基于STC12C5A60S2的马弗炉温度控制器设计

马弗炉是高性能机电一体化的新一代智能产品，适用于煤炭、电力、化工、冶金等行业和部门进行工业分析。马弗炉温度控制器设计以单片机STC12C5A60S2作为控制中心，采用PID控制算法和自适应控制技术，自动调整预加热温度，并可以存储记忆，确保试验顺利完成，自动化程度高。

总体设计方案
1.马弗炉主要技术指标
测温范围：0～1000℃
测温精度：±3℃
控温精度：±10℃（在250～1000℃范围内）
升温时间：(室温～920℃)≤30min
电源：AC220V±22V@50Hz±1Hz
功率：3.5kW
具有快速灰化和缓慢灰化、挥发分、罗加指数、黏结指数等四个专用加热程序；另外，温度控制器有一个自选程序，通过按键可选择所需设定的温度和保温时间。

2.设计思路
马弗炉温度控制器设计采用PID算法来控制PWM的占空比，由PWM信号控制IGBT的通断，使用时钟专用芯片DS1302进行定时控制，从而实现在不同时段对炉温的控制。

3.系统结构
马弗炉温度控制器由单片机STC12C5A60S2，热电偶放大器与数字转换器MAX6675，时钟芯片DS1302，Ｉ级精度Ｋ形热电偶，键盘及显示系统组成，系统结构如图1所示。

图1  系统结构框图

PID简介
1.基本概念
①基本偏差e(t)：表示当前测量值与设定目标之间的偏差。设定目标是被减数，结果可以是正或负，正数表示还没有达到，负数表示已经超过了设定值，这是面向比例项用的一个变动数据。

②累计偏差∑e(t)=e(t)+e(t-1) +…+e(t-n)：这是我们每一次测量得到偏差值的总和，是代数和，要考虑正负号运算的。这是面向积分项用的一个变动数据。

③基本偏差的相对量e(t)-e(t-1)：用本次的基本偏差减去上一次的基本偏差，用于考察当前控制对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项用的一个变动数据。

④三个基本参数Kp、Ki、Kd：这是做好一个控制器的关键常数，分别称为比例常数、积分常数和微分常数。不同的控制对象需要选取不同的值，经过现场调试才能获得较好的效果。

2.三个基本参数Kp、Ki、Kd实际控制中的作用
①比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大比例会使系统稳定性下降。

②积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

③微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得过大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

3.参数的设置与调整
①加温迅速达到目标值，但温度过冲很大。

比例系数太大，致使在未达到设定温度前加热比例过高；微分系数过小，对对象反应不敏感。

②加温经常达不到目标值，小于目标值时间多。

比例系数过小，加温比例不够；积分系数过小，对静差补偿不足。

③基本在控制温度内，但上下偏差大，经常波动。

微分系数小，对及时变化反应慢；积分系数过大，使微分反应被钝化。

④受环境影响较大

微分系数小，对及时变化反应慢；设定的基本定时周期过长，不能得到及时修正。

下面给出PID控制程序：
#ifndef _PID_H__
#define _PID_H__
#include
#include
#include
struct PID {
unsigned int SetPoint; // 设定目标 Desired Value
unsigned int Proportion; // 比例常数 Proportional Const
unsigned int Integral; // 积分常数 Integral Const
unsigned int Derivative; // 微分常数 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;//占空比调节参数
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; // 积分
dError = pp->LastError - pp->PrevError; // 当前微分
pp->PrevError = pp->LastError;
pp->LastError = Error;
return (pp->Proportion * Error//比例
+ pp->Integral * pp->SumError //积分项
+ pp->Derivative * dError); // 微分项
}

4. 温度采集电路
热电偶作为一种主要的测温元件，具有结构简单、制造容易、使用方便、测温范围宽、测温精度高等特点。但是，热电偶的应用却存在着非线性、冷端补偿、数字化输出等几方面的问题。设计中采用的MAX6675是一个集成了热电偶放大器、冷端补偿、A/D转换器及SPI串口的热电偶放大器与数字转换器，其电路如图2所示。

图2 温度采集电路图

MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK，由SO读取测量结果。CS变低将停止任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位且总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2位平时为低，当热电偶输入开放时为高；开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使接地点尽可能接近GND脚；第1位为低电平以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。

图3   SO端输出温度数据的格式

图4   MAX6675的SPI接口时序

下面给出相应的温度值读取程序及数据转换程序:
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); 
}

图5  定时电路图

图6  单片机系统电路图

图7  主程序流程图

5.定时电路
使用时钟专用芯片DS1302进行定时控制，通过外加很少的电路就可以实现高精度的时钟信号。外围电路简单可靠，时间精度高，通过外接锂电池后可以实现时间信息存储。

6.单片机系统
采用STC12C5A60S2组成单片机最小系统，有2路PWM，选用一路作为IGBT的控制信号。另外，STC12C5A60S2内部还有1K的EEPROM，用于设置自选程序，通过按键选择所需设定的温度和保温时间。显示模块采用128×64液晶显示。

7.软件设计

图8  子程序流程图

程序流程图如图8所示。