基于STC12C5A60S2的馬弗爐溫度控制器設(shè)計(jì)

馬弗爐是高性能機(jī)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(mén)進(jìn)行工業(yè)分析。馬弗爐溫度控制器設(shè)計(jì)以單片機(jī)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(dòng)調(diào)整預(yù)加熱溫度，并可以存儲(chǔ)記憶，確保試驗(yàn)順利完成，自動(dòng)化程度高。

總體設(shè)計(jì)方案
1.馬弗爐主要技術(shù)指標(biāo)
測(cè)溫范圍：0～1000℃
測(cè)溫精度：±3℃
控溫精度：±10℃（在250～1000℃范圍內(nèi)）
升溫時(shí)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(gè)專(zhuān)用加熱程序；另外，溫度控制器有一個(gè)自選程序，通過(guò)按鍵可選擇所需設(shè)定的溫度和保溫時(shí)間。

2.設(shè)計(jì)思路
馬弗爐溫度控制器設(shè)計(jì)采用PID算法來(lái)控制PWM的占空比，由PWM信號(hào)控制IGBT的通斷，使用時(shí)鐘專(zhuān)用芯片DS1302進(jìn)行定時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)段對(duì)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(jī)STC12C5A60S2，熱電偶放大器與數(shù)字轉(zhuǎn)換器MAX6675，時(shí)鐘芯片DS1302，Ｉ級(jí)精度Ｋ形熱電偶，鍵盤(pán)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(jiǎn)介
1.基本概念
①基本偏差e(t)：表示當(dāng)前測(cè)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(fù)，正數(shù)表示還沒(méi)有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過(guò)了設(shè)定值，這是面向比例項(xiàng)用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。

②累計(jì)偏差∑e(t)=e(t)+e(t-1) +…+e(t-n)：這是我們每一次測(cè)量得到偏差值的總和，是代數(shù)和，要考慮正負(fù)號(hào)運(yùn)算的。這是面向積分項(xiàng)用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。

③基本偏差的相對(duì)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(duì)象的趨勢(shì)，作為快速反應(yīng)的重要依據(jù)，這是面向微分項(xiàng)用的一個(gè)變動(dòng)數(shù)據(jù)。

④三個(gè)基本參數(shù)Kp、Ki、Kd：這是做好一個(gè)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(duì)象需要選取不同的值，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能獲得較好的效果。

2.三個(gè)基本參數(shù)Kp、Ki、Kd實(shí)際控制中的作用
①比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)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(guò)大比例會(huì)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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti。Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

③微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)的值變得過(guò)大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

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3.參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整
①加溫迅速達(dá)到目標(biāo)值，但溫度過(guò)沖很大。

比例系數(shù)太大，致使在未達(dá)到設(shè)定溫度前加熱比例過(guò)高；微分系數(shù)過(guò)小，對(duì)對(duì)象反應(yīng)不敏感。

②加溫經(jīng)常達(dá)不到目標(biāo)值，小于目標(biāo)值時(shí)間多。

比例系數(shù)過(guò)小，加溫比例不夠；積分系數(shù)過(guò)小，對(duì)靜差補(bǔ)償不足。

③基本在控制溫度內(nèi)，但上下偏差大，經(jīng)常波動(dòng)。

微分系數(shù)小，對(duì)及時(shí)變化反應(yīng)慢；積分系數(shù)過(guò)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(duì)及時(shí)變化反應(yīng)慢；設(shè)定的基本定時(shí)周期過(guò)長(zhǎng)，不能得到及時(shí)修正。

下面給出PID控制程序：
#ifndef _PID_H__
#define _PID_H__
#include<intrins.h>
#include<math.h>
#include<string.h>
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(xiàng)
+ pp->Derivative * dError); // 微分項(xiàng)
}

4. 溫度采集電路
熱電偶作為一種主要的測(cè)溫元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)。但是，熱電偶的應(yīng)用卻存在著非線性、冷端補(bǔ)償、數(shù)字化輸出等幾方面的問(wèn)題。設(shè)計(jì)中采用的MAX6675是一個(gè)集成了熱電偶放大器、冷端補(bǔ)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(guò)程如下：MCU使CS變低并提供時(shí)鐘信號(hào)給SCK，由SO讀取測(cè)量結(jié)果。CS變低將停止任何轉(zhuǎn)換過(guò)程；CS變高將啟動(dòng)一個(gè)新的轉(zhuǎn)換過(guò)程。一個(gè)完整串行接口讀操作需16個(gè)時(shí)鐘周期，在時(shí)鐘的下降沿讀16個(gè)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(shí)為低，當(dāng)熱電偶輸入開(kāi)放時(shí)為高；開(kāi)放熱電偶檢測(cè)電路完全由MAX6675實(shí)現(xiàn)，為開(kāi)放熱電偶檢測(cè)器操作，T-必須接地，并使接地點(diǎn)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(shí)序

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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(shí)電路圖

圖6  單片機(jī)系統(tǒng)電路圖

圖7  主程序流程圖

5.定時(shí)電路
使用時(shí)鐘專(zhuān)用芯片DS1302進(jìn)行定時(shí)控制，通過(guò)外加很少的電路就可以實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)鐘信號(hào)。外圍電路簡(jiǎn)單可靠，時(shí)間精度高，通過(guò)外接鋰電池后可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間信息存儲(chǔ)。

6.單片機(jī)系統(tǒng)
采用STC12C5A60S2組成單片機(jī)最小系統(tǒng)，有2路PWM，選用一路作為IGBT的控制信號(hào)。另外，STC12C5A60S2內(nèi)部還有1K的EEPROM，用于設(shè)置自選程序，通過(guò)按鍵選擇所需設(shè)定的溫度和保溫時(shí)間。顯示模塊采用128×64液晶顯示。

7.軟件設(shè)計(jì)

圖8  子程序流程圖

程序流程圖如圖8所示。