精度、性能穩定溫控方案。為今后工業(yè)上不同對象的溫度控制提供了參考依據和技術(shù)支持。