基于双单片机的电烤箱温度控制系统设计

赵济景，李 俨，胡小俊

（西北工业大学 陕西 西安 710129）

在生产生活过程中，控制对象各种各样，温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面[1]。由于单片机具有集成度高、功能强、体积小、价格低、抗干扰能力等优于一般CPU的优点，因此，在要求高控制精度和低成本的工业测控系统中，通常采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器[2]。文献[2]中采用AD590作为温度传感器预设多组PID参数实现温度控制；文献[3]采用单个87C51作为控制器，兼顾检测、控制等任务实现温度控制。此二者均采用AD590温度传感器进行温度测量，其外围电路复杂、成本高且精确度低；针对这些问题，该论文采用数字传感器克服其缺点。同时该论文采用双单片机来实现控制，采用无线方式进行信号传输，以满足在特定使用环境下，实现远距离的控制。

1 温度控制系统的整体设计

利用单片机实现对电烤箱的稳定控制，其控制系统以单片机为控制核心，采用数字PID的控制算法实现自动控制，达到控制温度的恒定。将多个温度传感器置于电烤箱中，传感器测得多个信号，将这些信号加权平均之后与设定温度值的给定电压进行比较，采用PID算法，得到控制信号，来驱动执行器动作，达到理想结果。图1为系统的总体结构框图。

图1 系统总体结构框图Fig.1 The overall structure diagram of system

系统选择STC89C52RC作为主控芯片，既满足大内存、高速率和通用性的要求，又遵循经济节约的原则。利用检测到的信号和给定温度值对应的信号之间的偏差，采用PID算法得到控制信号，再通过处理放大去驱动执行器。而为了能实现远程监控，设计采用双单片机，利用无线模块进行数据传送，达到远程显示、控制和超限报警等功能。

2 温度控制系统的硬件设计

系统的硬件设计主要包括测温接口电路、无线传输接口电路、按键和显示电路和超限报警电路的设计，其系统两个单片机及其外围电路图分别如图2和3所示。

2.1 测温接口电路设计

采用数字温度传感器DS18B20进行温度采集。为提高精度，使用四个传感器通过软件求取平均值。4个DS18B20可以接到一个I/O口上，但需要使用独立电源；由于该系统I/O口充足，其连接采用一个传感器对应一个I/O口的方式，如图2所示。若需要更多传感器，可以考虑采用多个传感器对应一个I/O口的连接方式。

图2 主单片机电路图Fig.2 Circuit chart of chief SCM

2.2 无线传输接口电路设计

采用nRF24L01芯片实现无线传输，其主要引脚排列如图4说示。各引脚具体功能如下：CE为发射和接收的使能端；CSN为SPI的使能端；SCK为SPI时钟输入；MOSI为SPI数据主输从入端；MISO为SPI数据主入从输端；IRQ为中断输出；VCC为电源端，接3.3 V直流电源。

2.3 按键和显示电路设计2.3.1 按键接口电路设计

设计一共接4个按键。其中3个是用到的，另外一个按键用于功能扩展。其中3个按键的功能分别为：切换键、加一键和减一键，切换键用做显示所测温度与设定温度值显示的切换，加一键和减一键用来改变设定值。

2.3.2 显示接口电路设计

采用4位共阳极LED数码管，它们分别显示温度值的百位、十位、个位和小数点后一位。若要显示设定值，需要按下切换按键即可。共阳数码管需要接上驱动电路，从该电路接到单片机的I/O口P1.0、P1.1、P1.2、P1.3上，这四位分别是四位数码管的片选口，通过此四位决定是哪位数码管进行显示。数码管的a～dp通过电阻接到单片机的P0口上，通过P0口接收需要显示数字的段码，从而实现数字的显示。

图3 从单片机电路图Fig.3 Circuit chart of accessory SCM

2.4 超限报警电路设计

当温度超过设定范围时，系统能够及时报警。系统采用蜂鸣器进行报警，即将蜂鸣器接在单片机的I/O口P2.7上，当出现超限时，将P2.7口置高电平，蜂鸣器报警。

2.5 硬件技术介绍

2.5.1 nRF24L01芯片

该芯片有不同的工作状态，可以通过设置CE和状态寄存器来选择它的工作状态。工作状态如表1所示。配置为发射模式的nRF24L01将会利用增强式ShockBurst技术来发射数据包。发送设备在发完数据后将自动转为接收状态等待接收方的应答信号。若发送设备未接收到应答信号，它将自动重发这包数据（自动重发开启的情况下）直到接收这包数据或重发次数超过了在寄存器SETUP_RETR_ARC设置的所允许的最大重发次数。如果是第二种情况，它将在STATUS寄存器里的MAX_RT位反应出来，并且给出中断。当nRF24L01收到应答信号时，它将认为该包数据成功发送到接收方，并把这包数据从发射堆栈中消除，同时IRQ变低，STATUS寄存器里德中断标志位TX_DS置高。

表1 nRF24L01工作状态表Tab.1 Operative mode of nRF24L01

3 温度控制系统的软件设计

整个系统由主从单片机控制，主单片机担负着检测和处理温度、传送温度、执行PID算法和产生PWM等等的控制任务，从单片机主要实现控制键盘输入、接收主单片机传过来的温度并显示以及报警等功能。

3.1 主单片机程序设计

主单片机主程序主要包括系统的初始化和调用子程序。系统的初始化包括初始化IO口、变量定义以及nRF24L01的初始化配置等。主单片机主要的功能就是检测温度值并传送给从单片机，同时接收从单片机传过来的设定值，并进行PID运算，产生PWM波。由此可设计主程序的流程图如图5所示。

图5 主单片机主程序流程图Fig.5 Flow chart for main process of chief SCM

3.2 从单片机程序设计

从单片机需要实现的功能有：按键输入设定值、显示从主单片机传送过来的温度值、将设定值传送给主单片机以及超限报警功能，从单片机的程序包括：主程序、按键扫描子程序、显示子程序和双机通信程序等。其主程序的流程图如图5所示。

图6 从单片机主程序流程图Fig.6 Flow chart for main process of accessory SCM

3.3 PID算法设计

增量式PID算法如公式（1）

其中：

如果单纯用PID算法，可能会出现很大的超调，所以在设计软件时，可以加上上下限，当偏差值小于下限值时，执行器不动作；当偏差值大于上限值时，就将令偏差值等于最大值来计算；只有当偏差值在上下限区间内，系统才会按照PID算法执行。下列程序为PID输出值程序。

4 结 论

按照上述方法设计的硬件电路和程序，经过实际调试，整个系统运行良好，很好地实现了对锅炉温度的控制。该方法以双单片机作为硬件平台，将无线传输技术、PWM波产生技术[9]等加入到设计之中，实现了一种高精度、性能稳定温控方案。为今后工业上不同对象的温度控制提供了参考依据和技术支持。

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