基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

中 文 摘 要 I 摘 要 本論文要做的課題是基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要求加熱 爐溫度穩(wěn)定在 80 允許有 1 的誤差 本論文采用美國(guó) NI 公司虛擬儀器開發(fā)軟件 LabVIEW8 5 開發(fā)出一套 低溫電加熱爐溫度控制系統(tǒng) 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案如下 由傳感器測(cè)得的爐溫 信號(hào)經(jīng)過變送環(huán)節(jié)送給數(shù)據(jù)采集卡 采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行A D 轉(zhuǎn)換后傳輸 至虛擬儀器 虛擬儀器中的PID 算法對(duì)信號(hào)處理后產(chǎn)生控制信號(hào) 再經(jīng)過 采集卡 D A 轉(zhuǎn)換后輸出控制 PWM 波產(chǎn)生電路 改變 PWM 波占空比 產(chǎn) 生的 PWM 波經(jīng)過光耦 MOC3041 控制雙向可控硅的通斷 以此改變加在 電阻上的電壓 達(dá)到溫控目的 本論文首先按照上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)了硬件電路 接著進(jìn)行系統(tǒng)軟件的 設(shè)計(jì) 經(jīng)過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)可以正常采集數(shù)據(jù)并顯示 關(guān)鍵詞 虛擬儀器 LabVIEW 溫控系統(tǒng) 過零調(diào)功 PWM Abstract II Abstract The task of this paper is to design a temperature control system based on virtual instrument of the furnace And the requirements of the furnace temperature is stable at 80 allowed error of 1 This paper adopted LabVIEW8 5 a software to develop the virtual instrument of NI company in America developed a set of temperature control system of low power electric heating The system design are showed as follows the temperature sensors send the signal of temperature change to the data acquisition card by transmitter then the signal will be convert to digital signal and be send to the virtual instrument by the data acquisition card and then the virtual instrument will output control signal after be processed by PID algorithm and the control signal will be convert to analog signal by the data acquisition card and output to control PWM waves produce circuit to change the duty cycle of PWM waves then the PWM waves will control the bidirectional thyristor through opticalcoupler MOC3041 to change the voltage in resistance so that the temperature will be changed This paper designed the hardware circuit in accordance with the above design scheme followed by the design of the system software After a simple experiment the system can acquire and display the datas normally Key words virtual instrument LabVIEW temperature control system zero crossing power adjustment PWM 目 錄 III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT 英文摘要 目 錄 第一章 緒論 1 1 1 課題的研究的目的和意義 1 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 1 1 3 本設(shè)計(jì)要做的工作 3 第二章 虛擬儀器及 LabVIEW 簡(jiǎn)介 4 2 1 虛擬儀器的基本概念 4 2 2 虛擬儀器的特點(diǎn)及應(yīng)用 4 2 3 LabVIEW 的含義 5 2 4 LabVIEW 的發(fā)展 6 2 5 LabVIEW 的結(jié)構(gòu) 6 2 6 LabVIEW 的優(yōu)勢(shì) 6 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 7 3 1 系統(tǒng)總體方案 7 3 2 硬件電路設(shè)計(jì) 7 3 2 1 傳感器的選型 7 3 2 2 數(shù)據(jù)采集卡的選型 9 3 2 3 PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) 11 3 2 4 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理 12 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 14 4 1 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 4 2 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊的設(shè)計(jì) 17 4 2 1 溫度信號(hào)的采集 17 4 2 2 采集數(shù)據(jù)的處理 19 目 錄 IV 4 2 3 PID 控制信號(hào)的產(chǎn)生 22 4 3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 24 4 3 1 數(shù)據(jù)存入文本文件 24 4 3 2 數(shù)據(jù)存入 TDMS 文件 25 4 4 歷史數(shù)據(jù)查看模塊 26 4 4 1 文本文件查看方式 26 4 4 2 TDMS 文件查看方式 28 4 5 打印模塊 39 4 6 網(wǎng)絡(luò)通信模塊 30 4 6 1 DataSocket 的數(shù)據(jù)傳輸 31 4 6 2 在 Web 上發(fā)布程序 33 4 7 加熱爐溫控系統(tǒng)的集成 34 總結(jié) 37 參考文獻(xiàn) 38 致謝 39 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1 1 課題研究的目的和意義 電加熱爐被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中 由于這類對(duì)象使用方便 可以通過調(diào)節(jié)輸出功率來(lái)控制溫度 進(jìn)而得到較好的控制性能 故在冶金 機(jī) 械 化工等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用 在許多工業(yè)過程控制中 工業(yè)加熱爐是關(guān)鍵部件 爐溫控制精度及其工作 穩(wěn)定性已成為產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素 溫度控制不好 將給企業(yè)帶來(lái)不可彌補(bǔ) 的損失 同時(shí) 優(yōu)良的加熱爐溫控系統(tǒng) 不但可以保障工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行 還可以大幅度提高生產(chǎn)效率 節(jié)約能源資源 降低生產(chǎn)成本 貢獻(xiàn)低碳社會(huì) 因此 優(yōu)良且可靠的加熱爐溫控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中是十分必要的 近年來(lái) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展 現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)越來(lái)越離不開計(jì)算機(jī) 美國(guó) NI 公司順應(yīng)時(shí)代發(fā)展 適時(shí)提出虛擬儀器概念 通過幾年的發(fā)展 虛擬 儀器已廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié) 本課題采用 NI 公司的虛擬儀器開發(fā)軟 件 LabVIEW8 5 開發(fā)設(shè)計(jì)出一款低溫加熱爐溫控系統(tǒng) 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 電阻爐通過利用電源使得爐腔內(nèi)的加熱介質(zhì)或電熱元件發(fā)熱 以此對(duì)物料 或工件進(jìn)行加熱的工業(yè)爐 在機(jī)械工業(yè)中 電阻爐主要用于金屬鍛壓前加熱 釬焊 金屬熱處理加熱 玻璃陶瓷焙燒和退火 粉末冶金燒結(jié) 砂型和油漆膜 層的干燥 低熔點(diǎn)金屬熔化等工序 1 自從發(fā)現(xiàn)楞茨 焦耳定律這一電流的熱效應(yīng)以后 電熱法最先應(yīng)用于家用電 器 后來(lái)在具有陶瓷纖維電阻的實(shí)驗(yàn)室小電爐中也采用此法 到 20 世紀(jì) 20 年 代 伴隨著鎳鉻合金的發(fā)明及廣泛應(yīng)用 在工業(yè)領(lǐng)域 電阻爐已得到了廣泛的 普及 工業(yè)領(lǐng)域使用的電阻爐一般說(shuō)來(lái)由電熱元件 金屬殼體 砌體 爐用機(jī) 械和電氣控制系統(tǒng) 爐門等部分組成 不同結(jié)構(gòu)的電阻爐的加熱功率大不相同 低功率的不足一千瓦 大功率的可達(dá)數(shù)千千瓦 根據(jù)工作溫度的不同 電阻爐 可分為低溫爐 中溫爐和高溫爐 低溫爐的工作溫度在 650 以下 中溫爐的 第一章 緒論 2 工作溫度為 650 1000 高溫爐的工作溫度 1000 以上 它們的加熱方式也 不同 高溫和中溫爐主要采用輻射方式加熱 低溫爐主要采用對(duì)流傳熱方式加 熱 電加熱爐隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高 已經(jīng)在冶金 化工 機(jī)械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用 并且在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的低 位 電熱爐是具有非線性 大滯后 時(shí)變性 升溫單向等特點(diǎn)的控制對(duì)象 目 前 對(duì)于加熱爐溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多是由單片機(jī)作為控制單元的 經(jīng)過 PID 算法 由單片機(jī)控制功率控制元件 進(jìn)而達(dá)到溫控目的 功率控制元件多采用可控硅 固態(tài)繼電器 也有采用傳統(tǒng)的繼電 接觸器進(jìn)行控制 采用可控硅作為功率控 制元件 調(diào)功方式主要有可控硅移相調(diào)壓和雙向可控硅過零調(diào)功 2 基于單片的溫控系統(tǒng)的缺點(diǎn)也很明顯 比如系統(tǒng)硬件開銷大 程序設(shè)計(jì)比 較復(fù)雜 開發(fā)周期較長(zhǎng) 實(shí)現(xiàn)的功能比較單一等等 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合 以單片機(jī)作為下位機(jī) 以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī) 已成 為設(shè)計(jì)者普遍采用方法 此外 在控制算法上 當(dāng)對(duì)溫控系統(tǒng)有較高的設(shè)計(jì)要求時(shí) 傳統(tǒng)的 PID 算 法可能滿足不了要求 所以 也有人將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法引入到加熱爐溫控系 統(tǒng)中 如此一來(lái) 既能用模糊規(guī)則來(lái)描述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理過程 有可以通過神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)不斷調(diào)整模糊規(guī)則 既能處理加熱爐生產(chǎn)過程中的模糊和不確定因素 又可以適應(yīng)加熱爐對(duì)象的非線性和時(shí)變性 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù) 通信技術(shù) 微電子技術(shù) 軟件技術(shù)的迅速發(fā)展 測(cè)量 領(lǐng)域內(nèi)不斷涌現(xiàn)出新的測(cè)量理論 測(cè)量方法和新的儀器結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)儀器的概念 越來(lái)越受到新技術(shù)新思想的挑戰(zhàn) 特別是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與將計(jì)算機(jī)作為核心 的儀器系統(tǒng)的緊密結(jié)合 出現(xiàn)了一種全新的儀器 虛擬儀器 Virtual Instrument VI 引發(fā)了儀器概念的突破性變革 虛擬儀器 Virtual Instrumention 是基于計(jì)算機(jī)的儀器 它根據(jù)儀器的需求 組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 研究虛擬儀器主要涉及兩方面的基礎(chǔ)理論 即數(shù)字信號(hào)處 理和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集 目前 儀器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向是將儀器與計(jì)算機(jī) 緊密結(jié)合 概括起來(lái) 這種結(jié)合有兩種方式 第一種方式 把計(jì)算機(jī)載入儀器 第一章 緒論 3 中 智能化的儀器就是采用這種方式 由于計(jì)算機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大并且體積 日趨縮小 采用這種方式構(gòu)成的儀器的功能也越來(lái)越強(qiáng)大 第二種方式 把儀 器載入計(jì)算機(jī)中 以計(jì)算機(jī)硬件及其操作系統(tǒng)為平臺(tái) 實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能 采用第二種方式的主要是虛擬儀器 1986 年 虛擬儀器的概念在美國(guó) NI 公司誕生 時(shí)至今日 虛擬儀器技術(shù) 已成為當(dāng)代測(cè)控領(lǐng)域的熱點(diǎn)技術(shù) 其發(fā)展大致可分為如下三個(gè)階段 3 1 采用計(jì)算機(jī)技術(shù)增強(qiáng)儀器的各功能 通過 RS 232C 和 GPIB 總線 用 戶就可以將傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)連接起來(lái) 就可以實(shí)現(xiàn)使用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行儀器的 控制了 2 儀器結(jié)構(gòu)更加開放 儀器的發(fā)展離不開技術(shù)的進(jìn)步 插入式的計(jì)算機(jī) 數(shù)據(jù)采集卡和 VXI 總線標(biāo)準(zhǔn)的確立這兩大硬件技術(shù)進(jìn)步 促使儀器的結(jié)構(gòu)得以 開放 使得由用戶定義儀器功能和由供應(yīng)商定義儀器功能的區(qū)別得以消除 3 虛擬儀器的結(jié)構(gòu)框架得到了廣泛的認(rèn)可和采用 像在軟件領(lǐng)域中一樣 虛擬儀器開始采用面向?qū)ο蠹夹g(shù) 在構(gòu)建虛擬儀器時(shí) 它把用戶需要知道的東 西封裝起來(lái) 使得編程更加簡(jiǎn)便高效 在虛擬儀器的硬件和軟件領(lǐng)域中 已經(jīng) 產(chǎn)生了許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 幾個(gè)虛擬儀器的平臺(tái)已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可 目前在這一領(lǐng)域內(nèi) 使用較為廣泛或者說(shuō)首選的虛擬儀器開發(fā)軟件是美國(guó) NI 公司的 LabVIEW 采用 LabVIEW 開發(fā)加熱爐溫控系統(tǒng) 可以充分發(fā)揮 G 語(yǔ)言 Graphics Language 圖形化編程語(yǔ)言 編程的優(yōu)勢(shì) 1 3 本設(shè)計(jì)要做的工作 根據(jù)電加熱爐大慣性 大滯后的特點(diǎn) 采用 PID 控制算法 由虛擬儀器控 制實(shí)現(xiàn)交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功 功率控制器件選用雙向可控硅 硬件的 設(shè)計(jì)任務(wù)主要 有溫度傳感器 數(shù)據(jù)采集卡的選型 PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) 等 軟件的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有 采集數(shù)據(jù)的處理 存儲(chǔ) 顯示 打印 PWM 波 控制信號(hào)的輸出 通信功能的實(shí)現(xiàn)等 第二章 虛擬儀器及 LabVIEW 簡(jiǎn)介 4 第二章 虛擬儀器及LabVIEW簡(jiǎn)介 2 1 虛擬儀器的基本概念 虛擬儀器是指 在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上 由用戶自己設(shè)計(jì)定 義 具有虛擬的操作面板 測(cè)試功能由測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng) 4 傳統(tǒng)的電子儀器的主體為硬件 虛擬儀器的出現(xiàn)突破了這種模式 與傳統(tǒng) 的電子儀器相比 它更為通用 隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 人們對(duì)測(cè)量?jī)x 器不斷提出新的要求 虛擬儀器更能適應(yīng)這種要求 它推動(dòng)著傳統(tǒng)儀器朝著虛 擬化 模塊化 數(shù)字化 網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展 虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn) 打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義功能 用戶無(wú)法改變的 固定模式 虛擬儀器技術(shù)給了用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間 用 戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求 設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng) 滿足多種多樣的應(yīng) 用需求 虛擬儀器中的 虛擬 有兩個(gè)方面的含義 5 分別表現(xiàn)在 1 虛擬的儀器前面板 傳統(tǒng)的儀器面板上的控件都是物理實(shí)物 都遵循 現(xiàn)實(shí)的物理規(guī)律 必須通過手動(dòng)或觸摸進(jìn)行操作 在要實(shí)現(xiàn)的功能方面 虛擬 儀器的前面板上的控件和傳統(tǒng)的儀器控件沒有什么區(qū)別 在外形上 兩類控件 非常相像 在原理上 傳統(tǒng)儀器控件的操作對(duì)應(yīng)著相應(yīng)物理過程 如按鍵觸點(diǎn) 的碰觸 而虛擬儀器控件的操作對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的軟件程序 通過程序?qū)崿F(xiàn)的功能 2 與傳統(tǒng)儀器通過硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能不同 虛擬儀器通過軟件編程 來(lái) 實(shí)現(xiàn)與實(shí)物一樣的測(cè)控功能 2 2 虛擬儀器的特點(diǎn)及應(yīng)用 虛擬儀器技術(shù)集合了多種現(xiàn)代化技術(shù)于一身 包括計(jì)算機(jī)技術(shù) 圖形處理 技術(shù) 智能測(cè)試技術(shù) 模塊及總線的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù) 數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等 虛擬 儀器具有模塊化 標(biāo)準(zhǔn)化 積木化 系列化的軟件和硬件平臺(tái) 是一個(gè)完全開 放的系統(tǒng) 它具有下列一些技術(shù)特點(diǎn) 6 第二章 虛擬儀器及 LabVIEW 簡(jiǎn)介 5 1 傳統(tǒng)儀器的功能被虛擬儀器豐富和增強(qiáng) 為了充分利用計(jì)算機(jī)具有的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)發(fā)布的能力 以便更加簡(jiǎn)便靈活地組建儀器系統(tǒng) 虛擬儀器集中將數(shù)據(jù)分析處理 數(shù)據(jù)顯示 存儲(chǔ)及打印和其他必要的操作都交給計(jì)算機(jī)來(lái)處理 2 虛擬儀器進(jìn)一步突出了 軟件即儀器 的概念 虛擬儀器利用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的某些硬件 利用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能 詮釋了 軟件即儀器 的概念 3 用戶可以自己定義儀器的各種功能 虛擬儀器為用戶提供了重要的源代碼庫(kù) 當(dāng)組建自己的虛擬儀器時(shí) 利用 源代碼庫(kù) 用戶可以很方便地實(shí)現(xiàn) 修改儀器的各種測(cè)控 通信功能 讓用戶可 以充分發(fā)揮自己的能力和想象力 4 虛擬儀器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)非常開放 虛擬儀器的軟件及硬件都具有開放的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 利用虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn) 用 戶可以統(tǒng)一對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì) 管理和使用 可以提高資源的可重復(fù)性利用率 使得管理更加規(guī)范 儀器功能更加易于擴(kuò)展 儀器的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用更加降低 5 經(jīng)濟(jì)性好 易于組建成更為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng) 虛擬儀器是基于軟件體系結(jié)構(gòu)的 傳統(tǒng)儀器是基于硬件體系結(jié)構(gòu)的 用虛 擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器 可以節(jié)約大量的購(gòu)買和維護(hù)成本 而且 與傳統(tǒng)儀器相 比 虛擬儀器更容易組建成復(fù)雜的分布式測(cè)試系統(tǒng) 因?yàn)樘摂M儀器可以利用高 速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信 監(jiān)控 測(cè)試和故障診斷等功能 虛擬儀器作為新興的儀器代表 由于具有絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 被廣泛應(yīng)用于 電子 機(jī)械 通信 汽車制造 生物 醫(yī)藥 化工 科研 軍事 教育等各個(gè) 領(lǐng)域 從簡(jiǎn)單的儀器控制 數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化 從大學(xué)實(shí)驗(yàn) 室到工廠企業(yè) 從探索研究到技術(shù)集成 都可以發(fā)現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用成果 第二章 虛擬儀器及 LabVIEW 簡(jiǎn)介 6 2 3 LabVIEW 的含義 LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench 實(shí)驗(yàn)室虛擬儀 器集成環(huán)境 是一種圖形化的編程語(yǔ)言 又稱 G 語(yǔ)言 它是由美國(guó) NI 公司推出 的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái) 也是目前應(yīng)用最廣 發(fā)展最快 功能最強(qiáng)的圖形化軟件 集成開發(fā)環(huán)境之一 7 2 4 LabVIEW 的發(fā)展 1986 年 美國(guó) NI 公司于正式推出了 LabVIEW1 0 現(xiàn)在已發(fā)展到 2011 版 本 20 多年來(lái) 經(jīng)過公司的不斷改進(jìn)和完善 LabVIEW 的功能更加豐富完備 包含眾多附加軟件包 比如控制與仿真 統(tǒng)計(jì)過程控制 高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理 模糊控制 PID 和 PDA 等 可運(yùn)行于多種平臺(tái) 比如 Macintosh UNIX Windows 和 Linux 等 作為一個(gè)具有強(qiáng)大功能的標(biāo)準(zhǔn)的虛 擬儀器開發(fā)平臺(tái) LabVIEW 廣泛地被研究實(shí)驗(yàn)室 學(xué)術(shù)界及工業(yè)界所接受 廣 泛地應(yīng)用于航空航天 工業(yè)控制 電子半導(dǎo)體 汽車和通信等眾多領(lǐng)域 2 5 LabVIEW 的結(jié)構(gòu) 利用 LabVIEW 軟件開發(fā)的虛擬儀器 包括前面板和程序框圖兩個(gè)主要部 分 前面板就是虛擬儀器的測(cè)試界面 是由形象化的控件組成的 可以高度模 擬傳統(tǒng)儀器中的各種控件 通過前面板 用戶可以展現(xiàn)包括參數(shù)設(shè)置 菜單 結(jié)果顯示等各種測(cè)試交互接口 程序框圖類似于傳統(tǒng)編程語(yǔ)言中的程序源代碼 是測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理 的流程 程序框圖與前面板對(duì)象一一對(duì)應(yīng) 程序框圖中的數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)于前面板 對(duì)象的相關(guān)操作 程序框圖采用圖形化節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程 使編程更加簡(jiǎn)便 高效 2 6 LabVIEW 的優(yōu)勢(shì) 概括地說(shuō) 作為一款成功的虛擬儀器開發(fā)軟件 LabVIEW 具有許多明顯 的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) 如 采用圖形化編程語(yǔ)言 開發(fā)效率高 支持多種儀器和數(shù)具 第二章 虛擬儀器及 LabVIEW 簡(jiǎn)介 7 采集卡硬件的驅(qū)動(dòng) 調(diào)試 查錯(cuò)能力強(qiáng)大 支持多種操作系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)通信功能 強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn) 8 正是由于 LabVIEW 軟件具有的這些優(yōu)點(diǎn) 使得 LabVIEW 成為開發(fā)虛擬儀器的首選平臺(tái) 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 8 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 3 1 系統(tǒng)總體方案 基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖如 3 1 所示 電 加 熱 爐 傳 感 器 采 集 卡 計(jì)算機(jī) LabVIEW 光耦 雙向 可控 硅 PWM 波產(chǎn)生 電路 圖 3 1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖 這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng) 根據(jù)加熱爐大慣性 大滯后的特點(diǎn) 采用 PID 控 制算法 由虛擬儀器控制實(shí)現(xiàn)交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功 9 功率器件選用 雙向可控硅 具體設(shè)計(jì)方案如下 由傳感器測(cè)得的爐溫信號(hào)經(jīng)過變送環(huán)節(jié)送給 數(shù)據(jù)采集卡 采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A D 轉(zhuǎn)換后傳輸至虛擬儀器 虛擬儀器中的 PID 算法對(duì)信號(hào)處理后產(chǎn)生控制信號(hào) 再經(jīng)過采集卡 D A 轉(zhuǎn)換后輸出控制 PWM 波產(chǎn)生電路 改變 PWM 波占空比 產(chǎn)生的 PWM 波經(jīng)過光耦 MOC3041 控制雙向可控硅的通斷 以此改變加在電阻上的電壓 達(dá)到溫控目的 3 2 硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)包括傳感器的選型 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集卡的選型 PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) 光耦及雙向可控硅的選型 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬 調(diào)功電路設(shè)計(jì) 3 2 1 傳感器的選型 溫度敏感元件選用 Pt100 鉑電阻的物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定 精度高 耐 氧化性強(qiáng) 且電阻率較高 復(fù)現(xiàn)性好 可用作基準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)熱電阻 鉑電阻 的溫度測(cè)量范圍為 200 850 鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系是一個(gè)典型的非線 性函數(shù) 一般工業(yè)用的鉑電阻可以用式 3 1 3 2 表示 10 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 9 850 3 1 2 0 1 t RRAtBt 0t 200 0 3 2 23 0 1100 t RRAtBtCtt t 式中 為溫度在 時(shí)的電阻值 和為常數(shù) 其值分別為 t RtABC 3 3 9083 10 1 CA 72 5 775 10 1 CB 124 4 183 101 CC 本設(shè)計(jì)選用一體化傳感器 一體化的溫度傳感器集溫度敏感元件和變送 單元于一體 首先 溫度敏感元件將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào) 再經(jīng)過 信號(hào)的調(diào)理放大環(huán)節(jié) 最后再由線性電路對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償 輸出 4 20mA 的恒流信號(hào) 一體化溫度傳感器的采用 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路的 設(shè)計(jì) 具體型號(hào)采用錦州精微儀表有限公司的WZPKKB 2312Y 1 400 250 2 0 2 0 400 常用的 Pt 電阻接法有三線制和兩線制 其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將 Pt100 的兩側(cè)相等長(zhǎng)度的導(dǎo)線分別加在兩側(cè)的橋臂上 使得導(dǎo)線電阻得以消除 常用 的溫度測(cè)量電路主要有兩種 一種是橋式測(cè)溫電路 可分為兩線制 三線制 四線制橋式測(cè)溫電路 另一種是恒流源式測(cè)溫電路 在熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)中 引 線電阻的大小對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響 恒流源式測(cè)溫電路可以消除引線電阻 的影響 本設(shè)計(jì)就是采用恒流源式測(cè)溫電路 其測(cè)溫電路圖如圖 3 2 所示 3 2 1 84 U A LM358 R 3 3k 一一一一一一一一 R 250 C 104 VCC GND 1 5V 4 096V 圖 3 2 恒流源測(cè)溫電路 對(duì)于 LM358 放大器工作于線性運(yùn)放狀態(tài) 根據(jù)虛短和虛斷概念 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 10 得流過 Pt100 的恒定電流為 0 00124 4 096uuV 1001 o Pt uu RR A 3 2 2 數(shù)據(jù)采集卡的選型 數(shù)據(jù)采集 DAQ 是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中 自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào) 送到上位機(jī)中進(jìn)行分析 處理 被測(cè) 物理 量 傳 感 器 信 號(hào) 調(diào) 理 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 計(jì) 算 機(jī) 圖 3 3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過測(cè)量軟 硬件產(chǎn)品的有機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的 具有用 戶自定義功能的測(cè)量系統(tǒng) 它基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái) 數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 3 3 所示 11 一般的數(shù)據(jù)采集過程如圖 3 4 所示 框圖中的相關(guān)采樣參數(shù)包括以下幾個(gè) 采樣通道 即需要由多路開關(guān)進(jìn)行掃描的通道 采樣次數(shù) 即多路開關(guān)對(duì)通道 進(jìn)行掃描的次數(shù) 采樣頻率 即單位時(shí)間內(nèi)多路開關(guān)對(duì)通道進(jìn)行一次掃描的次 數(shù) 數(shù)據(jù)緩存大小 確定數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)緩存可以存儲(chǔ)多少掃描得來(lái)的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)采集卡 就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 DAQ 功能的計(jì)算機(jī)擴(kuò)展卡 數(shù)據(jù)采集卡 的主要性能指標(biāo)主要有通道數(shù) 采樣頻率 分辨率 精度 量程等 根據(jù)實(shí)際 需要 選擇具有相應(yīng)性能的采集卡 選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí) 要根據(jù)具體的采集任務(wù) 及現(xiàn)有的技術(shù)資源 本設(shè)計(jì) 要求數(shù)據(jù)采集卡要采集一路模擬信號(hào) 輸出一路模擬控制信號(hào) 要求輸入分辨 率為 12 位 采樣速率為 10KS s 輸出分辨率為 12 位 故采用的數(shù)據(jù)采集卡為美 國(guó) NI 公司的 NI USB 6009 多功能數(shù)據(jù)采集卡 NI USB 6009 的主要技術(shù)指標(biāo)如 下 8 個(gè)模擬輸入通道 14 位 48KS s 采樣速度 AI0 AI7 2 路 12 位模擬輸 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 11 出通道 150 S s AO0 AO1 12 個(gè) I O 通道 P0 0 P0 7 P1 0 P1 3 1 個(gè) 32 位計(jì)數(shù)器 定時(shí)器 PFI0 數(shù)據(jù)采集VI傳遞相 關(guān)參數(shù)給數(shù)據(jù)卡 采樣開始 多路開 關(guān)對(duì)采樣通道依次 掃描 每通道采樣 一個(gè)點(diǎn) 采樣的模擬信號(hào)送 到A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào) 數(shù)據(jù)信號(hào)存儲(chǔ)到數(shù) 據(jù)緩存中 完成所需的采 樣次數(shù) 從數(shù)據(jù)采集卡的數(shù) 據(jù)緩存中讀取數(shù)據(jù) 到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中 完成數(shù)據(jù)采集工作 否 是 圖 3 4 數(shù)據(jù)采集過程框圖 NI USB 6009 數(shù)據(jù)采集卡具有單端和差動(dòng)兩種輸入模式 連接參考單端電 壓信號(hào)和連接差分電壓信號(hào) 本設(shè)計(jì)采用后面一種輸入模式 連接差分電壓信號(hào)時(shí) 輸入信號(hào)的正負(fù)極分別接入采集卡的 AI AI 通 道 它能夠抑制接地回路感應(yīng)誤差 消除共模干擾 是一種比較理想的輸入模 式 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 12 連接差分電壓信號(hào)電路圖如圖 3 5 所示 將輸入信號(hào)的正極連接到 NI USB 6009 數(shù)據(jù)采集卡的 AI 通道 輸入信號(hào)的負(fù)極連接到數(shù)據(jù)采集卡對(duì)應(yīng)的 AI 通道 AI AI NI USB 6009 電壓源 圖 3 5 連接差分電壓信號(hào) 3 2 3 PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用硬件搭建 PWM 產(chǎn)生電路 主要由三角波發(fā)生器 電平比較器 施密特觸發(fā)器組成 原理框圖如圖 3 6 所示 其原理為 首先 三角波發(fā)生器產(chǎn)生頻率恒定的三角波 三角波和 LabVIEW 編寫的虛擬儀器產(chǎn)生的控制信號(hào)通過在電平比較器中比較 產(chǎn)生占空 比由控制信號(hào)決定的 PWM 脈沖波 之后經(jīng)過施密特觸發(fā)器濾除電平附近由于 干擾產(chǎn)生的振蕩成分 使波形規(guī)則化 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的 PWM 波 LabVIEW 控制信號(hào)電平比 較 器 施密特 觸發(fā)器 三角波 發(fā)生器 PWM 波 圖 3 6 PWM 波產(chǎn)生電路 三角波發(fā)生器選用 MAX038 它使用很少的外部元器件就可以產(chǎn)生精確 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 13 高頻率的三角波信號(hào) 利用內(nèi)部 2 5V 基準(zhǔn)電壓配以外部的電阻電容就可以產(chǎn)生 頻率為 0 1Hz 20MHz 的三角波 電平比較器選用 LM339 施密特觸發(fā)器采用 74LS14 產(chǎn)生 PWM 波電路圖如圖 3 7 所示 三角波周期計(jì)算公式為 3 3 inf fIC 其中 3 4 ininin IUR 為基準(zhǔn)電源電壓 其值為 2 5V in U 本設(shè)計(jì)中 LabVIEW 輸出的控制信號(hào)的控制周期為 1s 與之對(duì)50 in Rk 應(yīng) 產(chǎn)生的三角波周期也應(yīng)為 1s 即 所以 產(chǎn)生的 1s inf fIC 50 f CuF 三角波幅值最大為 1V 而 LabVIEW 輸出的控制信號(hào)幅值為 0 5V 故采用 LM318 對(duì)三角波進(jìn)行信號(hào)放大 使得三角波幅值也在 0 5V 內(nèi)變化 COSC 5 A0 3 AGND 6 A1 4 FADJ 8 OUT 19 IN 10 SYNC 14 V 20 AGND 18 REF 1 AGND 11 V 17 AGND 9 DADJ 7 AGND 2 PDO 12 PDI 13 DV 16 DGND 15 MAX038 GND GND C 0 1 10uF GND CAP VCC 一一一一一 5 4 2 312 U A LM339 12 U A 74LS14 VCC R RES2 LabVIEW一一一一 PWM一 VCC 3 2 6 1 5 8 74 U LM318 VCC 12 R RES2 R 100 GND R 20 Rin 50k Cf 50uF 圖 3 7 PWM 波產(chǎn)生電路 3 2 4 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理 采用可控硅作為功率控制元件 功率控制方式主要有兩種 即可控硅移相 調(diào)壓和雙向可控硅過零調(diào)功 可控硅移相調(diào)壓方式通過改變觸發(fā)脈沖觸發(fā)角來(lái) 改變可控硅導(dǎo)通角 進(jìn)而改變電壓值 此方式需要具有準(zhǔn)確相角的觸發(fā)脈沖 12 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 14 系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜 而且通過負(fù)載的不是完整的正弦波 會(huì)產(chǎn)生高次諧波 造成 電網(wǎng)電壓波形畸變 影響其他用電設(shè)備 雙向可控硅過零調(diào)功既具有較好的控 制精度 又不存在可控硅移相調(diào)壓方式具有的一切缺點(diǎn) 它是在交流電過零時(shí) 觸發(fā)雙向可控硅的導(dǎo)通 使得流過負(fù)載的電壓電流是完整的正弦波 不存在波 形畸變 而且 對(duì)觸發(fā)脈沖的相位要求也大大降低 觸發(fā)時(shí)只需外加一個(gè)過零 檢測(cè)電路既可 所謂過零檢測(cè) 就是檢測(cè)交流電壓或電流的過零點(diǎn) 本設(shè)計(jì)采 用后一種調(diào)功方式 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理如圖 3 8 所示 13 圖中 光耦選用了過 零雙向可控硅型光耦 MAX3041 它集光電隔離 過零檢測(cè) 過零觸發(fā)等功能 于一體 簡(jiǎn)化了輸出通道隔離 驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu) R1 R3 R2 C1 MOC3041 VCC AC220V PWM一一 12 A74F04 NPN 一一一一一一 圖 3 8 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理 電路分析如下 當(dāng) PWM 控制脈沖為高電平 且光耦 MOC3041 檢測(cè)到電 壓過零點(diǎn)時(shí) 光耦中的光敏雙向可控硅導(dǎo)通 發(fā)出觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo) 通 此后 只要 PWM 波一直是高電平時(shí) 雙向可控硅就一直導(dǎo)通 使得負(fù)載 上通過的是完整的正弦波 當(dāng) PWM 脈沖變?yōu)榈碗娖綍r(shí) 光耦在電壓過零時(shí)就 不再向雙向可控硅發(fā)觸發(fā)信號(hào) 于是當(dāng)電壓再次過零時(shí)雙向可控硅截止 電流 不再流過負(fù)載 通過改變 PWM 波占空比 就可以控制流過負(fù)載的電壓周波數(shù) 進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的 在本設(shè)計(jì)中 就是達(dá)到溫控的目的 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 15 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用 LabVIEW 軟件開發(fā)虛擬儀器 整個(gè)系統(tǒng)可分為登錄系統(tǒng)模塊 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 查看歷史數(shù)據(jù)模塊 打印模塊 通 信模塊等各功能模塊 最后將這些小的功能模塊有機(jī)組合 組成完整的加熱爐 溫控系統(tǒng) 本章將先分別介紹各個(gè)功能子模塊 最后完成總的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 1 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 4 1 登錄系統(tǒng)前面板 完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都必須要有使用權(quán)限設(shè)置 本系統(tǒng)首先設(shè)計(jì)了一個(gè)登錄系 統(tǒng) 登錄系統(tǒng)前面板及程序框圖如圖 4 1 4 2 所示 用戶進(jìn)入主程序之前 需 要輸入正確的用戶姓名及登錄密碼 否則就不可以進(jìn)行主程序的操作 當(dāng)?shù)谝?次登錄系統(tǒng)時(shí) 會(huì)提醒用戶進(jìn)行用戶名及登錄密碼的重新設(shè)置 當(dāng)然 用戶也 可以主動(dòng)進(jìn)行用戶名及登錄密碼的修改 在重新設(shè)置用戶名及登錄密碼密碼時(shí) 登錄系統(tǒng)會(huì)提示用戶輸入管理員密碼 只有輸入正確的管理員密碼 才可以繼 續(xù)重置工作 前面板添加了一個(gè)指示燈 當(dāng)正確登陸系統(tǒng)時(shí)會(huì)由紅色變?yōu)榫G色 當(dāng)使用完系統(tǒng)后 點(diǎn)擊 退出程序 按鈕就可以退出系統(tǒng) 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 16 當(dāng)用戶填寫不正確的用戶名或密碼時(shí) 會(huì)彈出如圖 4 3 所示的對(duì)話框 直 至用戶輸入正確的用戶名和密碼 圖 4 4 為用戶重置用戶名和密碼時(shí)提醒用戶 輸入管理員密碼的對(duì)話框 圖 4 2 登錄系統(tǒng)程序框圖 圖 4 3 用戶名或登錄密碼錯(cuò)誤時(shí)的提示對(duì)話框 主程序以子程序的形式嵌入到登錄系統(tǒng)中 設(shè)計(jì)主程序?yàn)樽映绦虻姆椒?單擊主程序前面板的文件 在下拉菜單中選擇 VI 屬性 會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框 在對(duì)話的類別欄中選擇窗口外觀 將對(duì)話框頁(yè)面切換到窗口顯示屬性頁(yè)面 如 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 圖 4 5 所示 圖 4 4 重置用戶名及密碼時(shí)提示輸入管理員密碼 圖 4 5 子 VI 屬性對(duì)話框 在對(duì)話框中單擊自定義按鈕 彈出自定義窗口外觀對(duì)話框 如圖 4 6 所示 在對(duì)話中選擇 調(diào)用時(shí)顯示前面板 和 如之前未打開則在運(yùn)行后關(guān)閉 如此一來(lái) 登錄系統(tǒng)后主程序會(huì)作為子 VI 被調(diào)用 且主程序前面板會(huì)彈 出來(lái) 供用戶設(shè)置 選中 如之前未打開則在運(yùn)行后關(guān)閉 選項(xiàng)后 則當(dāng)主程序 運(yùn)行結(jié)束后 其前面板會(huì)自動(dòng)消失 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 18 圖 4 6 子 VI 窗口外觀對(duì)話框 4 2 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊時(shí)本系統(tǒng)的重中之重設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)的主要功能包括 溫度信號(hào)的采集 采集數(shù)據(jù)的處理 PID 控制信號(hào)的產(chǎn)生等 每個(gè)功能模塊又 可以分為若干子模塊 本節(jié)內(nèi)容將一一給予詳細(xì)介紹 4 2 1 溫度信號(hào)的采集 基于虛擬儀器的采集系統(tǒng)典型框架為 傳感器 信號(hào)調(diào)理器 數(shù)據(jù)采集設(shè) 備 計(jì)算機(jī) 傳感器將被測(cè)量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 信號(hào)調(diào)理器對(duì)電信號(hào) 進(jìn)行 放大 濾波 隔離等預(yù)處理 數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要功能是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號(hào) 此外一般還有放大 采樣保持 多路復(fù)用等功能 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件 硬件驅(qū)動(dòng)程序和由數(shù)據(jù)采集函數(shù)編制 的軟件幾個(gè)部分組成 14 如前所述 本設(shè)計(jì)采用 NI USB 6009 多功能數(shù)據(jù)采集 卡 所謂硬件驅(qū)動(dòng)程序就是應(yīng)用軟件驅(qū)動(dòng)硬件正常工作的編程接口 硬件驅(qū)動(dòng) 程序包含著相應(yīng)硬件可以接受的由軟件發(fā)出的操作命令 完成軟件與硬件之間 的數(shù)據(jù)傳遞 借助于強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)程序 LabVIEW 的編程工作將會(huì)大大簡(jiǎn)化 開發(fā)效率顯著提高 開發(fā)成本也明顯降低 本設(shè)計(jì)采用的硬件驅(qū)動(dòng)程序?yàn)?NI DAQ8 6 1 版本 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 19 本設(shè)計(jì)要求加熱爐溫度穩(wěn)定在 80 允許有 1 誤差 故設(shè)置溫度范圍為 0 100 采集數(shù)據(jù)只有模擬量溫度信號(hào) 故為單通道數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集卡 和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí) 需要對(duì)物理通道和虛擬通道進(jìn)行選擇 所謂物 理通道就是被測(cè)試的信號(hào)或生成的信號(hào)實(shí)際進(jìn)出計(jì)算機(jī)的路徑 例如 NI USB 6009 上的模擬輸入通道 AI0 AI5 模擬輸出通道 AO0 AO1 數(shù)字 I O 通道為 P0 0 P0 7 P1 0 P1 3 所謂虛擬通道是一系列設(shè)置的集合 包括通道 名 對(duì)應(yīng)的物理通道 信號(hào)連接方式 測(cè)試類型和標(biāo)度等 本設(shè)計(jì)物理通道選 擇 AI0 AO0 對(duì)應(yīng)的虛擬通道為 Dev1 ai0 Dev1 ao0 由數(shù)據(jù)采集函數(shù)編制溫度數(shù)據(jù)采集軟件 主要步驟如下 15 1 調(diào)用 DAQmx Create Virtual Channel vi 創(chuàng)建虛擬通道 并配置相應(yīng)的物 理通道 采樣數(shù)據(jù)的最大值和最小值 輸入端配置方式 2 調(diào)用 DAQmx Timing vi 并設(shè)置采樣速率 采樣模式 緩存大小 3 調(diào)用 DAQmx Start Task vi 將采集任務(wù)轉(zhuǎn)換到運(yùn)行狀態(tài) 4 調(diào)用 DAQmx Read vi 這是一個(gè)多態(tài) VI 根據(jù)數(shù)據(jù)采集的類型 讀取 數(shù)據(jù)的數(shù)量和要求返回?cái)?shù)據(jù)的類型 有許多子 VI 可以選擇 圖 4 7 所示是本設(shè) 計(jì)所選擇的 VI 圖 4 7 DAQmx 讀取多態(tài) VI 的子 VI 選擇 5 調(diào)用 DAQmx Clear Task vi 此 VI 首先中止采集任務(wù)然后釋放掉所有 資源 按照如上步驟 編寫的溫度數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖如圖 4 8 所示 通過數(shù)據(jù)采集前面板 可以設(shè)置物理通道 輸入端配置 采樣方式 采樣 速率 采樣數(shù)據(jù)的最大值和最小值 設(shè)置好個(gè)參數(shù)后 點(diǎn)擊 開始采樣 按鈕 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 20 就可按照設(shè)置好的參數(shù)采集溫度數(shù)據(jù) 并可在波形圖給予顯示 采集完成后 點(diǎn)擊 停止采集 按鈕 即可停止本次數(shù)據(jù)采集操作 圖 4 8 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖 4 2 2 采集數(shù)據(jù)的處理 采集到的溫度數(shù)據(jù)一般要經(jīng)過處理再將數(shù)據(jù)送去顯示 存儲(chǔ) 打印等他操 作 本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理主要有三個(gè)方面 第一個(gè)是數(shù)據(jù)濾波 第二個(gè)是消除零 點(diǎn)誤差 第三個(gè)是標(biāo)度變換 下面將分別予以介紹 濾波技術(shù)是信號(hào)處理技術(shù)的重要分支 濾波就是指對(duì)信號(hào)的噪聲干擾進(jìn)行 抑制或衰減 并使有用信號(hào)正常通過的一種技術(shù) 按同頻帶范圍分 濾波器可 分為低通濾器 高通濾波器 帶通濾波器 帶阻濾波器 4 類 16 本設(shè)計(jì)采用帶 通濾波器 由于計(jì)算機(jī)只能處理有限長(zhǎng)度的信號(hào) 因此原始信號(hào)要以采樣時(shí)間 x t 截?cái)?即有限化 成為離散信號(hào)后在進(jìn)一步處理 信號(hào)的有限化也稱為T x t 加窗處理 LabVIEW 軟件中有許多窗函數(shù) 窗函數(shù)主要用于對(duì)截?cái)嗵幍牟贿B續(xù) 變化進(jìn)行平滑 減少泄露 此外 窗函數(shù)還具有減少噪聲干擾的作用 窗函數(shù) 有很多種 常用窗函數(shù)主要有 Hamming 窗 Hanning 窗 Blackman 窗 Kaiser 窗 Triangle 窗 Flat Top 窗 Exponential 窗等 在 LabVIEW 程序框圖中的函數(shù) 信號(hào)處理 濾波器選板中 提供了各種 各樣濾波器 考慮到窗函數(shù)的作用 本設(shè)計(jì)選用 FIR 加窗濾波器 數(shù)據(jù)濾波的 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 21 前面板和程序框圖如圖 4 9 所示 圖 4 9 數(shù)據(jù)濾波的程序框圖 零點(diǎn)誤差又稱零輸入誤差 既無(wú)被測(cè)信號(hào)輸入時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng) 在測(cè)試 系統(tǒng)中零點(diǎn)誤差包括以下兩個(gè)部分 1 測(cè)試系統(tǒng)本身所具有的零點(diǎn)誤差 如各種模擬電路 傳感器以及儀器 一般都存在零點(diǎn)誤差和零漂 2 零輸入時(shí)引入的外界噪聲 干擾誤差 即靜態(tài)噪聲和靜態(tài)干擾誤差 零點(diǎn)誤差會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)性 必須采取措施消除或減小零點(diǎn)誤 差的影響 本設(shè)計(jì)有對(duì)零點(diǎn)誤差的處理環(huán)節(jié) 如圖 4 10 所示 圖 4 10 零點(diǎn)誤差處理 由于零點(diǎn)誤差會(huì)隨環(huán)境的變化而相應(yīng)改變 所以本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了零點(diǎn)誤差 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 采集環(huán)節(jié) 當(dāng)需要更新零點(diǎn)誤差數(shù)值是 進(jìn)行一次零點(diǎn)誤差采集就可以了 程 序框圖如圖 4 11 所示 圖 4 11 零點(diǎn)誤差采集程序框圖 此程序?qū)⒉杉降牧泓c(diǎn)誤差先排序 去掉最大值 最小值后 再取平均值 即為最終的零點(diǎn)誤差 之后通過局部變量將最新的零點(diǎn)誤差傳遞給圖 4 12 中的 變量 所謂標(biāo)度變換 將對(duì)應(yīng)參數(shù)值的大小轉(zhuǎn)換成能直接顯示有量綱的被測(cè)工 程量數(shù)值 也稱工程轉(zhuǎn)換 標(biāo)度變換有線性和非線性之分 本設(shè)計(jì)采用 pt100 作為溫度敏感 在 0 100 內(nèi)有較好的線性度 故本設(shè)計(jì)采用線性標(biāo) 度變換 圖 4 12 線性標(biāo)度變換 線性變換后的數(shù)據(jù) 要用來(lái)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度 本設(shè)計(jì)采用 LabVIEW 軟件 提供的轉(zhuǎn)換 RTD 讀數(shù)節(jié)點(diǎn) 此節(jié)點(diǎn)位于函數(shù) 編程 數(shù)值 縮放子選板 中 轉(zhuǎn)換 RTD 讀數(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于公式 3 1 通過輸入的電壓 給定的傳感器激勵(lì) 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 電流 反計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度值 對(duì)于此節(jié)點(diǎn) 當(dāng)傳感器激勵(lì)電流為 0 00124A 時(shí) 輸入電壓 0 124005 0 17174V 對(duì)應(yīng)于輸出溫度 0 100 故本標(biāo)度變換的 任務(wù)為將采樣的電壓信號(hào) 1 5V 線性變換為 0 124005 0 17174V 變換程 序框圖如圖 4 12 所示 4 2 3 控制信號(hào)的產(chǎn)生 電加熱爐是一個(gè)復(fù)雜的被控對(duì)象 具有非線性 大滯后 時(shí)變性 升溫單 向等特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)采用的電加熱爐數(shù)學(xué)模型如式 4 1 所示 式中 設(shè) 1 10 3 KTs s 4 1 1 s C Ke Gs Ts 在工程實(shí)踐中 應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制算法為 PID 控制算法 PID 控制 器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 穩(wěn)定性好 工作可靠 調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一 17 本設(shè)計(jì)也采用 PID 控制算法 PID 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律如式 4 2 4 3 所示 05101520253035404550 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 值 值 值 值 圖 4 13 PID 仿真結(jié)果 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 4 2 0 d d d t pID e uK eKe tK t 或?qū)懗?4 3 0 1d d d t pD I e uKee tT Tt PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定有多種方法 除理論計(jì)算法外 還有臨界比例度法 衰減曲線法 反應(yīng)曲線法 最佳整定法和經(jīng)驗(yàn)法 本設(shè)計(jì)采用臨界比例度法 使用 Matlab 仿真 仿真結(jié)果如圖 4 13 所示 此時(shí) 2 0 2 0 001 則 10s 0 0005s p K I K D K p I I K T K D D p K T K 圖 4 14 控制信號(hào)產(chǎn)生環(huán)節(jié) PID 產(chǎn)生的控制信號(hào)要通過 NI USB 6009 的模擬輸出通道輸出去控制 PWM 波產(chǎn)生電路 PID 節(jié)點(diǎn)的 process variable 端連接的是轉(zhuǎn)換 RTD 讀數(shù)節(jié)點(diǎn) 輸出的 0 100 溫度信號(hào) PID 節(jié)點(diǎn)的 setpoint 端連接的是溫度設(shè)定值 80 控制信號(hào)的輸出要經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡NI USB 6009 的 AO 端 輸出幅值為 0 5V 故 PID 的輸出不能直接輸出 需要經(jīng)過一定的處理方案 本設(shè)計(jì)的 處理方案如下 當(dāng)溫度小于等于 75 時(shí) 不采用 PID 算法 直接輸出 0V 當(dāng)溫度大于等于 85 時(shí) 也不采用 PID 算法 直接輸出 5V 當(dāng)溫度 值大于 75 且小于 85 時(shí) 采用 PID 算法 為了限制 PID 的輸出在 0 5V 內(nèi) 本設(shè)計(jì)采用公式節(jié)點(diǎn)編寫了一個(gè)飽和函數(shù) 如程序框圖4 14 所 示 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 25 PID 產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后 需要通過數(shù)據(jù)采集卡輸出 去控制硬件電 路 控制信號(hào)輸出程序框圖如圖 4 15 所示 圖 4 15 控制信號(hào)輸出程序框圖 4 3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 LabVIEW 進(jìn)行數(shù)據(jù)存放一般使用下面 4 種格式的文件 分別是二進(jìn)制文件 數(shù)據(jù)記錄 Datalog 文件 波形數(shù)據(jù)文件和文本文件 18 文本文件是最容易使用 和共享的格式 它可以用文字處理軟件或電子表格程序 例如 Word 或 Excel 來(lái)讀取或處理數(shù)據(jù) 除了上述 4 種常見的文件格式 本文中還涉及到另外一種 文件 TDMS 文件 TDMS 文件格式可以稱為 NI 用在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的通用數(shù)據(jù) 文件格式 LabVIEW LabWindows Signal Express DIAdem 中都可以用 也 ?？吹皆?Excel Matlab 中被調(diào)用 TDMS 文件較其他文件 有如下優(yōu)勢(shì) 讀 寫文件速度快 支持隨機(jī)讀取 支持分別讀寫描述性信息和原始數(shù)據(jù)等 19 本文采用文本文件和 TDMS 文件兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式 下面分別予以介紹 4 3 1 數(shù)據(jù)存入文本文件 由于文本文件的特點(diǎn) 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式首先選擇文本文件 將采集到的電 壓數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定位置的程序框圖如圖 4 16 所示 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 26 選擇前面板的 文本框 可以指定電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置 此程序 除將電壓溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起 來(lái)外 采樣時(shí)間也同時(shí)被存儲(chǔ)起來(lái) 圖 4 16 電壓數(shù)據(jù) 溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到文本文件 4 3 2 數(shù)據(jù)存入 TDMS 文件 在 LabVIEW 程序框圖的函數(shù) 編程 文件 I O TDMS 流子模板中含有關(guān) 于 TDMS 文件所有操作 利用這些子 VI 編寫 TDMS 文件的讀寫程序 圖 4 17 數(shù)據(jù)存入 TDMS 文件 將采集時(shí)間 電壓數(shù)據(jù) 溫度數(shù)據(jù) 溫度設(shè)定值存入 TDMS 文件的程序框 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 27 圖如圖 4 17 所示 如上程序框圖所示 本程序設(shè)計(jì)了三個(gè)組 每個(gè)組有一個(gè)通道 第一個(gè)組 為 采集時(shí)間 其通道有 時(shí)間 第二個(gè)組為 采集數(shù)據(jù) 它有兩個(gè)通道 即 電壓信號(hào) 和 溫度信號(hào) 通道 第三個(gè)組為 溫度設(shè)定值 它有通道 溫度設(shè)定 值 其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖 4 18 所示 4 4 歷史數(shù)據(jù)查看模塊 對(duì)應(yīng)于 4 3 節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件 歷史數(shù)據(jù)查看有兩種方式 即查看文本文 件和查看 TDMS 文件 本節(jié)將介紹這兩種查看方式 圖 4 18 停止存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)彈出的 TDMS 文件查看器 4 4 1 文本文件查看方式 查看文本文件 是將已經(jīng)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)再次顯示出來(lái) 顯示 出來(lái)的數(shù)據(jù)既可以以原數(shù)據(jù)的形式顯示出來(lái) 又可以經(jīng)過簡(jiǎn)單處理以波形的形 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 式顯示出來(lái) 前一種方式叫讀盤 后一種方式叫波形回放 它們的前面板及程 序框圖如圖 4 19 4 20 所示 圖 4 19 查看歷史數(shù)據(jù)前面板 圖 4 20 查看歷史數(shù)據(jù)程序框圖 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 29 為了對(duì)上述兩種查看文本文件方式進(jìn)行選擇 本程序設(shè)計(jì)利用三按鈕對(duì)話 框節(jié)點(diǎn) 設(shè)計(jì)出三種可供選擇的查看方式 即 讀盤 回放 讀盤且回放 如圖 4 21 所示 我們根據(jù)實(shí)際需要 選擇相應(yīng)的查看方式 圖 4 21 文本文件查看方式選擇 4 4 2 TDMS 文件查看方式 圖 4 22 查看 TDMS 文件前面板 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 30 與數(shù)據(jù)存入 TDMS 文件相對(duì)應(yīng) 當(dāng)需要查看已經(jīng)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中的 TDMS 文件時(shí) 就需要編寫查看 TDMS 文件的程序 本設(shè)計(jì)編寫的相應(yīng)程序的前面板 及程序框圖如圖 4 22 4 23 所示 如程序框圖所示 本程序先將 采集時(shí)間 組中的 時(shí)間 通道數(shù)據(jù)讀取出來(lái) 再將 采樣數(shù)據(jù) 組中的 電壓信號(hào) 通道和 溫度信號(hào) 通道中的數(shù)據(jù)讀取出來(lái) 然后一起送入多列列表框中進(jìn)