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(diào)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(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(xiàn)在不同時段對爐溫的控制。

3.系統(tǒng)結構
馬弗爐溫度控制器由單片機STC12C5A60S2，熱電偶放大器與數(shù)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(tǒng)組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)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(shù)，結果可以是正或負，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，用于考察當前控制對象的趨勢，作為快速反應的重要依據(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)的設置與調(diào)整
①加溫迅速達到目標值，但溫度過沖很大。

比例系數(shù)太大，致使在未達到設定溫度前加熱比例過高；微分系數(shù)過小，對對象反應不敏感。

②加溫經(jīng)常達不到目標值，小于目標值時間多。

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，對及時變化反應慢；積分系數(shù)過大，使微分反應被鈍化。

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<intrins.h>
#include<math.h>
#include<string.h>
struct PID {
unsigned int SetPoint; // 設定目標 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(shù)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(shù)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(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(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

下面給出相應的溫度值讀取程序及數(shù)據(jù)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(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。