基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設(shè)計

1、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，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)計方案如下：由傳感器測得的爐溫信號經(jīng)過變送環(huán)節(jié)送給數(shù)據(jù)采集卡，采集卡對信號進行A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID 算法對信號處理后產(chǎn)生控制信號，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，達到溫控目的。本論文首先按照上述設(shè)計方案設(shè)計了硬件

2、電路，接著進行系統(tǒng)軟件的設(shè)計。經(jīng)過簡單的實驗，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，PWMAbstractIIAbstractThe 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 adop

3、ted 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 tr

4、ansmitter, 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 acquis

5、ition 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 ci

6、rcuit 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,PWMIII 目 錄摘 要 . . I ABST

7、RACT (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 國內(nèi)外發(fā)展狀況 . .1 1.3 本設(shè)計要做的工作 . .3 第二章 虛擬儀器及LabVIEW 簡介 .4 2.1 虛擬儀器的基本概念 . .4 2.2 虛擬儀器的特點及應(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 .6 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計 . .7 3.1 系統(tǒng)總體方案 . .7 3.2 硬件電路設(shè)計 . .7 3.2.1 傳感器的選型.7 3.2.

8、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 .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 .14 4.1 登錄系統(tǒng)設(shè)計 . .14 4.2 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊的設(shè)計 . .17 4.2.1 溫度信號的采集 . .17 4.2.2 采集數(shù)據(jù)的處理 . .19IV4.2.3 PID控制信號的產(chǎn)生 . . 224.3 數(shù)據(jù)存儲模塊 . . 244.3.1 數(shù)據(jù)存入文本文件 . 244.3.2 數(shù)據(jù)存入TDMS 文件 . 254.4 歷史數(shù)據(jù)查看模塊 . 264.4.1 文本文件查看方式 . 264.4.2 TDMS文件查看方式 .

9、 . 284.5 打印模塊 . 394.6 網(wǎng)絡(luò)通信模塊 . 304.6.1 DataSocket的數(shù)據(jù)傳輸 . 314.6.2 在Web 上發(fā)布程序 . 334.7 加熱爐溫控系統(tǒng)的集成. 34總結(jié) . 37參考文獻 . 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。由于這類對象使用方便，可以通過調(diào)節(jié)輸出功率來控制溫度，進而得到較好的控制性能，故在冶金、機械、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)帶來不可

10、彌補的損失。同時，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，貢獻低碳社會。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，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代測控技術(shù)越來越離不開計算機。美國NI 公司順應(yīng)時代發(fā)展，適時提出虛擬儀器概念。通過幾年的發(fā)展，虛擬儀器已廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)各個環(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)計出一款低溫加熱爐溫控系統(tǒng)。1.2 國內(nèi)外發(fā)展狀況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，以此對物料或工件進行加熱的工業(yè)爐。在機械工業(yè)中，電阻爐主要用于

11、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，后來在具有陶瓷纖維電阻的實驗室小電爐中也采用此法。到20世紀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來由電熱元件、金屬殼體、砌體、爐用機械和電氣控制系統(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-

12、 2 -工作溫度為6501000，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、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，并且在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的低位。電熱爐是具有非線性、大滯后、時變性、升溫單向等特點的控制對象。目前，對于加熱爐溫控系統(tǒng)的設(shè)計大多是由單片機作為控制單元的, 經(jīng)過PID 算法，由單片機控制功率控制元件，進而達到溫控目的。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

13、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)的缺點也很明顯，比如系統(tǒng)硬件開銷大，程序設(shè)計比較復(fù)雜，開發(fā)周期較長，實現(xiàn)的功能比較單一等等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，將單片機與計算機相結(jié)合，以單片機作為下位機，以計算機作為上位機，已成為設(shè)計者普遍采用方法。此外，在控制算法上，當(dāng)對溫控系統(tǒng)有較高的設(shè)計要求時，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，既能用模糊規(guī)則來描述神經(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)加熱爐對象的非線性和時變性。伴隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)

14、、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，測量領(lǐng)域內(nèi)不斷涌現(xiàn)出新的測量理論、測量方法和新的儀器結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)儀器的概念越來越受到新技術(shù)新思想的挑戰(zhàn)。特別是計算機軟件技術(shù)與將計算機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 是基于計算機的儀器，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)字信號處理和計算機數(shù)據(jù)采集。目前，儀器技術(shù)發(fā)展的一個重要方向是將儀器與計算機緊密結(jié)合。概括起來，這種結(jié)合有兩種方式。第一種方式，把計算機載入儀器- 3 -中，

15、智能化的儀器就是采用這種方式。由于計算機的功能越來越強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越強大。第二種方式，把儀器載入計算機中，以計算機硬件及其操作系統(tǒng)為平臺，實現(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NI 公司誕生。時至今日，虛擬儀器技術(shù)已成為當(dāng)代測控領(lǐng)域的熱點技術(shù)。其發(fā)展大致可分為如下三個階段3。(1 采用計算機技術(shù)增強儀器的各功能。通過RS-232C 和GPIB 總線，用戶就可以將傳統(tǒng)儀器與計算機連接起來，就可以實現(xiàn)使用計算機來進行儀器的控制了。(2 儀器結(jié)構(gòu)更加開放。儀器的發(fā)展離不開技術(shù)的進步，插入式的計算機數(shù)據(jù)采集卡和VX

16、I 總線標準的確立這兩大硬件技術(shù)進步，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，它把用戶需要知道的東西封裝起來，使得編程更加簡便高效。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)標準，幾個虛擬儀器的平臺已經(jīng)得到廣泛認可。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛或者說首選的虛擬儀器開發(fā)軟件是美國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 語言(Graphics Language，圖形化編程語言 編程的優(yōu)勢

17、。1.3 本設(shè)計要做的工作根據(jù)電加熱爐大慣性、大滯后的特點，采用PID 控制算法，由虛擬儀器控制實現(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)計等。軟件的設(shè)計任務(wù)主要有：采集數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示、打印，PWM 波控制信號的輸出，通信功能的實現(xiàn)等。- 4 -第二章 虛擬儀器及LabVIEW 簡介2.1 虛擬儀器的基本概念虛擬儀器是指，在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶自己設(shè)計定義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(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

18、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，人們對測量儀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、用戶無法改變的固定模式。虛擬儀器技術(shù)給了用戶一個充分發(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物，都遵循現(xiàn)實的物理規(guī)律，必須通過手動或觸摸進行操作。在要實現(xiàn)的功能方面，虛擬儀器的前面板上的控

19、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)儀器控件的操作對應(yīng)著相應(yīng)物理過程，如按鍵觸點的碰觸，而虛擬儀器控件的操作對應(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)儀器通過硬件來實現(xiàn)測控功能不同，虛擬儀器通過軟件編程，來實現(xiàn)與實物一樣的測控功能。2.2 虛擬儀器的特點及應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)集合了多種現(xiàn)代化技術(shù)于一身，包括計算機技術(shù)、圖形處理技術(shù)、智能測試技術(shù)、模塊及總線的標準化技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)等。虛擬儀器具有模塊化、標準化、積木化、系列化的軟件和硬件平臺，是一個完全開放的系統(tǒng)，它具有下列一些技術(shù)特點6。- 5 -(1 傳統(tǒng)儀器的功能被虛擬儀器豐富和增強為了充

20、分利用計算機具有的強大的數(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)顯示存儲及打印和其他必要的操作都交給計算機來處理。(2 虛擬儀器進一步突出了“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。當(dāng)組建自己的虛擬儀器時，利用源代碼庫，用戶可以很方便地實現(xiàn)、修改儀器的各種測控、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)標準非常開放虛擬儀器的軟件及硬件都具有開放的行業(yè)標準，利用虛擬

21、儀器的標準，用戶可以統(tǒng)一對儀器進行設(shè)計、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展，儀器的開發(fā)和維護費用更加降低。(5 經(jīng)濟性好，易于組建成更為復(fù)雜的測試系統(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)約大量的購買和維護成本。而且，與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器更容易組建成復(fù)雜的分布式測試系統(tǒng)，因為虛擬儀器可以利用高速計算機網(wǎng)絡(luò)，很方便地實現(xiàn)遠程通信、監(jiān)控、測試和故障診斷等功能。虛擬儀器作為新興的儀器代表，由于具有絕對的技術(shù)優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于電子、機械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、軍事、教育等各個領(lǐng)域。從

22、簡單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測試和工業(yè)自動化，從大學(xué)實驗室到工廠企業(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。2.3 LabVIEW的含義LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench，實驗室虛擬儀- 6 - 器集成環(huán)境 是一種圖形化的編程語言(又稱G 語言 ，它是由美國NI 公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強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，經(jīng)過公司的不斷

23、改進和完善，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)計過程控制、高級數(shù)字信號處理、模糊控制、PID 和PDA 等；可運行于多種平臺，比如Macintosh 、UNIX 、Windows 和Linux 等。作為一個具有強大功能的標準的虛擬儀器開發(fā)平臺，LabVIEW 廣泛地被研究實驗室、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主要部分。 前面板就是虛擬儀器的測試界面，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。

24、通過前面板，用戶可以展現(xiàn)包括參數(shù)設(shè)置、菜單、結(jié)果顯示等各種測試交互接口。程序框圖類似于傳統(tǒng)編程語言中的程序源代碼，是測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理的流程。程序框圖與前面板對象一一對應(yīng)，程序框圖中的數(shù)據(jù)流對應(yīng)于前面板對象的相關(guān)操作。程序框圖采用圖形化節(jié)點進行編程，使編程更加簡便、高效。2.6 LabVIEW的優(yōu)勢概括地說，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和優(yōu)點，如：采用圖形化編程語言，開發(fā)效率高，支持多種儀器和數(shù)具采集卡硬件的驅(qū)動，調(diào)試、查錯能力強大，支持多種操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信功能強大等諸多優(yōu)點8。正是由于LabVIEW 軟件具有的這些優(yōu)點，使得LabVIEW 成為開發(fā)

25、虛擬儀器的首選平臺。- 7 -第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計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)計方案結(jié)構(gòu)框圖如3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)加熱爐大慣性、大滯后的特點，采用PID 控制算法，由虛擬儀器控制實現(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)計方案如下：由傳感器測得的爐溫信號經(jīng)過變送環(huán)節(jié)送給數(shù)據(jù)采集卡，采集卡對信號進行A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID 算法對信號處理后產(chǎn)生控制信號，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

26、雙向可控硅的通斷，以此改變加在電阻上的電壓，達到溫控目的。3.2 硬件電路設(shè)計硬件電路的設(shè)計包括傳感器的選型、測溫電路的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集卡的選型、PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計、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。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，且電阻率較高、復(fù)現(xiàn)性好?？捎米骰鶞孰娮韬蜆藴薀犭娮?。鉑電阻的溫度測量范圍為-200850。鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系是一個典型的非線性 - 8 -函數(shù)，一般工業(yè)用的鉑電阻可以用式3-1、3-2表示10。(201t R R At Bt =+ (0t 850 (3-1(2

27、301100t R R At Bt Ct t =+- (-200t 0 (3-2 式中，t R 為溫度在t 時的電阻值，A 、B 和C 為常數(shù)，其值分別為：33.9083101/CA -=；725.775101/C B -=-；1244.183101/C C -=-。 本設(shè)計選用一體化傳感器。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轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，再經(jīng)過信號的調(diào)理放大環(huán)節(jié)，最后再由線性電路對溫度數(shù)據(jù)進行非線性補償，輸出420mA 的恒流信號。一體化溫度傳感器的采用，簡化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。具體型號采用錦州精微儀表有限公司的WZPKKB 2312Y 1

28、400/250-20.2%(0400 。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)點是將Pt100的兩側(cè)相等長度的導(dǎo)線分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的溫度測量電路主要有兩種：一種是橋式測溫電路，可分為兩線制、三線制、四線制橋式測溫電路；另一種是恒流源式測溫電路。在熱電阻測溫系統(tǒng)中，引線電阻的大小對測量結(jié)果有很大的影響。恒流源式測溫電路可以消除引線電阻的影響，本設(shè)計就是采用恒流源式測溫電路，其測溫電路圖如圖3-2所示。 圖3-2 恒流源測溫電路- 9 -對于LM358，放大器工作于線性運放狀態(tài)，根據(jù)虛短和虛斷概念，4.096u u V +-=，1001o Pt u

29、 u R R -=-，得流過Pt100的恒定電流為0.00124A 。 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設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號, 送到上位機中進行分析、處理。 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)是通過測量軟、硬件產(chǎn)品的有機結(jié)合來實現(xiàn)靈活的、具有用戶自定義功能的測量系統(tǒng)，它基于計算機或者其他專用測試平臺。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?？驁D中的相關(guān)采樣參數(shù)包括以下幾個：采樣通道，即需要由多路開關(guān)進行掃描的通道；采樣次數(shù)，即多路開關(guān)對通道進行掃描的次數(shù)；采樣頻率，即單位時間內(nèi)多路開關(guān)對通道進

30、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)緩存可以存儲多少掃描得來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡，就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ功能的計算機擴展卡。數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標主要有通道數(shù)、采樣頻率、分辨率、精度、量程等，根據(jù)實際需要，選擇具有相應(yīng)性能的采集卡。選擇數(shù)據(jù)采集卡時，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)計要求數(shù)據(jù)采集卡要采集一路模擬信號，輸出一路模擬控制信號，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)指標如下：8個模擬輸入通道(14位、48KS/s采樣速

31、度，AI0AI7 ，2路12位模擬輸- 10 -出通道(150 S/s，AO0，AO1 ，12個I/O通道(P0.0P0.7，P1.0P1.3 ，1個32位計數(shù)器/定時器(PFI0。 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兩種輸入模式，連接參考單端電壓信號和連接差分電壓信號。本設(shè)計采用后面一種輸入模式。連接差分電壓信號時，輸入信號的正負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。- 11 - 連接差分電壓信號電路圖如圖3-5所示，將輸入信號的正極連接到NI USB-6009數(shù)據(jù)采集卡的“AI

32、+”通道，輸入信號的負極連接到數(shù)據(jù)采集卡對應(yīng)的“AI-”通道。 電壓源圖3-5 連接差分電壓信號3.2.3 PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計本設(shè)計采用硬件搭建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)生的控制信號通過在電平比較器中比較，產(chǎn)生占空比由控制信號決定的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)生標準的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、-

33、 12 -高頻率的三角波信號。利用內(nèi)部2.5V 基準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。三角波周期計算公式為/in f f I C = (3-3 其中，/in in in I U R = (3-4in U 為基準電源電壓，其值為2.5V 。本設(shè)計中50in R k =。LabVIEW 輸出的控制信號的控制周期為1s ，與之對應(yīng)，產(chǎn)生的三角波周期也應(yīng)為1s 。即/1s in f f I C =, 所以50f C uF =。產(chǎn)生的三角波幅值最大為1V ，而LabVIEW

34、輸出的控制信號幅值為05V ，故采用LM318對三角波進行信號放大，使得三角波幅值也在05V 內(nèi)變化。 波圖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?？煽毓枰葡嗾{(diào)壓方式通過改變觸發(fā)脈沖觸發(fā)角來改變可控硅導(dǎo)通角，進而改變電壓值。此方式需要具有準確相角的觸發(fā)脈沖12，- 13 -系統(tǒng)設(shè)計較復(fù)雜，而且通過負載的不是完整的正弦波，會產(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，它是在交流電過零時觸發(fā)

35、雙向可控硅的導(dǎo)通，使得流過負載的電壓電流是完整的正弦波，不存在波形畸變。而且，對觸發(fā)脈沖的相位要求也大大降低，觸發(fā)時只需外加一個過零檢測電路既可。所謂過零檢測，就是檢測交流電壓或電流的過零點。本設(shè)計采用后一種調(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、過零觸發(fā)等功能于一體，簡化了輸出通道隔離、驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。 脈沖圖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檢測到電壓過零點時，光耦中的光敏雙向可控硅導(dǎo)通，發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。此后，

36、只要PWM 波一直是高電平時，雙向可控硅就一直導(dǎo)通，使得負載上通過的是完整的正弦波。當(dāng)PWM 脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，光耦在電壓過零時就不再向雙向可控硅發(fā)觸發(fā)信號，于是當(dāng)電壓再次過零時雙向可控硅截止，電流不再流過負載。通過改變PWM 波占空比，就可以控制流過負載的電壓周波數(shù)，進而達到調(diào)節(jié)功率的目的，在本設(shè)計中，就是達到溫控的目的。 - 14 -第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計采用LabVIEW 軟件開發(fā)虛擬儀器。整個系統(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組合，組成完整的加熱爐溫控系統(tǒng)。本章將先分別介紹各

37、個功能子模塊，最后完成總的系統(tǒng)設(shè)計。4.1 登錄系統(tǒng)設(shè)計圖4-1 登錄系統(tǒng)前面板完整的系統(tǒng)設(shè)計都必須要有使用權(quán)限設(shè)置。本系統(tǒng)首先設(shè)計了一個登錄系統(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，否則就不可以進行主程序的操作。當(dāng)?shù)谝淮蔚卿浵到y(tǒng)時，會提醒用戶進行用戶名及登錄密碼的重新設(shè)置，當(dāng)然，用戶也可以主動進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，登錄系統(tǒng)會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。前面板添加了一個指示燈，當(dāng)正確登陸系統(tǒng)時會由紅色變?yōu)榫G色。當(dāng)使用完系統(tǒng)后，點擊“退出程序”按鈕就

38、可以退出系統(tǒng)。 - 15 -當(dāng)用戶填寫不正確的用戶名或密碼時，會彈出如圖4-3所示的對話框，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提醒用戶輸入管理員密碼的對話框。圖4-2 登錄系統(tǒng)程序框圖圖4-3 用戶名或登錄密碼錯誤時的提示對話框主程序以子程序的形式嵌入到登錄系統(tǒng)中。設(shè)計主程序為子程序的方法為單擊主程序前面板的文件，在下拉菜單中選擇“VI屬性”，會出現(xiàn)一個對話框，在對話的類別欄中選擇窗口外觀，將對話框頁面切換到窗口顯示屬性頁面，如 - 16 -圖4-5所示。圖4-4 重置用戶名及密碼時提示輸入管理員密碼圖4-5 子VI 屬性對話框在對話框中單擊自定義按鈕，彈出自定義

39、窗口外觀對話框，如圖4-6所示，在對話中選擇“調(diào)用時顯示前面板”和“如之前未打開則在運行后關(guān)閉”。如此一來，登錄系統(tǒng)后主程序會作為子VI 被調(diào)用，且主程序前面板會彈出來，供用戶設(shè)置。選中“如之前未打開則在運行后關(guān)閉”選項后，則當(dāng)主程序運行結(jié)束后，其前面板會自動消失。 - 17 -圖4-6 子VI 窗口外觀對話框4.2 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊的設(shè)計數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊時本系統(tǒng)的重中之重設(shè)計，實現(xiàn)的主要功能包括溫度信號的采集、采集數(shù)據(jù)的處理、PID 控制信號的產(chǎn)生等，每個功能模塊又可以分為若干子模塊，本節(jié)內(nèi)容將一一給予詳細介紹。4.2.1 溫度信號的采集基于虛擬儀器的采集系統(tǒng)典型框架為：傳感器信

40、號調(diào)理器數(shù)據(jù)采集設(shè)備計算機。傳感器將被測量的溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號；信號調(diào)理器對電信號進行 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轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號、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)動程序和由數(shù)據(jù)采集函數(shù)編制的軟件幾個部分組成14。如前所述，本設(shè)計采用NI USB-6009多功能數(shù)據(jù)采集卡。所謂硬件驅(qū)動程序就是應(yīng)用軟件驅(qū)動硬件正常工作的編程接口。硬件驅(qū)動程序包含著相應(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。借助于強大的硬件驅(qū)動程序，LabVIEW 的編程工作將會大大簡化，開發(fā)效率顯著提高，開發(fā)成本也明顯降

41、低。本設(shè)計采用的硬件驅(qū)動程序為NI-DAQ8.6.1版本。 - 18 -本設(shè)計要求加熱爐溫度穩(wěn)定在80，允許有±1誤差，故設(shè)置溫度范圍為0100。采集數(shù)據(jù)只有模擬量溫度信號，故為單通道數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集卡和計算機之間進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要對物理通道和虛擬通道進行選擇。所謂物理通道就是被測試的信號或生成的信號實際進出計算機的路徑，例如，NI USB-6009上的模擬輸入通道AI0AI5，模擬輸出通道AO0、AO1，數(shù)字I/O通道為P0.0P0.7，P1.0P1.3。所謂虛擬通道是一系列設(shè)置的集合，包括通道名、對應(yīng)的物理通道、信號連接方式、測試類型和標度等。本設(shè)計物理通道選擇AI0、AO0

42、，對應(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)換到運行狀態(tài)。(4 調(diào)用DAQmx Read.vi 。這是一個多態(tài)VI ，根據(jù)數(shù)據(jù)采集的類型、讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量和要求返回數(shù)據(jù)的類型，有許多子VI 可以選擇。圖4-7所示是本設(shè)計所選擇的VI 。圖4-7

43、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)置好個參數(shù)后，點擊“開始采樣”按鈕，就 - 19 -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、打印等他操作。本設(shè)計的數(shù)據(jù)處理主

44、要有三個方面，第一個是數(shù)據(jù)濾波，第二個是消除零點誤差，第三個是標度變換。下面將分別予以介紹。濾波技術(shù)是信號處理技術(shù)的重要分支。濾波就是指對信號的噪聲干擾進行抑制或衰減，并使有用信號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)計采用帶通濾波器。由于計算機只能處理有限長度的信號，因此原始信號(x t 要以采樣時間T 截斷，即有限化，成為離散信號(x t 后在進一步處理。信號的有限化也稱為加窗處理。LabVIEW 軟件中有許多窗函數(shù)。窗函數(shù)主要用于對截斷處的不連續(xù)變化進行平滑，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

45、，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)計選用FIR 加窗濾波器。數(shù)據(jù)濾波的前 - 20 -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誤差又稱零輸入誤差，既無被測信號輸入時測試系統(tǒng)的響應(yīng)。在測試系統(tǒng)中零點誤差包括以下兩個部分：(1 測試系統(tǒng)本身所具有的零點誤差，如各種模擬電路、傳感器以及儀器，一般都存在零點誤差和零漂；(2 零輸入時引入的外界噪聲

46、、干擾誤差，即靜態(tài)噪聲和靜態(tài)干擾誤差。 零點誤差會嚴重影響測量數(shù)據(jù)的真實性，必須采取措施消除或減小零點誤差的影響。本設(shè)計有對零點誤差的處理環(huán)節(jié)，如圖4-10所示。圖4-10 零點誤差處理由于零點誤差會隨環(huán)境的變化而相應(yīng)改變，所以本系統(tǒng)還設(shè)計了零點誤差- 21 - 采集環(huán)節(jié)。當(dāng)需要更新零點誤差數(shù)值是，進行一次零點誤差采集就可以了。程序框圖如圖4-11所示。 圖4-11 零點誤差采集程序框圖此程序?qū)⒉杉降牧泓c誤差先排序，去掉最大值、最小值后，再取平均值，即為最終的零點誤差。之后通過局部變量將最新的零點誤差傳遞給圖4-12中的變量。所謂標度變換，將對應(yīng)參數(shù)值的大小轉(zhuǎn)換成能直接顯示有量綱的被測工程量

47、數(shù)值，也稱工程轉(zhuǎn)換。標度變換有線性和非線性之分。本設(shè)計采用pt100作為溫度敏感，在0100內(nèi)有較好的線性度，故本設(shè)計采用線性標度變換。 圖4-12 線性標度變換線性變換后的數(shù)據(jù)要用來轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，本設(shè)計采用LabVIEW 軟件提供的轉(zhuǎn)換RTD 讀數(shù)節(jié)點，此節(jié)點位于函數(shù)編程數(shù)值縮放子選板中。轉(zhuǎn)換RTD 讀數(shù)節(jié)點對應(yīng)于公式3.1，通過輸入的電壓、給定的傳感器激勵電流，反計算出對應(yīng)的溫度值。對于此節(jié)點，當(dāng)傳感器激勵電流為0.00124A 時， - 22 -輸入電壓0.1240050.17174V 對應(yīng)于輸出溫度0100。故本標度變換的任務(wù)為將采樣的電壓信號15V 線性變換為0.1240050.

48、17174V ，變換程序框圖如圖4-12所示。4.2.3 控制信號的產(chǎn)生電加熱爐是一個復(fù)雜的被控對象，具有非線性、大滯后、時變性、升溫單向等特點。本設(shè)計采用的電加熱爐數(shù)學(xué)模型如式4-1所示。式中，設(shè)K =1，T =10s , =3s 。(1sC Ke G s Ts -=+ (4-1 在工程實踐中，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。0510152025303540455000.20.40.60.811.21.4時間幅值圖4-13 PID仿真結(jié)果 - 23 -0d d d t p I e u K e K e t t=+ (4-2 或?qū)懗?1d d d t p D I e u