基于無線通信和PID控制實現的智能溫度控制系統研究

王艷 李昂 陳姝君 王秀梅

摘 要：設計提出了無線通信和PID控制的智能溫度控制系統，以單片機為核心，采用主機和從機的結構。主機通過按鍵設置預設溫度，通過LCD1602實時顯示實際溫度和預設溫度，通過nRF24L01無線射頻模塊將數據發送給從機;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設溫度，通過PID算法實現溫度控制。

關鍵詞：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業生產中，對溫度的控制占據著非常重要的地位。本設計是基于無線通信和PID控制實現的溫度控制系統，該系統可以通過無線通信的方式實現遠程溫度控制。

1 系統設計

溫度控制系統采用無線射頻通信的方式，分為主機和從機兩個部分，系統框圖如圖1所示。主機的功能是實時顯示溫度、預設溫度;從機的功能是實時采集溫度，通過PID控制實現制冷和加熱。本設計由溫度采集模塊、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;鍵盤模塊預設溫度;顯示模塊顯示實時和預設溫度;無線射頻模塊將主機的預設溫度發送到從機，從機將采集的實時溫度發送給主機;溫度控制模塊的工作原理是利用PID算法控制MOS管的導通與斷開，從而實現溫度的智能控制。

2 硬件電路設計

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芯片進行數據通信，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，向單片機發送數據;8腳與P1.0口相連，向單片機發送中斷信號;6腳與P1.4口相連，接收單片機的數據;4腳與P1.5口相連，由單片機發送信號控制讀或寫操作。

2.3 溫度控制模塊

本設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口與發熱片相連，D口接地，當預設溫度高于實際溫度時，采用PID算法控制MOS管的導通與斷開，從而控制加熱模塊的開啟與關閉。制冷部分采用風扇降溫，如圖5所示，單片機的P2.1口通過三極管與風扇相連，控制風扇的開啟與關閉。當P2.1為低電平時，三極管導通，風扇開啟;當P2.1為高電平時，三極管截止，風扇關閉。

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設溫度，溫度范圍為0～99.9 ℃，保留小數點后一位數字。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

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

3 軟件程序設計

3.1 主程序流程

軟件設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調節前段，在該階段，由于剛剛開始加熱，距離預設溫度還有較長一段時間，因此無需控制，只有當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調節階段，在該階段，PID算法求出一個實時變化的溫度，并將此溫度與預設溫度進行比較，以保證溫度處于較小的變化范圍內[6]。

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

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的輸出結果;SV為預設溫度;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回路的靜態輸出值;KC為PID回路的比例增益;KI為積分比例常數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;KD為微分比例常數KD=KC·TD/TS，TD是微分時間參數。

本次設計采用增量式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據以無線方式發送到另一個nRF24L01芯片中，并接收另一個nRF24L01芯片發送的數據。其接收端流程與發射端流程如圖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指示燈，若加熱燈亮則處于加熱狀態，若制冷燈亮則處于制冷狀態。如圖15所示，以制冷狀態舉例，設置溫度為27.5 ℃，當實際溫度為28.2 ℃時，則進行制冷工作，制冷燈亮。

經多次調試，當PID參數P=11，I=9，D=6時，系統基本可保持在預設溫度處，并且溫度穩定。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與發熱片接觸，測得提升1 ℃所需時間為14～16 s。

5 結 語

溫度控制系統采用主、從機模式，由從機實時測溫，并將溫度以無線通信的形式發送給主機，主機將預設溫度發送給從機，從機進行溫度控制，從而較好地實現溫度的智能控制。

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