The Design of Multi-Point Temperature Wireless Detection and Control System
Zou Jiazhu
（University of South China College of Mechanical Engineering，Hengyang 421001，China）
摘要：本文介绍了作者设计的一套主从式无线温度检测与控制系统，从机分布在工作现场，采用STC89C52单片机作为控制器，负责采集温度并控制执行机构使温度稳定在设定的范围内，同时将温度值实时地以无线的方式发送给主机。主机在控制室，主要任务是接受从机发送来的温度值供操作人员监视，操作人员可以通过主机直接控制从机传送数据。主从机采用无线通信不仅能省去信号线的费用，还能提高系统的抗干扰能力。系统测试结果表明：主从机的通信距离在300米内时通信误码率为零；温度为15℃-80℃的范围内控制系统的稳态误差小于±3.5%。
Abstract: This article describes the authors" designed set of host-slave wireless temperature measure and control systems. The slave parts distribute on the field, use STC89C52 single-chip microcomputer (SCM) as the controller and control actuator to make sure the controlled temperature around the set point, while sending the temperature in real time to the host wirelessly. The main task of the host in the control room is to accept the temperature from the slave for the operator to check the temperature. The operator can directly control the slave to transfer data through the host. The use of wireless communication between the host and the slave can not only saves the cost of signal lines, but also improves anti-disturbance capability of the system. System test results show that: the communication error is zero within distance of 300 meters; for temperature among 15 ℃ and 80 ℃ the control system steady-state error is less than ±3.5%.
关键词：单片机 温度检测 温度控制 无线收发器NRF905
Key words: SCM；temperature measurement；temperature control；wireless receiver and transmitter NFR905
中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）21-0035-02
0引言
温度是工农业生产中一个重要的参数，在现代农业生产中，大棚中的温度响到农作物的产量和质量。又如，在工业生产中，啤酒的发酵是一个非常复杂的生化过程，发酵温度的控制直接影响到发酵的好坏，从而直接影响到企业的经济效益。
大棚内温度控制和啤酒发酵温度的控制都有一个特点，那就是要控制的点多，分布广，这样给检测和控制带来了很大的不便。如果采用RS-485或者CAN总线，那么整个系统稳定性差，传输速率会因为距离的增加而降低。本设计将通信方式改为无线的形式，那么其通信速率不会因为通信记录的增加而明显下降，每一个点都有唯一的地址，不会受到干扰，并且所有的节点组网方便，省去了通信电缆的架设，节约了成本，整个系统可维护性提高[1-3]。
1系统描述
本系统分为两大部分，即主机部分和从机部分。
从机分布在工业现场，其主要任务是采集温度、控制温度、发送温度。由于要控制多个点的温度，所以整个系统的功耗成为元器件选型的重要参数。因此，无线收发器选用的是单片、低功耗、输出功率可调的无线收发专用芯片NRF905，其工作在433/868/915MHz频段，不加功放时能在300米内正常通信，加功放使其通信距离能增至1000米。功率调整器件选用的是双向可控硅和可控硅移相触发器，移相触发器可以控制可控硅的导通角，控制可控硅的输出电压，从而达到调整功率的目的，移相触发器可以手动控制，也可以通过DA转换器自动控制。使用了移相触发器后，能使可控硅的输出线性变化，达到精确控制的目的。温度检测选用的是DS18B20半导体温度传感器，其测量范围是-55℃~+125℃。其优点是应用电路简单，缺点是测量的范围较窄，但足以满足设计要求。系统的控制规律采用的是数字增量式PID，从机采集温度，将采集到的温度与设定值相减，产生误差值，通过计算，将结果输给DA转换器，最后将DA转换的结果输入到移相触发器。触发器控制可控硅的导通角，从而达到控制温度的目的[4]。
主机分布在控制室里，其主要任务是接收并显示从机发送回来的实时温度，供工作人员监视，如果温度长时间不能达到设定值时，发出声、光报警信号，以便工作人员及时排除系统的故障。在本系统中，主/从机都能设定温度值、同时显示设定温度和实时温度。
由于有多个从机，所以每个从机就必须要有一个唯一的地址。主机在接收温度前先发送从机的地址，所有的从机接收到地址后与自身的地址相比较，如果相同就发送，否则就不发送。NRF905自带2位地址校验，能够很容易地识别地址，这给整个系统的软件设计带来了很大的方便。整个系统的框图如图1所示。
2系统硬件设计
2.1 无线收发器NRF905NRF905单片无线收发器工作在433/868/915MHz频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调制器组成。采用ShockBurat工作模式，自动产生前导码和CRC.32位地址校验，可以轻松实现多机通信。NRF905可以很容易地通过SPI接口进行编程配置，电流功耗低，在发射功率为-10dBm时发射电流为11mA，接收电流为12.3mA。进入掉电模式可以很容易实现节电[5]。NRF905与单片机以SPI协议进行通信，但是51系列单片机没有SPI接口，所以，只能采用普通的I/O接口，通过编程模拟SPI接口。
2.2 加热驱动电路设计在交流功率调节电路中，最常用的功率调节器件是双向可控硅和可控硅移相触发器。
2.2.1 双向可控硅双向可控硅是可控硅的一种派生器件，它可以认为是一对反并连接的普通可控硅的集成，它有两个主电极T1和T2，一个门极G，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，所以，双向可控硅在有触发电流时，交流电的整个周期都会导通，这样，就充分利用了电能。
2.2.2 可控硅移相触发器原理可控硅移相触发器的原理是根据控制信号的大小（控制信号通常是电压0-5V、0-10V、1-5V、电流4-20mA、0-10mA等），输出端产生与电网电压同步的双倍电网频率的从180°-0°范围内移相的宽脉冲，用以驱动可控硅。使交流负载上的电压从0到最大值线性可调，从而达到移相调压的目的。可控硅的控制信号可以用电位器手动调节，也可以用DAC转换器自动调节，控制非常简单、灵活。应用电路如图2所示。
2.3 温度检测电路温度传感器采用的是DS18B20数字温度传感器，其测量范围为-55℃~+125℃，精度为+0.5℃，能够满足大棚，啤酒发酵等低温温度检测与控制系统的要求。采用DS18B20数字温度传感器使得整个检测电路简单，其具体应用电路如图3所示。
2.4 键盘显示电路该系统的主从机均设有键盘输入电路和液晶显示电路，具有良好的人际交互界面。从机分布在工业现场，只需要显示本测量点的温度，所以选用小型的1602液晶屏，主机在控制室里，需要显示多个从机的设定温度和当前温度，显示的信息量较大，采用的是北京迪文科技公司的彩屏液晶。
3软件设计
3.1 从机的实时控制在从机中，实时控制采用经典的PID算法。增量型的PID计算公式如式（1）
△u（k）= u（k）-u（k-1）=Kp[e（k）-e（k-1）]+K1e（k）+KD[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]（1）
其中：Kp为比例增益，KI为积分系数，KD为微分系数。为了方便编程，可以将式（1）整理成如下形式
△u（k）=q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）（2）
其中：q0=Kp+KI+KD；q1=-Kp-2KD；q2=KD
实时控制程序流程如图4所示。
3.2 从机的主程序从机的主程序流程图如图5所示。
4系统调试
4.1 无线通信误码率测试表1的数据均是在空旷地区，且通信距离在300米内，主机发送十六进制数，从机接收并显示的结果，可以看出误码率为零。
4.2 稳态温度误差测试时环境温度为24.5℃，加热器在一个保温的密闭盒子中，稳态温度是密闭盒子内的温度。测试结果及稳态误差计算结果如表2所示，可见稳态误差在±3.5%以内。
5结论
笔者设计的是多点温度无线检测与控制系统，适用温度为15℃——80℃，且有很好的人际交互界面，系统的调试结果基本达到了设计的要求。
参考文献：
[1]刘卉，谢建，秦销臻，汪秉文.一种多点远程监控系统的设计与实现[J]. 计算机技术与发展，2006,16（8）:123-124.
[2]邓荣.基于单片机的啤酒发酵温度控制系统[J].应用天地，2007，26（11）：59-61.
[3]郭清华.蔬菜大棚温度智能控制系统的研究与应用[J].安徽农业科学 2008，36（11）：4487-4488.
[4]黄智伟.射频集成电路芯片原理与应用电路设计[M].北京：电子工业出版社，2004.
[5]于海生，微型计算机控制技术[M].北京：清华大学出版社，2008.
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