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)專用加熱程序；另外，溫度控制器有一個(gè)自選程序，通過按鍵可選擇所需設(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算法來控制PWM的占空比，由PWM信號(hào)控制IGBT的通斷，使用時(shí)鐘專用芯片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)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(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。