馬弗爐是高性能機電一體化的新一代智能產(chǎn)品，適用于煤炭,、電力,、化工、冶金等行業(yè)和部門進行工業(yè)分析,。馬弗爐溫度控制器設(shè)計以單片機STC12C5A60S2作為控制中心,，采用PID控制算法和自適應(yīng)控制技術(shù)，自動調(diào)整預(yù)加熱溫度，并可以存儲記憶,，確保試驗順利完成,，自動化程度高。
1.馬弗爐主要技術(shù)指標(biāo)
測溫范圍：0～1000℃
測溫精度：±3℃
控溫精度：±10℃（在250～1000℃范圍內(nèi)）
升溫時間：(室溫～920℃)≤30min
電源：AC220V±22V@50Hz±1Hz
功率：3.5kW
具有快速灰化和緩慢灰化,、揮發(fā)分,、羅加指數(shù)、黏結(jié)指數(shù)等四個專用加熱程序,；另外,，溫度控制器有一個自選程序，通過按鍵可選擇所需設(shè)定的溫度和保溫時間,。
2.設(shè)計思路
馬弗爐溫度控制器設(shè)計采用PID算法來控制PWM的占空比,，由PWM信號控制IGBT的通斷，使用時鐘專用芯片DS1302進行定時控制,，從而實現(xiàn)在不同時段對爐溫的控制,。
3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
馬弗爐溫度控制器由單片機STC12C5A60S2，熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675,，時鐘芯片DS1302,，Ｉ級精度Ｋ形熱電偶，鍵盤及顯示系統(tǒng)組成,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
PID簡介
1.基本概念
①基本偏差e(t)：表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之間的偏差。設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù),，結(jié)果可以是正或負,，正數(shù)表示還沒有達到，負數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值,，這是面向比例項用的一個變動數(shù)據(jù),。
②累計偏差∑e(t)=e(t)+e(t-1) +…+e(t-n)：這是我們每一次測量得到偏差值的總和，是代數(shù)和,，要考慮正負號運算的,。這是面向積分項用的一個變動數(shù)據(jù)。
③基本偏差的相對量e(t)-e(t-1)：用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差,，用于考察當(dāng)前控制對象的趨勢,，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項用的一個變動數(shù)據(jù),。
④三個基本參數(shù)Kp,、Ki、Kd：這是做好一個控制器的關(guān)鍵常數(shù),，分別稱為比例常數(shù),、積分常數(shù)和微分常數(shù),。不同的控制對象需要選取不同的值，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試才能獲得較好的效果,。
2.三個基本參數(shù)Kp,、Ki、Kd實際控制中的作用
①比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t),，偏差一旦產(chǎn)生,，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。比例作用大,，可以加快調(diào)節(jié),，減少誤差，但過大比例會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,。
②積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差,，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti,。Ti越大,，積分作用越弱，反之則越強,。
③微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率),，并能在偏差信號的值變得過大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號,，從而加快系統(tǒng)的動作速度,，減小調(diào)節(jié)時間。
3.參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整
①加溫迅速達到目標(biāo)值,，但溫度過沖很大,。
比例系數(shù)太大，致使在未達到設(shè)定溫度前加熱比例過高,；微分系數(shù)過小,，對對象反應(yīng)不敏感。
②加溫經(jīng)常達不到目標(biāo)值,，小于目標(biāo)值時間多,。
比例系數(shù)過小，加溫比例不夠,；積分系數(shù)過小,，對靜差補償不足,。
③基本在控制溫度內(nèi),，但上下偏差大，經(jīng)常波動,。
微分系數(shù)小,，對及時變化反應(yīng)慢；積分系數(shù)過大，使微分反應(yīng)被鈍化,。
④受環(huán)境影響較大
微分系數(shù)小,，對及時變化反應(yīng)慢；設(shè)定的基本定時周期過長,，不能得到及時修正,。
下面給出PID控制程序：
#ifndef _PID_H__
#define _PID_H__
#include
#include
#include
struct PID {
unsigned int SetPoint; // 設(shè)定目標(biāo) Desired Value
unsigned int Proportion; // 比例常數(shù) Proportional Const
unsigned int Integral; // 積分常數(shù) Integral Const
unsigned int Derivative; // 微分常數(shù) Derivative Const
unsigned int LastError; // Error[-1]
unsigned int PrevError; // Error[-2]
unsigned int SumError; // Sums of Errors
}
struct PID spid; // PID Control Structure
unsigned int rout; // PID Response (Output)
unsigned int rin; // PID Feedback (Input)
sbit output=P1^4;
unsigned char high_time,low_time,count=0;//占空比調(diào)節(jié)參數(shù)
unsigned char set_temper=920;
void PIDInit (struct PID *pp)
{
memset ( pp,0,sizeof(struct PID));
}
unsigned int PIDCalc( struct PID *pp, unsigned int NextPoint )
{
unsigned int dError,Error;
Error = pp->SetPoint - NextPoint; // 偏差
pp->SumError += Error; // 積分
dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 當(dāng)前微分
pp->PrevError = pp->LastError;
pp->LastError = Error;
return (pp->Proportion * Error//比例
+ pp->Integral * pp->SumError //積分項
+ pp->Derivative * dError); // 微分項
}
4. 溫度采集電路
熱電偶作為一種主要的測溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡單,、制造容易,、使用方便、測溫范圍寬,、測溫精度高等特點,。但是，熱電偶的應(yīng)用卻存在著非線性,、冷端補償,、數(shù)字化輸出等幾方面的問題。設(shè)計中采用的MAX6675是一個集成了熱電偶放大器,、冷端補償,、A/D轉(zhuǎn)換器及SPI串口的熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其電路如圖2所示,。
圖2 溫度采集電路圖
MAX6675從SPI串行接口輸出數(shù)據(jù)的過程如下：MCU使CS變低并提供時鐘信號給SCK,，由SO讀取測量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過程,；CS變高將啟動一個新的轉(zhuǎn)換過程,。一個完整串行接口讀操作需16個時鐘周期，在時鐘的下降沿讀16個輸出位,，第1位和第15位是一偽標(biāo)志位且總為0,；第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉(zhuǎn)換溫度值；第2位平時為低,，當(dāng)熱電偶輸入開放時為高,；開放熱電偶檢測電路完全由MAX6675實現(xiàn)，為開放熱電偶檢測器操作,，T-必須接地,，并使接地點盡可能接近GND腳；第1位為低電平以提供MAX6675器件身份碼,，第0位為三態(tài),。
圖3 SO端輸出溫度數(shù)據(jù)的格式
圖4 MAX6675的SPI接口時序
下面給出相應(yīng)的溫度值讀取程序及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序:
void max6675()
{
uchar m;
uint temp;
temp=0;
max_sck=0;
max_cs=1;
delay(180ms);
max_cs=0 ;
max_sck=1;
_nop_();
max_sck=0;
_nop_();
if(max_so==1) {temp |=0x0001;}
for(m=0;m<15;m++)
{
temp<<=1;
max_sck=1;
_nop_();
max_sck=0;
if(max_so==1) {temp |=0x0001;} }
temp=(temp&0x7fe0)>>5;
t[0]=temp/1000+0x30;
t[1]=temp%1000/100+0x30;
t[2]=temp%100/10+0x30;
t[3]=temp%10+0x30;
print(1,0,t);
}
圖5 定時電路圖
圖6 單片機系統(tǒng)電路圖
圖7 主程序流程圖
5.定時電路
使用時鐘專用芯片DS1302進行定時控制，通過外加很少的電路就可以實現(xiàn)高精度的時鐘信號,。外圍電路簡單可靠,，時間精度高,，通過外接鋰電池后可以實現(xiàn)時間信息存儲。
6.單片機系統(tǒng)
采用STC12C5A60S2組成單片機最小系統(tǒng),，有2路PWM,，選用一路作為IGBT的控制信號。另外,，STC12C5A60S2內(nèi)部還有1K的EEPROM,，用于設(shè)置自選程序，通過按鍵選擇所需設(shè)定的溫度和保溫時間,。顯示模塊采用128×64液晶顯示,。
7.軟件設(shè)計
圖8 子程序流程圖
程序流程圖如圖8所示。