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馬弗爐是高性能機電一體化的新一代智能產品，適用于煤炭、電力、化工、冶金等行業和部門進行工業分析。馬弗爐溫度控制器設計以單片機 STC12C5A60S2作為控制中心，采用PID控制算法和自適應控制技術，自動調整預加熱溫度，并可以存儲記憶，確保試驗順利完成，自動化程度高。 總體設計方案 1.馬弗爐主要技術指標 測溫范圍：0～1000℃ 測溫精度：±3℃ 控溫精度：±10℃（在 250～1000℃范圍內） 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、揮發分、羅加指數、黏結指數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定的溫度和保溫時間。 2.設計思路 馬弗爐溫度控制器設計采用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，從而實現在不同時段對爐溫的控制。 3.系統結構 馬弗爐溫度控制器由單片機STC12C5A60S2，熱電偶放大器與數字轉換器MAX6675，時鐘芯片 DS1302，Ｉ級精度Ｋ形熱電偶，鍵盤及顯示系統組成，系統結構如圖1所示。 
圖1 系統結構框圖 PID簡介 1.基本概念 ①基本偏差e(t)：表示當前測量值與設定目標之間的偏差。設定目標是被減數，結果可以是正或負，正數表示還沒有達到，負數表示已經超過了設定值，這是面向比例項用的一個變動數據。 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，是代數和，要考慮正負號運算的。這是面向積分項用的一個變動數據。 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，用于考察當前控制對象的趨勢，作為快速反應的重要依據，這是面向微分項用的一個變動數據。 ④三個基本參數Kp、Ki、Kd：這是做好一個控制器的關鍵常數，分別稱為比例常數、積分常數和微分常數。不同的控制對象需要選取不同的值，經過現場調試才能獲得較好的效果。 2.三個基本參數Kp、Ki、Kd實際控制中的作用 ①比例環節：即時成比例地反應控制系統的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，調節器立即產生控制作用以減小偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但過大比例會使系統穩定性下降。 ②積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti。Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。 ③微分環節：能反應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，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。 3.參數的設置與調整 ①加溫迅速達到目標值，但溫度過沖很大。 比例系數太大，致使在未達到設定溫度前加熱比例過高；微分系數過小，對對象反應不敏感。 ②加溫經常達不到目標值，小于目標值時間多。 比例系數過小，加溫比例不夠；積分系數過小，對靜差補償不足。 ③基本在控制溫度內，但上下偏差大，經常波動。 微分系數小，對及時變化反應慢；積分系數過大，使微分反應被鈍化。 ④受環境影響較大 微分系數小，對及時變化反應慢；設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; // 設定目標 Desired Value unsigned int Proportion; // 比例常數 Proportional Const unsigned int Integral; // 積分常數 Integral Const unsigned int Derivative; // 微分常數 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;//占空比調節參數 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，具有結構簡單、制造容易、使用方便、測溫范圍寬、測溫精度高等特點。但是，熱電偶的應用卻存在著非線性、冷端補償、數字化輸出等幾方面的問題。設計中采用的MAX6675是一個集成了熱電偶放大器、冷端補償、A/D轉換器及SPI串口的熱電偶放大器與數字轉換器，其電路如圖2所示。
圖2 溫度采集電路圖 MAX6675從SPI串行接口輸出數據的過程如下：MCU使CS變低并提供時鐘信號給SCK，由SO讀取測量結果。CS變低將停止任何轉換過程；CS變高將啟動一個新的轉換過程。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位是一偽標志位且總為 0；第14位到第3位為以MSB到LSB順序排列的轉換溫度值；第2位平時為低，當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，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。
圖3 SO端輸出溫度數據的格式
圖4 MAX6675的SPI接口時序 下面給出相應的溫度值讀取程序及數據轉換程序: 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時間信息存儲。 6.單片機系統 采用STC12C5A60S2組成單片機最小系統，有2路PWM，選用一路作為IGBT的控制信號。另外，STC12C5A60S2內部還有1K的EEPROM，用于設置自選程序，通過按鍵選擇所需設定的溫度和保溫時間。顯示模塊采用128×64液晶顯示。 7.軟件設計
圖8 子程序流程圖 程序流程圖如圖8所示。 作者：鶴壁職業技術學院電子信息工程系 于軍 李坤 |
