基于無線通信和PID控制實現(xiàn)的智能溫度控制系統(tǒng)研究

王艷 李昂 陳姝君 王秀梅

摘 要：設(shè)計提出了無線通信和PID控制的智能溫度控制系統(tǒng)，以單片機為核心，采用主機和從機的結(jié)構(gòu)。主機通過按鍵設(shè)置預(yù)設(shè)溫度，通過LCD1602實時顯示實際溫度和預(yù)設(shè)溫度，通過nRF24L01無線射頻模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給從機;從機采用溫度傳感器DS18B20實時檢測溫度，通過nRF24L01無線射頻模塊接收預(yù)設(shè)溫度，通過PID算法實現(xiàn)溫度控制。

關(guān)鍵詞：單片機;PID控制;DS18B20;nRF24L01;MOS管;實時

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-03

0 引 言

溫度是表征物體冷熱程度的一個物理量。在人們的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對溫度的控制占據(jù)著非常重要的地位。本設(shè)計是基于無線通信和PID控制實現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過無線通信的方式實現(xiàn)遠程溫度控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)采用無線射頻通信的方式，分為主機和從機兩個部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。主機的功能是實時顯示溫度、預(yù)設(shè)溫度;從機的功能是實時采集溫度，通過PID控制實現(xiàn)制冷和加熱。本設(shè)計由溫度采集模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、無線射頻模塊以及溫度控制模塊組成。溫度采集模塊通過DS18B20傳感器實時采集溫度;鍵盤模塊預(yù)設(shè)溫度;顯示模塊顯示實時和預(yù)設(shè)溫度;無線射頻模塊將主機的預(yù)設(shè)溫度發(fā)送到從機，從機將采集的實時溫度發(fā)送給主機;溫度控制模塊的工作原理是利用PID算法控制MOS管的導(dǎo)通與斷開，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用DS18B20傳感器實時測溫，其溫度測量范圍較大，能夠達到-55～+125 ℃[1-2]，電源供電電壓為3～5.5 V。該模塊連線圖如圖2所示，DS18B20的1號腳接地;3號腳接VCC;2號腳為I/O口，接單片機的P2.0口。

2.2 無線射頻模塊

無線射頻模塊通過nRF24L01芯片進行數(shù)據(jù)通信，其工作頻段為2.4～2.5 GHz，屬于全球免申請ISM工作頻

段[3-5]。主、從機和nRF24L01芯片的連接相似，以主機為例，nRF24L01與單片機的連線如圖3所示。

nRF24L01的1腳接地;2腳接正電源（+3.3 V）;3腳與P1.3口相連，控制射頻芯片是否工作;5腳與P1.2口相連，控制讀寫時間;7腳與P1.1口相連，向單片機發(fā)送數(shù)據(jù);8腳與P1.0口相連，向單片機發(fā)送中斷信號;6腳與P1.4口相連，接收單片機的數(shù)據(jù);4腳與P1.5口相連，由單片機發(fā)送信號控制讀或?qū)懖僮鳌?/p>

2.3 溫度控制模塊

本設(shè)計在從機中完成加熱或制冷的溫度控制。采用加熱片進行加熱，如圖4所示，單片機的P3.7口通過三極管與MOS管的G口相連，MOS管S口與發(fā)熱片相連，D口接地，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度高于實際溫度時，采用PID算法控制MOS管的導(dǎo)通與斷開，從而控制加熱模塊的開啟與關(guān)閉。制冷部分采用風(fēng)扇降溫，如圖5所示，單片機的P2.1口通過三極管與風(fēng)扇相連，控制風(fēng)扇的開啟與關(guān)閉。當(dāng)P2.1為低電平時，三極管導(dǎo)通，風(fēng)扇開啟;當(dāng)P2.1為高電平時，三極管截止，風(fēng)扇關(guān)閉。

2.4 液晶模塊

液晶模塊采用芯片LCD1602實時顯示實際溫度與預(yù)設(shè)溫度，溫度范圍為0～99.9 ℃，保留小數(shù)點后一位數(shù)字。該模塊與主機中的單片機連線如圖6所示。LCD1602的1號腳接地;2號腳接VCC;3號腳接電位器;4號腳接單片機的P2.5口;5號腳接P2.6口;P2.7接6號腳;D0～D7接P0.0～P0.7口;15號腳接VCC;16號腳接地。

2.5 鍵盤模塊

鍵盤模塊用于設(shè)置預(yù)設(shè)溫度，其連線如圖7所示。S2接P3.2口，控制是否開啟預(yù)設(shè)溫度;S3與S4分別接P3.3，P3.4口，設(shè)置預(yù)設(shè)溫度。

3 軟件程序設(shè)計

3.1 主程序流程

軟件設(shè)計分為主機部分和從機部分，流程分別如圖8和圖9所示。

3.2 PID控制算法

加熱控制分為如下兩個階段。

第一階段：PID調(diào)節(jié)前段，在該階段，由于剛剛開始加熱，距離預(yù)設(shè)溫度還有較長一段時間，因此無需控制，只有當(dāng)溫度上升的速度大于PID算出的溫度加速度時，才斷開

MOS管[6]。

第二階段：PID調(diào)節(jié)階段，在該階段，PID算法求出一個實時變化的溫度，并將此溫度與預(yù)設(shè)溫度進行比較，以保證溫度處于較小的變化范圍內(nèi)[6]。

加熱部分采用PID算法進行溫度控制。公式（1）是PID算法的控制規(guī)律，其中K是比例系數(shù);TI是積分時間常數(shù);TD是微分時間常數(shù);e（t）是測得溫度與預(yù)設(shè)溫度之間的差值。

將公式（1）離散化為周期采樣算式，然后計算輸出值[7-8]。離散化處理后的PID算式：

式中：Mn為第n次采樣時PID的輸出結(jié)果;SV為預(yù)設(shè)溫度;PV為第n次采樣時，第n次的溫度與第n-1次的溫度的差值;PVn-1為第n次采樣時的差值;MX為積分前項值;Mintial為PID回路的靜態(tài)輸出值;KC為PID回路的比例增益;KI為積分比例常數(shù)KI=KC·TS/TI，TS是采樣期間的采樣時間間隔，TI是積分時間參數(shù);KD為微分比例常數(shù)KD=KC·TD/TS，TD是微分時間參數(shù)。

本次設(shè)計采用增量式PID算法，其控制流程如圖10所示。

3.3 無線射頻子程序

nRF24L01無線射頻模塊的主要作用是將單片機傳送的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到另一個nRF24L01芯片中，并接收另一個nRF24L01芯片發(fā)送的數(shù)據(jù)。其接收端流程與發(fā)射端流程如圖11、圖12所示。

4 硬件實物

硬件實物采用洞洞板焊接完成，主機與從機的硬件實物如圖13、圖14所示。從機實物中添加了工作狀態(tài)指示燈，若加熱燈亮則處于加熱狀態(tài)，若制冷燈亮則處于制冷狀態(tài)。如圖15所示，以制冷狀態(tài)舉例，設(shè)置溫度為27.5 ℃，當(dāng)實際溫度為28.2 ℃時，則進行制冷工作，制冷燈亮。

經(jīng)多次調(diào)試，當(dāng)PID參數(shù)P=11，I=9，D=6時，系統(tǒng)基本可保持在預(yù)設(shè)溫度處，并且溫度穩(wěn)定。無線射頻通信的距離最遠可達50 m，但隨著距離的增加，傳輸速率將會下降，直接將DS18B20與發(fā)熱片接觸，測得提升1 ℃所需時間為14～16 s。

5 結(jié) 語

溫度控制系統(tǒng)采用主、從機模式，由從機實時測溫，并將溫度以無線通信的形式發(fā)送給主機，主機將預(yù)設(shè)溫度發(fā)送給從機，從機進行溫度控制，從而較好地實現(xiàn)溫度的智能控制。

參 考 文 獻

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