題目：基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)調(diào)壓方案

1、基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)調(diào)壓方案摘要電熱水器是指用電加熱的熱水器。隨著人民生活水平和環(huán)保安全意識的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展,電熱水器越來越受到消費者的青睞,電熱水器的使用得到不斷普及。目前,安全、節(jié)能、多功能、智能化是其主要發(fā)展方向。本文采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW8.2設計了一個基于增量PID算式的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。由熱電阻Pt100采集到的熱水溫度信號通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為能被PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡接受的0-10V的電壓信號,然后通過板卡PCI-6221的模擬輸入端AI0輸入到計算機,在計算機上運行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行分析處理后產(chǎn)生脈

2、沖信號輸出到PCI-6221的數(shù)字輸出口P0.0上,去控制可控硅的通斷,繼而控制電熱水器的加熱過程。關(guān)鍵詞:電熱水器;溫度控制;LabVIEW;數(shù)據(jù)采集卡Virtual Device-Based Electric Water Heater T emperature ControlSystem-Pressure Adjustment PlanAbstractElectric water heater is a water heater using electricity to heat water. Currently, with improving life of people, people

3、s environmental protection and safety consciousness increasing and developing of the electric power industry of China, electric water heater is becoming more and more popular among consumers and its use is popularizing increasingly. Currently, its main development direction is safety, energy efficie

4、ncy, multi-purpose and intelligence.The thesis designs a PID algorithmic-based temperature control system for electric water heater by using LabVIEW8.2. the temperature signal that is collected by a thermal resistance Pt100 is converted into the 0-10V voltage signal which is acceptable for a board t

5、hrough conditioning circuit, which is inputted into a computer by using simulative input port AI0 of the board PCI-6221. The LabVIEW program operating on the computer generates one pulse to be outputted to the digital output port P0.0 of PCI-6221 by analyzing and processing the inputted data to cont

6、rol the connection with controllable silicon chip and to further control the heating process of electric water heater.Key words: Electric Water Heater;Temperature Control ;LabVIEW;Data Acquisition目錄摘要. I Abstract .II 第一章引言 (11.1 電熱水器簡介 (11.2 電熱水器的分類 (1第二章電熱水器溫度控制方案選擇與設計 (32.1 基于單片機的電熱水器溫度控制系統(tǒng) (32.2

7、基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng) (4第三章虛擬儀器介紹 (63.1虛擬儀器的概念 (63.2虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及組成 (73.2.1 虛擬儀器的硬件組成 (83.2.2 虛擬儀器的軟件組成 (113.3虛擬儀器總線技術(shù) (133.3.1 DAQ總線方式的虛擬儀器 (133.3.2 GPIB總線方式的虛擬儀器 (153.3.3 VXI總線方式的虛擬儀器 (163.3.4 PXI總線方式的虛擬儀器 (163.3.5 LXI總線方式的虛擬儀器 (163.4虛擬儀器的優(yōu)點 (173.5虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 (183.6虛擬儀器的發(fā)展趨勢 (203.6.1 網(wǎng)絡化 (203.6.2 向幾何參量和機械

8、參量等難點領域拓展 (203.6.3 基于Linux操作系統(tǒng)的虛擬儀器 (21第四章基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的設計 (224.1系統(tǒng)硬件設計 (224.1.1溫度測量及調(diào)理電路 (224.1.2 溫度控制電路 (244.1.3過零檢測電路 (274.1.4 數(shù)據(jù)采集卡 (284.2系統(tǒng)軟件設計 (294.2.1 PID算法及實現(xiàn) (304.2.2 軟件設計 (334.2.3 軟件調(diào)試 (36第五章實驗與調(diào)試 (38第六章設計總結(jié) (42參考文獻 (43附錄A系統(tǒng)硬件電路圖 (44附錄B 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)程序框圖 (45附錄C 電熱水器溫度雙位控制系統(tǒng)程序框圖 (46

9、致謝 (47第一章引言1.1 電熱水器簡介熱水器是一種可供洗手間、廚房、浴室使用的家用電器。目前市場上熱水器主要品種有電熱水器、太陽能熱水器、燃氣熱水器。就中國的具體情況而言,由于太陽能熱水器的使用受天氣原因的限制,使用范圍狹窄;燃氣熱水器由于以石油、天然氣為燃料,而燃料供應量又難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求,且不利于環(huán)境;而電熱水器卻具有無污染、安全、保溫時間長、使用方便等優(yōu)點,所以,隨著人民生活水平的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展,電熱水器越來越受到消費者的青睞,它的使用得到不斷普及。根據(jù)中國商業(yè)聯(lián)合會前不久的統(tǒng)計,電熱水器的市場份額在銷售數(shù)量和銷售收入兩個方面都已經(jīng)超過了長期以來占有優(yōu)勢的

10、燃氣熱水器。該中心預計,在城市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場大規(guī)模啟動的帶動下,今后幾年我國電熱水器市場將呈現(xiàn)強勁增長的勢頭。1.2 電熱水器的分類根據(jù)水流方式的不同,電熱水器可分為儲水式和即熱式(快速式兩種類型。儲水式電熱水器的優(yōu)點是不必分室安裝、不會產(chǎn)生有害氣體、調(diào)溫方便。但是儲水式熱水器在使用前需要預熱,一次使用的量有限。同時,儲水式熱水器的體積較大、占用空間較多,不太適合面積小的家庭使用。顧名思義,即熱式電熱水器就是利用電熱管、電熱棒、玻璃管或塑料管加熱,即開即熱,無需預熱和保溫。從安全性方面看,即熱式電熱水器采用非金屬加熱體、水電隔離技術(shù)、漏電保護裝置、接地保護等基本措施,使用安全系

11、數(shù)比較高。而在體積上由于沒了水箱部分,外形可以設計得小巧精致,比較適合在小空間使用。但是即熱式電熱水器的額定功率較高,一般需要5000瓦以上才能保證使用。而按照水路控制方式的不同,電熱水器還可以分為前制式和后制式。前制式電熱水器水溫和水量的控制方式是靠裝在冷水進口端(即前端的冷水閥門進行控制的,在熱水出口端不設置閥門。而后制式電熱水器則是靠裝在熱水出口的熱水閥門來進行控制的,后制式電熱水器具有安裝和使用方便等優(yōu)點,是電熱水器的發(fā)展方向。第二章電熱水器溫度控制方案選擇與設計隨著人們生活質(zhì)量的提高,人們對電熱水器的要求逐漸趨于智能化和數(shù)字化。安全、節(jié)能、多功能、智能化、數(shù)字化是其主要發(fā)展方向。目前

12、市面上的電熱水器的智能溫度控制系統(tǒng)主要有兩種:一種是基于單片機,還有一種是基于虛擬儀器。2.1 基于單片機的電熱水器溫度控制系統(tǒng)目前最常用的基于單片機的電熱水器溫度自動調(diào)節(jié)電路是以A T89C2051單片機為核心的,由多諧振蕩器、溫度設定電路、單片機、設定溫度顯示電路、執(zhí)行機構(gòu)等幾部分組成。本系統(tǒng)的工作原理是:如圖2.1所示,接通電源后,多諧振蕩器產(chǎn)生電脈沖由INTO輸入單片機,先使TR0=1,INTO變?yōu)楦唠娖胶骉0開始計數(shù),INTO變?yōu)榈碗娖胶笸Ｖ褂嫈?shù),把計數(shù)值(TH0、TL0與預先放置在“溫度表”中的與一定的脈沖寬度對應的計數(shù)值(TH0、TL0的值相比較就可轉(zhuǎn)化為溫度。單片機的計數(shù)器Tl

13、設定為8位常數(shù)自動裝入工作方式,其初值TL1=255,每按一下按鈕S,T1中斷一次,計數(shù)值加1(計數(shù)初值為32H=20,超過99后自動恢復為20。比較測得的水溫與設定的溫度,如果前者小于后者,則令P3.7輸出低電平,三極管T3導通,通過光耦使T4也導通,繼電器J得電,觸點J閉合,電熱絲接通對水加熱,紅色提示燈Dl亮;如果前者大于后者則令P3.7輸出高電平,T3、T4截止,繼電器失電,觸點J斷開,停止加熱,加熱指示燈Dl不亮。單片機通過從P1.0一P1.6輸出段碼,從P3.0、P3.1輸出位碼對設定的兩位溫度值進行循環(huán)掃描顯示。如果把從Tl輸入的設定溫度用的脈沖接入外部中斷1INT (P3.3將

14、引起中斷,中斷服務程序可對與水溫對應的電脈沖寬度的計數(shù)值(TH0、TL0進行測量并顯示,記下其數(shù)值后便可制定“溫度表”(與一定溫度對應的TH0、TL0值并存放于程序存儲器中的表,將“溫度表”固化于程序存儲器中,這樣實現(xiàn)溫度的自動測量與顯示。 圖2.1基于單片機的電熱水器溫度控制系統(tǒng)由單片機構(gòu)成的電熱水器溫度控制器具有多功能、安全、適用性強等特點,與同類的電熱水器相比還具有節(jié)能的優(yōu)點,因此將具有較強的競爭力。2.2 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)另外一種電熱水器溫度智能控制系統(tǒng)是基于虛擬儀器的溫度控制系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的不斷完善,虛擬儀器因其強大的性價比優(yōu)勢得到了廣

15、泛的應用。隨著一些新的PC技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐漸應用到虛擬儀器中,虛擬儀器技術(shù)也有了一些新的進展?！败浖褪莾x器”是虛擬儀器帶給儀器工業(yè)的一次革命,作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性等優(yōu)點,能為用戶帶來極大的利益?；谔摂M儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)必然會給現(xiàn)代電熱水器智能溫度控制領域帶來一片新天地。本文研究的就是基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。第三章虛擬儀器介紹3.1虛擬儀器的概念虛擬儀器(Virtual Instrument ,VI的研究始于美國的斯坦福大學和馬里蘭大學,由1986年美國國家儀器公司(National Instrument ,NI開發(fā)的

16、LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench首先實現(xiàn)。虛擬儀器的出現(xiàn),克服了以硬件為主的傳統(tǒng)儀器的功能只能由廠家定義而用戶難以改變的缺陷。迄今,虛擬儀器尚無公認的定義,所謂虛擬儀器(Virtual Instrument,實際上就是一種基于計算機的融功能強大的應用軟件、高性能的模塊化硬件及驅(qū)動軟件于一體的自動化測試儀器系統(tǒng)。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面,模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成,標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。就功能而言,虛擬儀器是基于計算機的儀器,儀器工作時通過操縱位于計算機屏

17、幕虛擬面板上的“按鈕”來完成檢測或者控制任務。與以硬件為主的傳統(tǒng)儀器不同,在虛擬儀器中數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理控制、信號處理以及結(jié)果顯示等主要通過軟件實現(xiàn)。虛擬儀器中的“虛”即軟件化,“虛擬”主要表現(xiàn)在兩個方面:其一是虛擬的儀器面板。操縱該儀器的開關(guān)、按鈕等并不是實際的物理器件,而是位于計算機屏幕上控制面板上的“控件”;其二是由軟件實現(xiàn)儀器的測量功能(軟件就是儀器。虛擬儀器中的信號分析和處理等功能不是由傳統(tǒng)儀器中的硬件電路來實現(xiàn),而是通過軟件來實現(xiàn)。以上兩點是虛擬儀器的必備要素。虛擬儀器并不“虛”,它是“真實”的儀器,和傳統(tǒng)儀器一樣,可用來完成檢測和控制任務。在測量環(huán)節(jié)中,并不是所有的部分都能“虛擬

18、”,即軟件化,例如傳感器、A/D轉(zhuǎn)換裝置就不能軟件化。虛擬儀器的本質(zhì)是利用現(xiàn)有的計算機加上特殊設計的儀器硬件和專用軟件形成既有普通儀器的基本功能又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價的新型儀器。它是利用計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能,建立虛擬儀器面板,以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。虛擬儀器的基本思想是利用計算機來管理儀器,組織儀器系統(tǒng),進而逐步代替儀器完成某些功能,最終達到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器以透明的方式把計算機資源(如微處理器、內(nèi)存、顯示器等和儀器硬件(如A/D、D/A、數(shù)字I/O、定時器、信號處理等的測量控制能力結(jié)合在一起,通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理

19、、表達以及圖形化用戶接口。虛擬儀器實質(zhì)上是軟硬結(jié)合、虛實結(jié)合的產(chǎn)物,它充分利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。3.2虛擬儀器的結(jié)構(gòu)及組成一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般來說分為四層:(1測試管理層用戶使用虛擬儀器生產(chǎn)廠商開發(fā)的應用程序,組成自己的一套測試儀器。這是虛擬儀器的優(yōu)點之一,它可以方便地使用戶根據(jù)自己的需要,自己的風格建立自己的測試儀器。(2應用(程序開發(fā)層由生產(chǎn)商提供的軟件開發(fā)工具,如NI(NA TIONAL INSTRUMENTS公司的LabVIEW 軟件,LabWindows/CVI軟件。用戶可以用這類軟件進行深層開發(fā),以擴展儀器原有的功能。(3儀器驅(qū)動層由生產(chǎn)商開發(fā)

20、,針對不同類型的儀器有不同的驅(qū)動程序接口。為給用戶提供方便、易用的儀器驅(qū)動程序,泰克公司、惠普公司和美國國家儀器公司等35家國際上最大的儀器公司成立了VXI plug&play系統(tǒng)聯(lián)盟,并推出VISA(Virtu-al Instrument Software Architecture標準。(4I/O總線驅(qū)動層由生產(chǎn)商開發(fā),用于將不同類型的實際儀器通過相同標準的總線連接起來形成一套完整的測試系統(tǒng),如得到廣泛應用的VXI(開放式測量系統(tǒng)總線系統(tǒng)。一個完整的虛擬儀器主要由高效的軟件、模塊化的I/O硬件以及用于集成的軟硬件平臺組成。3.2.1 虛擬儀器的硬件組成任何一臺儀器無非由三大部分組成,信號的采

21、集、數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果的輸出。虛擬儀器也不例外,它也是按照“信號的調(diào)理與采集-數(shù)據(jù)的分析與處理-結(jié)果的輸出與顯示”的結(jié)構(gòu)模式來建立通用儀器硬件平臺的。虛擬儀器硬件系統(tǒng)包括計算機硬件平臺和測試功能硬件。硬件技術(shù)的核心是接口總線技術(shù),其關(guān)鍵就是在掌握構(gòu)成虛擬測控系統(tǒng)各種內(nèi)外總線的構(gòu)成標準、通信方式的基礎上,設計與測控對象相連的各種接口板卡,完成數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理與傳輸、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理等功能。硬件接口電路與計算機一起構(gòu)成了虛擬儀器的硬件。計算機是虛擬儀器的核心,主要完成數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的顯示。硬件接口電路主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。根據(jù)構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同,主要可分為如下幾種

22、構(gòu)成方案,按照構(gòu)成虛擬儀器的接口總線不同,可分為PC-DAQ、GPIB、RS232/RS422、VXI、PXI等。虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖如圖3.1所示。 圖3.1 虛擬儀器的硬件構(gòu)成框圖(1基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器,它是以信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡(data acquisition,DAQ及PC機為儀器硬件平臺,采用PCI(peripheral component interconnect或ISA( in-dustrial standard architecture計算機本身的總線,將DAQ直接插入PC機的相應標準的總線擴展插槽即可,因此,這種虛擬儀器又叫PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器。PC

23、-DAQ為采集卡,由過去的16位標準ISA總線發(fā)展到32位的PCI總線插卡,易于構(gòu)成個人儀器系統(tǒng),但需打開主機箱直接與ISA、PCI總線連接,沒有定義儀器系統(tǒng)所需的總線。(2基于通用接口總線GPIB(general purpose interfacebus接口的虛擬儀器,它是以GPIB接口儀器、GPIB接口卡及PC機為儀器硬件平臺,GPIB為通用接口總線的簡稱,是一種并行方式的外總線,它實質(zhì)上是通過計算機對傳統(tǒng)儀器的功能擴展和延伸,目前,許多市售的臺式儀器大多裝有GPIB接口。GPIB儀器具有獨立的儀器操作界面,可以脫離計算機使用,也可以通過標準GPIB電纜連接計算機實施程序控制。(3基于串行

24、口儀器的虛擬儀器,它是由Serial標準總線儀器及PC機為儀器硬件平臺的,它包括符合RS-232/ RS422標準的PLC(program logic controller和單片機系統(tǒng)。(4基于VXI儀器的虛擬儀器,它是以VXI(VMEbusextension for instrumentation標準總線儀器模塊及PC機為儀器硬件平臺的,由主機箱、控制器和儀器模塊構(gòu)成。其中,控制器安裝在零號槽中,稱為零槽控制器。VXI控制器包括嵌入式PC控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器,可根據(jù)測試功能的不同要求來選用。VXI是工業(yè)標準總線VME的擴展,是一種完全開放的、模塊化儀器總線標準的虛擬儀器

25、開發(fā)平臺,其可靠性、人機交互性能、測試速度優(yōu)越,但價格較為昂貴。(5基于PXI儀器的虛擬儀器,它是以PXI(PCI exten-sion for instrumentation標準總線儀器模塊及PC機為儀器硬件平臺,PXI總線方式是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了參考時鐘技術(shù)規(guī)范和要求形成的。標準的PXI模塊化儀器系統(tǒng)有8個插槽,還可與CompactPCI交互操作,可與GPIB 或VXI集成,組成大規(guī)模、多用途系統(tǒng)。PXI是PCI總線在儀器領域的擴展,以PCI總線為基礎,利用了豐富的PCI模板資源和PC軟件工具及開發(fā)環(huán)境,數(shù)據(jù)傳輸率可達132MB/s,應用軟件開發(fā)與VXI一樣。PXI實現(xiàn)了VISA

26、虛擬儀器軟件體系,不僅能夠控制PXI模塊,也能控制VXI、GPIB及串行接口器件,還可以通過采用標準的PCI-PCI橋接器提高擴展槽數(shù)量,有利于系統(tǒng)集成。它的最大優(yōu)勢在于價格低廉,并且PXI與主流PC技術(shù)完全兼容,在許多測試領域,由PC組建的系統(tǒng)與PXI系統(tǒng)可以相互替代。(6基于現(xiàn)場總線設備的虛擬儀器,它是以Fieldbus標準總線儀器及PC機為儀器硬件平臺的。上述的幾種方案中,GPIB,VXI,PXI方案主要適合構(gòu)成大型高精度集成測試系統(tǒng); PCIDAQ/PCI、串行口方案主要適合構(gòu)成普及型的廉價測試系統(tǒng);現(xiàn)場總線方案主要適合構(gòu)成大規(guī)模的網(wǎng)絡測試系統(tǒng),如測試任務需要,也可將上述幾種方案結(jié)合構(gòu)

27、成混合測試系統(tǒng)。3.2.2 虛擬儀器的軟件組成虛擬儀器系統(tǒng)的核心是軟件技術(shù),軟件開發(fā)環(huán)境是其重要的組成部分。虛擬儀器的軟件從底層到頂層包括三部分:VISA庫、儀器驅(qū)動程序、應用軟件。(1VISA(Virtual Instrumentation Software Architec-ture庫。VISA庫實質(zhì)就是標準的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱,它駐留在計算機系統(tǒng)中,執(zhí)行儀器總線的特殊功能,是計算機與儀器之間的軟件層連接,用來實現(xiàn)對儀器的控制。(2儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動程序是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合,是應用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。每個儀器都有自己的儀器驅(qū)動程序,由儀器廠商提

28、供。(3應用軟件。應用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上,直接面對操作用戶,通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析和處理功能,來完成自動測試任務。虛擬儀器必須具有強大的人機交互界面設計能力,易于實現(xiàn)各種復雜的儀器面板,還必須具有數(shù)據(jù)可視化分析能力,能提供豐富的儀器和總線接口的硬件驅(qū)動程序使用正確的軟件工具并通過設計或調(diào)用特定的程序模塊,工程師們可以高效地創(chuàng)建自己的應用以及友好的人機交互界面。目前,虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺主要有Visual C+,Visual Basic,以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、Lab Windows/CVI等。美國NI公司是虛擬儀器技術(shù)的領導者,LabVI

29、EW就是其推出的一種基于圖形的開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境,是目前國際上唯一的基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形化編程語言,是一種優(yōu)秀的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。它不僅能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接,更能提供強大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力,設置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式,并將結(jié)果顯示給用戶。LabVIEW中編寫的源程序,很接近程序流程圖。所以,只要把程序流程框圖畫好了,程序也就差不多編好了。LabVIEW圖形編程語言中的基本編程單元是VI(VinualInstrument,虛擬儀器,VI 包括三個部分:前面板(Frontpanel、框圖程序(BlockDiagram和圖標(Icon連接器(Connector。

30、前面板既接受來自框圖程序的指令,又是用戶與程序代碼發(fā)生聯(lián)系的窗口。這個窗口模擬真實儀表的前面板,用于設置輸入和觀察輸出,輸入量稱為控件(Controls,輸出量稱為指示器(Indicators。當把一個控件或指示器放到前面板上時,框圖中相應地放置一個端子(Terminals,這個端子不能隨意被刪除,只有刪除它對應的控件或指示器時它才隨之一起被刪除。用戶可以使用多種圖標,如旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖表、文本框、圖形等,使前面板易看易懂。我們可以把它想象為傳統(tǒng)儀器的面板,面板上自然會有表頭,按紐,撥盤等各種元件。前面板的設計準則是:(1按照VPP規(guī)范設計前面板,使前面板具有標準化、開放性、可移植性。(2

31、根據(jù)測試要求確定儀器功能。根據(jù)測試任務確定儀器前面板具體測試、測量功能,開關(guān)、控制等設置要求。(3用面向?qū)ο蟮脑O計方法設計前面板。按照面向?qū)ο蟮脑O計思想,一個虛擬儀器集成系統(tǒng)由多個虛擬儀器組成,每個虛擬儀器均由前面板控制。前面板由大量的虛擬控件組成。用戶可以根據(jù)測試需要,通過界面方便的設置信號源的各項參數(shù),選擇不同的測試頻段及頻率步進,并將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示。每一個VI程序的前面板都對應著一段框圖程序?？驁D程序用LabVIEW圖形編程語言編寫,可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼。也可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機箱里用來實現(xiàn)儀器功能的零部件。所有VI源程序的框圖都是由節(jié)點(Nodes、端子、圖框和連

32、線(Wires四種元素構(gòu)成。其中,端子被用來同程序前面板的控件和指示器傳遞數(shù)據(jù),節(jié)點被用來實現(xiàn)函數(shù)和功能調(diào)用,圖框被用來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化程序控制命令,而連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流,定義了框圖內(nèi)的數(shù)據(jù)流動方向。編制框圖程序時,從功能模板中選擇需要的節(jié)點圖標或圖框,將之置于窗口面板上適當?shù)奈恢?然后用連線連接它們及框圖中的端子即可。在彩色監(jiān)視器上,每種數(shù)據(jù)類型以不同的顏色和線形強調(diào)顯示。3.3虛擬儀器總線技術(shù)目前VI使用的總線技術(shù)主要有以下幾種。3.3.1 DAQ總線方式的虛擬儀器DAQ指的是基于計算機標準總線(如ISA、PCI等的內(nèi)置功能插卡,它更加充分地利用計算機的資源,大大增加了測試系統(tǒng)的靈活

33、性和擴展性。利用DAQ可以方便快捷地組建虛擬儀器,實現(xiàn)“一機多型”和“一機多用”。在性能上,隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、儀器放大技術(shù)、抗混疊濾波技術(shù)與信號調(diào)理技術(shù)的發(fā)展,DAQ的采樣速率已達1Gb/s,精度高達24位,通道數(shù)高達64個,并能任意結(jié)合數(shù)字I/O、模擬I/O、計數(shù)器/定時器等通道。DAQ虛擬儀器既具有高檔儀器的測量品質(zhì),又能滿足測量需求的多樣性。對大多數(shù)用戶來說,這種方案不但實用,而且具有很高的性能價格比,是一種特別適合于我國國情的虛擬儀器方案。下面以基于PCI總線和USB總線的多功能虛擬儀器的實現(xiàn)為例,介紹DAQ型虛擬儀器的結(jié)構(gòu)。(1基于PCI總線的多功能虛擬儀器PCI總線是一種獨立于C

34、PU的32位或64位局部總線,時鐘頻率為33MHz,數(shù)據(jù)傳輸率高達132 MB/s264MB/s,PCI總線技術(shù)用無限讀寫突發(fā)方式,可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。PCI總線上的外圍設備可以和CPU并行工作,因此PCI總線得到了廣泛的應用。這種方式借助于插入PC機和工控機內(nèi)的高速數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件相結(jié)合,將它們安裝在一臺運行的PC機上,可構(gòu)成一個功能強大的數(shù)字虛擬儀器,完成測試任務。另外,通過改變應用程序,即界面程序設計可實現(xiàn)不同功能的虛擬儀器,如虛擬數(shù)字示波器,虛擬頻譜分析儀等。其工作原理是:由主機啟動程序,發(fā)出按時間步進的頻率控制字送入信號源電路,產(chǎn)生頻率隨時間在1MHz70MHz范圍內(nèi)變化的

35、恒幅正弦波模擬信號。信號通過高速數(shù)據(jù)采集卡采樣的數(shù)字信號,經(jīng)PCI總線送入計算機內(nèi),通過LabVIEW軟件模塊對信號進行分析、處理,從而實現(xiàn)虛擬儀器的功能。這種儀器價格便宜,因個人計算機數(shù)量非常龐大,因此用途廣泛,特別適合于教學部門和各種實驗室,目前仍有強大的生命力。這種類型的虛擬儀器充分利用了計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利,但它也具有一定的缺點:由于基于PCI總線的虛擬儀器在插入時都需要打開機箱,操作不方便;并且測試信號直接進入計算機,各種現(xiàn)場的被測信號對計算機安全造成很大的威脅;同時,計算機內(nèi)部的強電磁干擾對被測信號也會造成很大的影響。(2基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設計嵌入式虛

36、擬儀器從功能模塊上分為:信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲系統(tǒng)、液晶顯示模塊、USB總線接口邏輯等部分。USB通用串行總線是被PC機廣泛采用的總線,它已被集成到計算機主板上。USB總線能連接127個裝置,需要一對信號線及電源線。USB 2.0標準的數(shù)據(jù)傳輸率能達到480Mbps。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的特點,現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字攝像機、掃描儀、打印機及存儲設備。基于USB總線的嵌入式虛擬儀器具有使用方便、數(shù)據(jù)傳輸速度快、連接靈活的特點?？梢圆捎眯切偷耐負浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建分布式測試系統(tǒng)。該類系統(tǒng)主要由PC機、USB集線器和嵌入式虛擬儀器組成。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設計按照智能模

37、塊的設計思路進行,智能模塊的作用是完成特定應用的測試功能。利用USB總線的優(yōu)勢可以實現(xiàn)測試方案的靈活配置和測試功能的自由擴展,即當需要添加新測試功能時,只需開發(fā)支持USB接口的相應測試功能的嵌入式虛擬儀器模塊即可。USB技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合在一起是計算機儀表領域研究的熱點,基于USB總線接口設計的嵌入式虛擬儀器具有良好的系統(tǒng)擴展性。嵌入式虛擬儀器可以獨立完成特定的信號處理和分析,又可以通過USB總線系統(tǒng)組合在一起,構(gòu)建大型的測試系統(tǒng),完成復雜的測試功能。USB總線具有“即插即用plug&play”的能力,與并行總線相比,更適合于連接多外設的需要?；赨SB總線,NI公司推出了USB-6008

38、和USB-6009等幾款數(shù)據(jù)采集卡。3.3.2 GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB總線(即IEEE488總線是一種并行外總線,是在HP公司1965年設計的HP-IB 儀器接口總線的基礎上發(fā)展而來的,經(jīng)歷了IEEE488.1-1975、IEEE488.1-1987、IEEE488.2-1987幾個不斷改進完善的階段,目前市面上使用的是IEEE488.2標準的GPIB。該標準的成功之處在于,它使測試系統(tǒng)的互連和通訊標準化。GPIB(General Purpose Interface Bus是計算機和儀器之間的標準通信協(xié)議,GPIB 的硬件規(guī)格和軟件協(xié)議已經(jīng)納入國際工業(yè)標準IEEE 488.1和IE

39、EE 488.2中。GPIB是最早的儀器總線。典型的GPIB測試系統(tǒng)包括一臺計算機、一塊GPIB接口控制器卡和若干臺GPIB儀器。每臺GPIB儀器有單獨的地址,由計算機控制操作。通過改動計算機的控制軟件可以增加、減少或更換系統(tǒng)中的儀器。在價格上,GPIB儀器覆蓋了從比較便宜的到異常昂貴的儀器,但由于GPIB的數(shù)據(jù)傳輸率一般低于500kB/s,不適合對于系統(tǒng)速度要求較高的應用,現(xiàn)在已經(jīng)逐步退出了市場。3.3.3 VXI總線方式的虛擬儀器1987年公布的VXI總線是一種高速計算機總線VME在VI領域的擴展,由HP、Tektronix等公司在1987共同制定,它以VME為基礎,不僅繼承了GPIB、V

40、ME總線的優(yōu)點,集測量、計算、通信于一體,還具有高速、模塊化的優(yōu)點。與GPIB儀器系統(tǒng)相比,VXI模塊沒有前操作面板,因此,應用VXI總線組建測試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板”以完成對儀器系統(tǒng)的操作控制當今流行的可視化編程語言如Visual Basic、Visual C、Delphi等均可以在VXI平臺上構(gòu)造一個完全圖形化的用戶操作面板,實現(xiàn)測試控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等功能,從而設計出各種操作方便的基于圖形用戶界面(GUI的集成測試系統(tǒng)。經(jīng)過十多年的發(fā)展,VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便,尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。然而,組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器

41、及嵌入式控制器,造價比較高。目前,這種類型的虛擬儀器也有逐漸退出市場的趨勢。3.3.4 PXI總線方式的虛擬儀器PXI總線是1997年由NI公司推出的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范,它是在PCI總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI具有高度可擴展性,可擴展到256個擴展槽。把臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來,將形成未來主流的虛擬儀器平臺之一。3.3.5 LXI總線方式的虛擬儀器2004年9月VXI科技公司和安捷倫聯(lián)合推出一種新的基于工業(yè)以太網(wǎng)的總線規(guī)范LXI(LAN eXtensions for Instrumentation?？梢赃@樣說,以

42、太網(wǎng)的發(fā)展為基于網(wǎng)絡的測試系統(tǒng)提供了平臺,也成就了LXI的誕生。LXI標準用以太網(wǎng)作系統(tǒng)的骨干,無需VXI或PXI方式的機箱。在眾計算機和通信網(wǎng)絡中選用以太網(wǎng)技術(shù),在于以太網(wǎng)的發(fā)展已相當成熟,被廣泛安裝在計算機作為標準通信接口。以太網(wǎng)的基礎設施非常普及,網(wǎng)卡、路由器和光纖等價格日益便宜。以太網(wǎng)采用的TCP/IP協(xié)議在Internet內(nèi)廣泛使用。另外,以太網(wǎng)的錯誤檢測、故障定位、長距離互聯(lián)以及樹狀拓撲結(jié)構(gòu)都比現(xiàn)有的總線優(yōu)越,網(wǎng)絡速度也由最初的10Mb/s達到現(xiàn)在的10Gb/s。LXI聯(lián)盟于2005年10月通過了IEEE1588協(xié)議,為LXI網(wǎng)絡化虛擬儀器的設計與實現(xiàn)提供了標準。我國的海泰公司率先

43、加入了LXI聯(lián)盟。未來的總線將會向?qū)I(yè)化和大眾化方向發(fā)展。因此,在LXI儀器還未完全占領市場之前,VXI、PXI和USB等都將成為市場的主流總線技術(shù)。3.4虛擬儀器的優(yōu)點虛擬儀器具有高效、開放、易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等明顯優(yōu)點,具體表現(xiàn)為:(1智能化程度高,功能強大。虛擬儀器的處理能力和智能化程度主要取決于儀器軟件水平。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求,將先進的信號處理算法、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成,從而將智能儀器水平提高到一個新的層次。此外,不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術(shù)的性能更加強大。(2擴展性強,費效比高。虛擬儀器軟件平臺為所有的I

44、/O設備提供了標準的接口,幫助用戶輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng),用相同的基本硬件可構(gòu)造多種不同功能的測試分析儀器,或只需更新計算機或測量硬件,就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進用戶的整個系統(tǒng)。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)費用更低。通過與計算機網(wǎng)絡連接,還可實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享,更好地發(fā)揮儀器的使用價值。(3操作簡便,直觀,界面友好。虛擬儀器面板可由用戶定義,針對不同應用可以設計不同的操作顯示界面。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解,測量結(jié)果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。測量完后還可打印、顯示所

45、需的報表或曲線。這些都使得儀器的可操作性大大提高而且易用、靈活。虛擬儀器徹底打破了傳統(tǒng)儀器只能由生產(chǎn)廠家定義,用戶無法改變、被動接收的局面,這種“可開發(fā)性”和“可擴展性”等優(yōu)越特點使虛擬儀器具有強大的生命力和競爭力。虛擬儀器除了具有上述主要優(yōu)點外還具有下述優(yōu)點:(1將所用的程控儀器的控制信息集成在虛擬儀器的軟件模塊中,對用戶來講是完全透明的。用戶在使用過程中無須專門查閱、學習儀器的程控方法、程控指令就可以對儀器進行操作;(2計算機強大的圖形用戶界面增強了儀器結(jié)果顯示功能;(3具有龐大的數(shù)據(jù)記錄容量和可擴展的函數(shù)庫;(4用戶可以自定義接口形式、分析方式;(5測試過程自動化,具有完整的時間記錄和測

46、試說明,測量結(jié)果關(guān)聯(lián)分析和趨勢標定;(6測量程序中內(nèi)置多媒體操作指令,并且可用網(wǎng)絡進行多用戶數(shù)據(jù)共享。3.5虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較傳統(tǒng)儀器由信號采集、信號處理和結(jié)果表達與儀器控制三部分組成。在傳統(tǒng)儀器里,這三部分都是用電子線路來實現(xiàn)的,即:都是采用硬件來實現(xiàn)的。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,尤其是數(shù)字信號處理技術(shù)的進步,在儀器的信號處理部分,用軟件代替硬件成為可能,即:用算法代替電子線路,能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號處理功能,即把傳統(tǒng)儀器的后兩部分(信號處理、結(jié)果表達與儀器控制用計算機軟件來實現(xiàn),而不再采用硬件(電子線路來實現(xiàn)。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器最大的不同之處就在于其具有開放性的構(gòu)成方式,即具有靈活性和功

47、能的可重構(gòu)性。而傳統(tǒng)儀器的結(jié)構(gòu)和功能卻相對固定。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng),通過不同的軟件就可以構(gòu)建功能完全不同的各種測量測試儀器,即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心,軟件可以定義為各種儀器。虛擬儀器技術(shù)先進,十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢,因而常被稱作“軟件儀器”。在同等的性能條件下,相應的虛擬儀器價格要比傳統(tǒng)儀器低。虛擬儀器強大的功能和價格優(yōu)勢,使得它在儀器計量領域具有很強的生命力和十分廣闊的前景。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表3.1所示:表3.1虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 3.6虛擬儀器的發(fā)展趨勢3.6.1 網(wǎng)絡化網(wǎng)絡化虛擬儀器是虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；谔摂M儀器的網(wǎng)絡

48、化測控系統(tǒng)是分布式測控系統(tǒng),它利用網(wǎng)絡將分散的各種測控設備相連接,利用網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸,以實現(xiàn)信息、資源共享,協(xié)同工作,從而完成復雜的測控任務,因而具備以下功能:(1支持遠程測控;(2支持分布式應用;(3支持異地域數(shù)據(jù)存取;(4支持異地服務請求與訪問。典型的網(wǎng)絡化虛擬儀器系統(tǒng)主要由基本功能單元和通訊網(wǎng)絡組成。(1基本功能單元:主要包括PC儀器、單個網(wǎng)絡化測試儀器、網(wǎng)絡化傳感器、網(wǎng)絡化控制模塊、工作站、信息處理中心等,其中的網(wǎng)絡化儀器和網(wǎng)絡化傳感器是整個測控系統(tǒng)的最基本成分。它們在傳統(tǒng)的測量儀器、測控模塊、傳感器上加裝了本地處理器和通訊接口,其主要任務是:數(shù)據(jù)采集和處理;測試數(shù)據(jù)交換

49、;測控過程監(jiān)控、故障診斷;測試信息存儲。(2通信網(wǎng)絡包括測試服務器、瀏覽服務器、中央管理計算機和網(wǎng)關(guān)等,負責對各測控基本功能單元進行任務分配、對采集的數(shù)據(jù)進行計算、處理和分析、存儲、系統(tǒng)故障診斷報警和提供瀏覽服務等。3.6.2 向幾何參量和機械參量等難點領域拓展應用虛擬儀器進行幾何量和機械參量測量的難度要高于電參量的測量,這是因為傳感器和被測工件需要按照測量基準保持嚴格的相對位置關(guān)系,這種虛擬儀器不同其它參量的測量,它一般需要專用的定位機構(gòu)和傳動機構(gòu)。例如,在開發(fā)類似三坐標測量機的虛擬儀器進行幾何輪廓參數(shù)的高精度測量時,專用的高精度傳感器、高精度的定位機構(gòu)和傳動機構(gòu)不可缺少。3.6.3 基于L

50、inux操作系統(tǒng)的虛擬儀器目前主流的虛擬儀器主要是基于Windows操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要面向大眾用戶,盡管普及面較廣,但基于Windows操作系統(tǒng)的應用程序占用內(nèi)存大,系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想,常出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。在工業(yè)現(xiàn)場應用場合,多任務并行是經(jīng)常要解決的問題,然而基于Windows操作系統(tǒng)的應用程序并不能真正實現(xiàn)實時多任務并行處理,但是基于Linux 操作系統(tǒng)的應用程序卻更容易滿足上述要求,這是因為:(1Linux是真正的多任務的操作系統(tǒng),可以同時執(zhí)行幾個程序。多任務操作系統(tǒng)就是可以運行多個應用程序(或進程的系統(tǒng)。(2Linux操作系統(tǒng)是一個多用戶操作系統(tǒng)。與通常的windows系統(tǒng)相比,linu

51、x 允許多個用戶同時登陸,充分利用操作系統(tǒng)的資源。(3在Linux平臺上幾乎能使用所有流行的開發(fā)軟件,如C+、FORTRAN、JA V A等。(4可以合理分配內(nèi)存。Linux會盡量把不同的內(nèi)存作buffer(緩沖區(qū)來使用,因此RAM的大小決定運行速度。每個程序都有自己的主內(nèi)存區(qū),系統(tǒng)處理主內(nèi)存區(qū)是采取保護的方式,可以避免因為一個程序的執(zhí)行失敗而引起整個系統(tǒng)癱瘓。因此基于Linux操作系統(tǒng)的虛擬儀器更容易滿足多任務并行處理及現(xiàn)場檢測和控制要求。第四章基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的設計本文研究的基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對電熱水器溫度的數(shù)據(jù)采集與自動控制,其系統(tǒng)整體方框圖如

52、圖4.1所示。它主要由溫度測量及調(diào)理電路、溫度控制電路、一塊基于PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221及相應的軟件組成。其工作過程如下:溫度信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號,經(jīng)信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡進入計算機,在計算機上運行的LabVIEW程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行分析處理,結(jié)果由計算機顯示。計算機采集卡通過其A/D轉(zhuǎn)換通道采樣輸入信號,通過PID算法,求出系統(tǒng)輸出信號的大小,其輸出信號通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字口P0.0輸出給外部溫度控制電路,以達到控制溫度的作用。 圖4.1 電熱水器溫度控制系統(tǒng)整體方框圖4.1系統(tǒng)硬件設計基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的硬件電路圖如附錄A所示,本圖主要包括溫度測量及

53、調(diào)理電路,溫度控制電路,一個過零檢測電路?，F(xiàn)分別介紹如下。4.1.1溫度測量及調(diào)理電路溫度測量及調(diào)理電路主要由溫度傳感器和信號調(diào)理兩部分組成,用于對電熱水器溫度的檢測及信號調(diào)理。本系統(tǒng)采用鉑熱電阻Pt100做為溫度傳感器,它的測溫范圍為-200+850。鉑熱電阻Pt100的輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后,通過數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221的模擬通道AI0輸入計算機,并由LabVIEW程序計算得到溫度測量值。鉑熱電阻Pt100在溫度為0時輸出的電阻值為100歐,溫度為100是輸出的阻值為138.50歐。在0-100之間線形變化時輸出的阻值也在100138.50歐之間幾乎線形變化,能夠很好的滿足系統(tǒng)的要

54、求。故系統(tǒng)不需要進行線性化。信號調(diào)理的作用是對溫度傳感器的輸出信號進行濾波和放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡A/D 輸入端電氣參數(shù)要求。熱水的溫度變化范圍是0100,調(diào)理電路電壓輸出為0V 10V,輸出靈敏度為50mV/,并可直接與A/D接口兼容。溫度的測量和控制主要取決于溫度測量精度,因此,為了保證精度,從硬件采用了三個方面的措施:(1測量中傳感器的連接采用三線制方法。采用三線制是為了消除連接導線電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻,其連接導線(從熱電阻到中控室也成為橋臂電阻的一部分,這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,造成測量誤差。采用三線制,將

55、導線一根接到電橋的電源端,其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上,這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。工業(yè)上一般都采用三線制接法。(2選用高精度低漂移運算放大器OP07構(gòu)成運算放大電路。(3測量電路采用恒流源供電。圖4.2即為溫度信號調(diào)理電路的電路圖。如圖4.2中Rt即為鉑熱電阻Pt100。r1,r 2,r 3即為引線電阻,一般情況下,三根線的規(guī)格都是一樣的,故r1= r 2= r 3,Pt100檢測到的溫度信號經(jīng)過如圖4.2所示的三線制調(diào)理電路的調(diào)理變換成能被PCI-6221板卡接收的010V的電壓信號Uo(t。 閘管開通相位的控制,可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值,這種電路稱為

56、交流調(diào)壓電路。圖4.3中的晶閘管VT1和VT2也可以用一個雙向晶閘管代替。雙向晶閘管是在普通晶閘管的基礎上發(fā)展起來的,它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的晶閘管,而且僅用一個觸發(fā)電路,是目前比較理想的交流開關(guān)器件。加在控制極G上的觸發(fā)脈沖的大小或時間改變時,就能改變其導通電流的大小,雙向可控硅G極上觸發(fā)脈沖的極性改變時,其導通方向就隨著極性的變化而改變,從而能夠控制交流電負載。如圖4.3,在交流電源U1的的正半周和負半周,分別對VT1和VT2的開通角進行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。正負半周起始時刻(=0均為電壓過零時刻。在穩(wěn)態(tài)情況下,應使正負半周相等。從圖4.3中可以看出,負載電壓波形是電源電壓波形的一部

57、分,負載電流(也即電源電流和負載電壓的波形相同。的移相范圍是0。=0時,相當于晶閘管一直接通,輸出電壓為最大值U 0=U 1。隨著的增大,U 0逐漸降低。直到=時,U 0=0。此外,=0時,功率因數(shù)=1,隨著的增大,輸入電流滯后于電壓且發(fā)生畸變,也逐漸降低。在本設計中,數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221輸出的脈沖信號就是根據(jù)上述原理來改變加熱棒兩端的有效電壓,以此改變電熱水器溫度,以滿足實際的需要。溫度控制信號的產(chǎn)生與輸出由程序控制數(shù)據(jù)采集卡和計算機實現(xiàn),通過PID 算法得到控制量由數(shù)據(jù)采集卡輸出以控制電熱水器的溫度值。調(diào)壓方案波形圖如圖4.4所示。在本設計中可以通過式(4.1把導通角轉(zhuǎn)換成控制時間T1,式(4.1中,U 0 為PID 運算輸出的電壓值,U m 為PID 輸出的最大值。2.210T U U TT m -= (4.1 U RG1圖4.3 調(diào)壓方案電路圖 UI0G圖4.4 調(diào)壓方案波形圖為了讓用戶在