1、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設計，要求加熱 爐溫度穩定在 80，允許有 1的誤差。 本論文采用美國 ni 公司虛擬儀器開發軟件 labview8.5 開發出一套 低溫電加熱爐溫度控制系統。系統具體設計方案如下：由傳感器測得的爐溫 信號經過變送環節送給數據采集卡，采集卡對信號進行a/d 轉換后傳輸 至虛擬儀器，虛擬儀器中的pid 算法對信號處理后產生控制信號，再經過 采集卡 d/a 轉換后輸出控制 pwm 波產生電路，改變 pwm 波占空比，產 生的 pwm 波經過光耦 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

2、設計方案設計了硬件電路，接著進行系統軟件的 設計。經過簡單的實驗，系統可以正常采集數據并顯示。 關鍵詞：虛擬儀器，labview，溫控系統，過零調功，pwm 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

3、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 transm

4、itter, 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 acquisitio

5、n 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 circu

6、it 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 摘 要.i abstract (英文

7、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 國內外發展狀況.1 1.3 本設計要做的工作.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用.4 2.3 labview 的含義.5 2.4 labview 的發展.6 2.5 labview 的結構 .6 2.6 labview 的優勢.6 第三章 系統總體方案及硬件電路設計.7 3.1 系統總體方案.7 3.2 硬件電路設計.7 3.2.1 傳感器的選型 .7 3.2.2 數據采集卡的選型 .9 3.2.3 pwm 波產生電路的設計 . 11

8、3.2.4 交流過零觸發 pwm 脈寬調功原理 . 12 第四章 溫控系統軟件設計.14 4.1 登錄系統設計. 14 4.2 數據采集及處理控制模塊的設計. 17 4.2.1 溫度信號的采集 . 17 4.2.2 采集數據的處理 . 19 4.2.3 pid 控制信號的產生 . 22 4.3 數據存儲模塊. 24 4.3.1 數據存入文本文件 . 24 4.3.2 數據存入 tdms 文件 . 25 4.4 歷史數據查看模塊 . 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 網絡通信模塊 . 30 4.6.1

9、datasocket 的數據傳輸 . 31 4.6.2 在 web 上發布程序 . 33 4.7 加熱爐溫控系統的集成 . 34 總結.37 參考文獻.38 致謝.39 第一章 緒論 1.1 課題研究的目的和意義 電加熱爐被廣泛應用于工業生產和科學研究中。由于這類對象使用方便， 可以通過調節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、化工等領域中得到了廣泛的應用。 在許多工業過程控制中，工業加熱爐是關鍵部件，爐溫控制精度及其工作 穩定性已成為產品質量的決定性因素。溫度控制不好，將給企業帶來不可彌補 的損失。同時，優良的加熱爐溫控系統，不但可以保障工業生產的順利進行， 還可以大

10、幅度提高生產效率，節約能源資源，降低生產成本，貢獻低碳社會。 因此，優良且可靠的加熱爐溫控系統在工業生產中是十分必要的。 近年來，隨著計算機技術的迅猛發展，現代測控技術越來越離不開計算機。 美國 ni 公司順應時代發展，適時提出虛擬儀器概念。通過幾年的發展，虛擬 儀器已廣泛應用于國民生產各個環節。本課題采用 ni 公司的虛擬儀器開發軟 件 labview8.5，開發設計出一款低溫加熱爐溫控系統。 1.2 國內外發展狀況 電阻爐通過利用電源使得爐腔內的加熱介質或電熱元件發熱，以此對物料 或工件進行加熱的工業爐。在機械工業中，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

11、、粉末冶金燒結、砂型和油漆膜 層的干燥、低熔點金屬熔化等工序1。 自從發現楞茨-焦耳定律這一電流的熱效應以后，電熱法最先應用于家用電 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明及廣泛應用，在工業領域，電阻爐已得到了廣泛的 普及。工業領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、爐門等部分組成。不同結構的電阻爐的加熱功率大不相同， 低功率的不足一千瓦，大功率的可達數千千瓦。根據工作溫度的不同，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 工作溫度為 6501000，高溫

12、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。 電加熱爐隨著科學技術的發展和工業生產水平的提高，已經在冶金、化工、 機械等各類工業控制中得到了廣泛應用，并且在國民經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的設計大多是由單片機作為控制單元的,經過 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、 固態繼電器，也有采用傳統的繼電接觸器進行控制。采用可控硅作為功率控 制元件，調功方式主要有可控硅移相調壓和雙向可控硅過

13、零調功2。 基于單片的溫控系統的缺點也很明顯，比如系統硬件開銷大，程序設計比 較復雜，開發周期較長，實現的功能比較單一等等。隨著計算機技術的發展， 將單片機與計算機相結合，以單片機作為下位機，以計算機作為上位機，已成 為設計者普遍采用方法。 此外，在控制算法上，當對溫控系統有較高的設計要求時，傳統的 pid 算 法可能滿足不了要求。所以，也有人將模糊神經網絡算法引入到加熱爐溫控系 統中。如此一來，既能用模糊規則來描述神經網絡的推理過程，有可以通過神 經網絡來不斷調整模糊規則；既能處理加熱爐生產過程中的模糊和不確定因素， 又可以適應加熱爐對象的非線性和時變性。 伴隨著計算機技術、通信技術、微電子

14、技術、軟件技術的迅速發展，測量 領域內不斷涌現出新的測量理論、測量方法和新的儀器結構，傳統儀器的概念 越來越受到新技術新思想的挑戰。特別是計算機軟件技術與將計算機作為核心 的儀器系統的緊密結合，出現了一種全新的儀器虛擬儀器(virtual instrument，vi)，引發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，它根據儀器的需求， 組成數據采集系統。研究虛擬儀器主要涉及兩方面的基礎理論，即數字信號處 理和計算機數據采集。目前，儀器技術發展的一個重要方向是將儀器與計算機 緊密結合。概括起來，這種結合有兩種方式。第一種方式，把計算機載入儀

15、器 中，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為平臺，實現儀器的各種功能。 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 已成為當代測控領域的熱點技術。其發展大致可分為如下三個階段3。 (1) 采用計算機技術增強儀器的各功能。通過 rs-232c 和 gpib 總線，用 戶就可以將傳統儀器與計算機連接起來，就可以實現使用計算機來進行儀器的 控制了。 (2) 儀器結構更加開放。儀器的發展離不開技術

16、的進步，插入式的計算機 數據采集卡和 vxi 總線標準的確立這兩大硬件技術進步，促使儀器的結構得以 開放，使得由用戶定義儀器功能和由供應商定義儀器功能的區別得以消除。 (3) 虛擬儀器的結構框架得到了廣泛的認可和采用。像在軟件領域中一樣， 虛擬儀器開始采用面向對象技術，在構建虛擬儀器時，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域中，已經 產生了許多行業標準，幾個虛擬儀器的平臺已經得到廣泛認可。 目前在這一領域內，使用較為廣泛或者說首選的虛擬儀器開發軟件是美國 ni 公司的 labview。采用 labview 開發加熱爐溫控系統，可以充分發揮 g 語言(

17、graphics language，圖形化編程語言)編程的優勢。 1.3 本設計要做的工作 根據電加熱爐大慣性、大滯后的特點，采用 pid 控制算法，由虛擬儀器控 制實現交流過零觸發 pwm 脈寬調功，功率控制器件選用雙向可控硅。硬件的 設計任務主要：有溫度傳感器、數據采集卡的選型，pwm 波產生電路的設計 等。軟件的設計任務主要有：采集數據的處理、存儲、顯示、打印，pwm 波 控制信號的輸出，通信功能的實現等。 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，由用戶自己設計定 義，具有虛擬的操作面板，測試功能由測試軟件來實現的

18、一種計算機儀器系統 4。傳統的電子儀器的主體為硬件，虛擬儀器的出現突破了這種模式。與傳統 的電子儀器相比，它更為通用。隨著當代科學技術的迅猛發展，人們對測量儀 器不斷提出新的要求，虛擬儀器更能適應這種要求，它推動著傳統儀器朝著虛 擬化、模塊化、數字化、網絡化的方向發展。 虛擬儀器技術的出現，打破了傳統儀器由廠家定義功能、用戶無法改變的 固定模式。虛擬儀器技術給了用戶一個充分發揮自己才能和想象力的空間。用 戶可以隨心所欲地根據自己的需求，設計自己的儀器系統，滿足多種多樣的應 用需求。 虛擬儀器中的“虛擬”有兩個方面的含義5，分別表現在： (1) 虛擬的儀器前面板。傳統的儀器面板上的控件都是物理實

19、物，都遵循 現實的物理規律，必須通過手動或觸摸進行操作。在要實現的功能方面，虛擬 儀器的前面板上的控件和傳統的儀器控件沒有什么區別；在外形上，兩類控件 非常相像；在原理上，傳統儀器控件的操作對應著相應物理過程，如按鍵觸點 的碰觸，而虛擬儀器控件的操作對應著相應的軟件程序。通過程序實現的功能。 (2)與傳統儀器通過硬件來實現測控功能不同，虛擬儀器通過軟件編程，來 實現與實物一樣的測控功能。 2.2 虛擬儀器的特點及應用 虛擬儀器技術集合了多種現代化技術于一身，包括計算機技術、圖形處理 技術、智能測試技術、模塊及總線的標準化技術、數字信號處理技術等。虛擬 儀器具有模塊化、標準化、積木化、系列化的軟

20、件和硬件平臺，是一個完全開 放的系統，它具有下列一些技術特點6。 (1) 傳統儀器的功能被虛擬儀器豐富和增強 為了充分利用計算機具有的強大的數據處理、 數據傳輸和數據發布的能力， 以便更加簡便靈活地組建儀器系統，虛擬儀器集中將數據分析處理、數據顯示 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傳統儀器中的某些硬件，利用軟件實現硬件的功能， 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、修改儀器的各種測

21、控、通信功能,讓用戶可 以充分發揮自己的能力和想象力。 (4) 虛擬儀器的行業標準非常開放 虛擬儀器的軟件及硬件都具有開放的行業標準，利用虛擬儀器的標準，用 戶可以統一對儀器進行設計、管理和使用，可以提高資源的可重復性利用率， 使得管理更加規范，儀器功能更加易于擴展，儀器的開發和維護費用更加降低。 (5) 經濟性好，易于組建成更為復雜的測試系統 虛擬儀器是基于軟件體系結構的，傳統儀器是基于硬件體系結構的，用虛 擬儀器代替傳統儀器，可以節約大量的購買和維護成本。而且，與傳統儀器相 比，虛擬儀器更容易組建成復雜的分布式測試系統，因為虛擬儀器可以利用高 速計算機網絡，很方便地實現遠程通信、監控、測試

22、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優勢，被廣泛應用于 電子、機械、通信、汽車制造、生物、醫藥、化工、科研、軍事、教育等各個 領域。從簡單的儀器控制、數據采集到尖端的測試和工業自動化，從大學實驗 室到工廠企業，從探索研究到技術集成，都可以發現虛擬儀器技術的應用成果。 2.3 labview 的含義 labview(laboratory virtual instrument engineer workbench，實驗室虛擬儀 器集成環境)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 的虛擬儀器開發平臺，也是目前應用最廣、發展最快、功能最強的圖

23、形化軟件 集成開發環境之一7。 2.4 labview 的發展 1986 年，美國 ni 公司于正式推出了 labview1.0，現在已發展到 2011 版 本。20 多年來，經過公司的不斷改進和完善，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、統計過程控制、高級數字信號處理、 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 擬儀器開發平臺，labview 廣泛地被研究實驗室、學術界及工業界所接受，廣 泛地應用于航空航天、工業控制、電子半導體、汽車和通信等眾

24、多領域。 2.5 labview 的結構 利用 labview 軟件開發的虛擬儀器，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 擬傳統儀器中的各種控件。通過前面板，用戶可以展現包括參數設置、菜單、 結果顯示等各種測試交互接口。 程序框圖類似于傳統編程語言中的程序源代碼，是測試系統中的數據處理 的流程。程序框圖與前面板對象一一對應，程序框圖中的數據流對應于前面板 對象的相關操作。程序框圖采用圖形化節點進行編程，使編程更加簡便、高效。 2.6 labview 的優勢 概括地說，作為一款成功的虛擬儀器開發軟件， labview 具有許多明顯

25、 的特點和優點，如：采用圖形化編程語言，開發效率高，支持多種儀器和數具 采集卡硬件的驅動，調試、查錯能力強大，支持多種操作系統，網絡通信功能 強大等諸多優點8。正是由于 labview 軟件具有的這些優點，使得 labview 成為開發虛擬儀器的首選平臺。 第三章 系統總體方案及硬件電路設計 3.1 系統總體方案 基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統設計方案結構框圖如 3-1 所示。 電 加 熱 爐 傳 感 器 采 集 卡 計算機 labview 光耦 雙向 可控 硅 pwm 波產生 電路 圖 3-1 系統總體方案結構框圖 這是一個閉環控制系統，根據加熱爐大慣性、大滯后的特點，采用 pid 控 制算法

26、，由虛擬儀器控制實現交流過零觸發 pwm 脈寬調功9，功率器件選用 雙向可控硅。具體設計方案如下：由傳感器測得的爐溫信號經過變送環節送給 數據采集卡，采集卡對信號進行 a/d 轉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生控制信號，再經過采集卡 d/a 轉換后輸出控制 pwm 波產生電路，改變 pwm 波占空比，產生的 pwm 波經過光耦 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。 3.2 硬件電路設計 硬件電路的設計包括傳感器的選型、測溫電路的設計、數據采集卡的選型、 pwm 波產生電路的設計、光耦及雙向可控硅的選型、交流過零觸發 pwm

27、 脈寬 調功電路設計。 3.2.1 傳感器的選型 溫度敏感元件選用 pt100。鉑電阻的物理化學性能非常穩定，精度高，耐 氧化性強，且電阻率較高、復現性好。可用作基準電阻和標準熱電阻。鉑電阻 的溫度測量范圍為-200850。鉑電阻的阻值與溫度的關系是一個典型的非線 性函數，一般工業用的鉑電阻可以用式 3-1、3-2 表示10。 (850) (3-1) 2 0 1 t rratbt0t (-200 0) (3-2) 23 0 1100 t rratbtctt t 式中，為溫度在 時的電阻值，、和為常數，其值分別為： t rtabc ；。 3 3.9083 10 1/ ca 72 5.775 10

28、 1/ cb 124 4.183 101/ cc 本設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化為微弱的電信號，再經過 信號的調理放大環節，最后再由線性電路對溫度數據進行非線性補償，輸出 420ma 的恒流信號。一體化溫度傳感器的采用，簡化了系統硬件電路的 設計。具體型號采用錦州精微儀表有限公司的wzpkkb2312y1 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點是將 pt100 的兩側相等長度的導線分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。常用 的溫度測量電路主要有兩種

29、：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。在熱電阻測溫系統中，引 線電阻的大小對測量結果有很大的影響。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。 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 恒流源測溫電路 對于 lm358，放大器工作于線性運放狀態，根據虛短和虛斷概念， ，得流過 pt100 的恒定電流為 0.00124。4.096uuv 1001 o pt uu rr a

30、3.2.2 數據采集卡的選型 數據采集(daq)，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中 自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析、處理。 被測 物理 量 傳 感 器 信 號 調 理 數 據 采 集 卡 計 算 機 圖 3-3 數據采集系統結構 數據采集系統是通過測量軟、硬件產品的有機結合來實現靈活的、具有用 戶自定義功能的測量系統，它基于計算機或者其他專用測試平臺。數據采集系 統的結構如圖 3-3 所示11。 一般的數據采集過程如圖 3-4 所示。框圖中的相關采樣參數包括以下幾個： 采樣通道，即需要由多路開關進行掃描的通道；采樣次數，即多路開關對通道 進行掃描的次數；采樣頻率

31、，即單位時間內多路開關對通道進行一次掃描的次 數；數據緩存大小，確定數據采集卡的數據緩存可以存儲多少掃描得來的數據。 數據采集卡，就是實現數據采集(daq)功能的計算機擴展卡。數據采集卡 的主要性能指標主要有通道數、采樣頻率、分辨率、精度、量程等，根據實際 需要，選擇具有相應性能的采集卡。 選擇數據采集卡時，要根據具體的采集任務，及現有的技術資源。本設計 要求數據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，故采用的數據采集卡為美 國 ni 公司的 ni usb-6009 多功能數據采集卡。ni usb-6009

32、 的主要技術指標如 下：8 個模擬輸入通道(14 位、48ks/s 采樣速度，ai0ai7)，2 路 12 位模擬輸 出通道(150 s/s，ao0，ao1)，12 個 i/o 通道(p0.0p0.7，p1.0p1.3)，1 個 32 位計數器/定時器(pfi0)。 數據采集vi傳遞相 關參數給數據卡 采樣開始，多路開 關對采樣通道依次 掃描，每通道采樣 一個點 采樣的模擬信號送 到a/d轉換器轉換 成數字信號 數據信號存儲到數 據緩存中 完成所需的采 樣次數？ 從數據采集卡的數 據緩存中讀取數據 到計算機內存中， 完成數據采集工作 否 是 圖 3-4 數據采集過程框圖 ni usb-6009

33、 數據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誤差，消除共模干擾，是一種比較理想的輸入模 式。 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 數據采集卡的“ai+”通道，輸入信號的負極連接到數據采集卡對應的 “ai-”通道。 ai+ ai- ni usb-6009 電壓源 圖 3-5 連接差分電壓信號 3.2.3 pwm 波產生電路的設計 本設計采用硬件搭建 pwm 產生電路，主要由

34、三角波發生器、電平比較器、 施密特觸發器組成，原理框圖如圖 3-6 所示。 其原理為，首先，三角波發生器產生頻率恒定的三角波，三角波和 labview 編寫的虛擬儀器產生的控制信號通過在電平比較器中比較，產生占空 比由控制信號決定的 pwm 脈沖波，之后經過施密特觸發器濾除電平附近由于 干擾產生的振蕩成分，使波形規則化，產生標準的 pwm 波。 labview 控制信號電平比 較 器 施密特 觸發器 三角波 發生器 pwm 波 圖 3-6 pwm 波產生電路 三角波發生器選用 max038，它使用很少的外部元器件就可以產生精確、 高頻率的三角波信號。利用內部 2.5v 基準電壓配以外部的電阻電

35、容就可以產生 頻率為 0.1hz20mhz 的三角波。電平比較器選用 lm339，施密特觸發器采用 74ls14。產生 pwm 波電路圖如圖 3-7 所示。 三角波周期計算公式為 (3-3)/ inf fic 其中， (3-4)/ ininin iur 為基準電源電壓，其值為 2.5v。 in u 本設計中。labview 輸出的控制信號的控制周期為 1s，與之對50 in rk 應，產生的三角波周期也應為 1s。即,所以。產生的/1s inf fic50 f cuf 三角波幅值最大為 1v，而 labview 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

36、幅值也在 05v 內變化。 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? res

37、2 r? 100 gnd r? 20 rin 50k cf 50uf 圖 3-7 pwm 波產生電路 3.2.4 交流過零觸發 pwm 脈寬調功原理 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 調壓和雙向可控硅過零調功。可控硅移相調壓方式通過改變觸發脈沖觸發角來 改變可控硅導通角，進而改變電壓值。此方式需要具有準確相角的觸發脈沖12， 系統設計較復雜，而且通過負載的不是完整的正弦波，會產生高次諧波，造成 電網電壓波形畸變，影響其他用電設備。雙向可控硅過零調功既具有較好的控 制精度，又不存在可控硅移相調壓方式具有的一切缺點，它是在交流電過零時 觸發雙向可控硅的導通，使得流過

38、負載的電壓電流是完整的正弦波，不存在波 形畸變。而且，對觸發脈沖的相位要求也大大降低，觸發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。本設計采 用后一種調功方式。 交流過零觸發 pwm 脈寬調功原理如圖 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、過零觸發等功能 于一體，簡化了輸出通道隔離、驅動電路的結構。 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 pwm 脈寬調功原理 電路分析如下。當 pwm 控制脈沖為

39、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通，發出觸發信號觸發雙向可控硅導 通。此后，只要 pwm 波一直是高電平時，雙向可控硅就一直導通，使得負載 上通過的是完整的正弦波。當 pwm 脈沖變為低電平時，光耦在電壓過零時就 不再向雙向可控硅發觸發信號，于是當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， 進而達到調節功率的目的，在本設計中，就是達到溫控的目的。 第四章 溫控系統軟件設計 本設計采用 labview 軟件開發虛擬儀器。整個系統可分為登錄系統模塊、 數據采集及處理控制模塊、數據存儲模

40、塊、查看歷史數據模塊、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。本章將先分別介紹各個功能子模塊，最后完成總的系統設計。 4.1 登錄系統設計 圖 4-1 登錄系統前面板 完整的系統設計都必須要有使用權限設置。本系統首先設計了一個登錄系 統。登錄系統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。當第一 次登錄系統時，會提醒用戶進行用戶名及登錄密碼的重新設置，當然，用戶也 可以主動進行用戶名及登錄密碼的修改。在重新設置用戶名及登錄密碼密碼時， 登錄系統會提示用戶輸

41、入管理員密碼，只有輸入正確的管理員密碼，才可以繼 續重置工作。前面板添加了一個指示燈，當正確登陸系統時會由紅色變為綠色。 當使用完系統后，點擊“退出程序”按鈕就可以退出系統。 當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中。設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”，會出現一個對話框， 在對話的類別欄中選擇窗口外觀，

42、將對話框頁面切換到窗口顯示屬性頁面，如 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，彈出自定義窗口外觀對話框，如圖 4-6 所示， 在對話中選擇“調用時顯示前面板”和“如之前未打開則在運行后關閉”。 如此一來，登錄系統后主程序會作為子 vi 被調用，且主程序前面板會彈 出來，供用戶設置。選中“如之前未打開則在運行后關閉”選項后，則當主程序 運行結束后，其前面板會自動消失。 圖 4-6 子 vi 窗口外觀對話框 4.2 數據采集及處理控制模塊的設計 數據采集及處理控制模塊時本系統的重中之重設計，實現的主要功能包

43、括 溫度信號的采集、采集數據的處理、pid 控制信號的產生等，每個功能模塊又 可以分為若干子模塊，本節內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典型框架為：傳感器信號調理器數據采集設 備計算機。傳感器將被測量的溫度信號轉化為電信號；信號調理器對電信號 進行 放大、濾波、隔離等預處理；數據采集設備主要功能是將模擬信號轉化 為數字信號、此外一般還有放大、采樣保持、多路復用等功能。 數據采集系統一般由數據采集硬件、硬件驅動程序和由數據采集函數編制 的軟件幾個部分組成14。如前所述，本設計采用 ni usb-6009 多功能數據采集 卡。所謂硬件驅動程序就是應用軟件驅

44、動硬件正常工作的編程接口。硬件驅動 程序包含著相應硬件可以接受的由軟件發出的操作命令，完成軟件與硬件之間 的數據傳遞。借助于強大的硬件驅動程序，labview 的編程工作將會大大簡化， 開發效率顯著提高，開發成本也明顯降低。本設計采用的硬件驅動程序為 ni- daq8.6.1 版本。 本設計要求加熱爐溫度穩定在 80，允許有1誤差，故設置溫度范圍為 0100。采集數據只有模擬量溫度信號，故為單通道數據采集。數據采集卡 和計算機之間進行數據傳輸時，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 ai

45、0ai5，模擬輸出通道 ao0、ao1，數字 i/o 通道為 p0.0p0.7，p1.0p1.3。所謂虛擬通道是一系列設置的集合，包括通道 名、對應的物理通道、信號連接方式、測試類型和標度等。本設計物理通道選 擇 ai0、ao0，對應的虛擬通道為 dev1/ai0、dev1/ao0。 由數據采集函數編制溫度數據采集軟件，主要步驟如下15： (1) 調用 daqmx create virtual channel.vi 創建虛擬通道，并配置相應的物 理通道、采樣數據的最大值和最小值、輸入端配置方式。 (2) 調用 daqmx timing.vi，并設置采樣速率、采樣模式、緩存大小。 (3) 調用

46、daqmx start task.vi，將采集任務轉換到運行狀態。 (4) 調用 daqmx read.vi。這是一個多態 vi，根據數據采集的類型、讀取 數據的數量和要求返回數據的類型，有許多子 vi 可以選擇。圖 4-7 所示是本設 計所選擇的 vi。 圖 4-7 daqmx 讀取多態 vi 的子 vi 選擇 (5) 調用 daqmx clear task.vi，此 vi 首先中止采集任務然后釋放掉所有 資源。 按照如上步驟，編寫的溫度數據采集模塊的程序框圖如圖 4-8 所示。 通過數據采集前面板，可以設置物理通道、輸入端配置、采樣方式、采樣 速率、采樣數據的最大值和最小值。設置好個參數后

47、，點擊“開始采樣”按鈕， 就可按照設置好的參數采集溫度數據，并可在波形圖給予顯示。采集完成后， 點擊“停止采集”按鈕，即可停止本次數據采集操作。 圖 4-8 數據采集模塊程序框圖 4.2.2 采集數據的處理 采集到的溫度數據一般要經過處理再將數據送去顯示、存儲、打印等他操 作。本設計的數據處理主要有三個方面，第一個是數據濾波，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。 濾波技術是信號處理技術的重要分支。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。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。本設計采用

48、帶 通濾波器。 由于計算機只能處理有限長度的信號，因此原始信號要以采樣時間 x t 截斷，即有限化，成為離散信號后在進一步處理。信號的有限化也稱為t x t 加窗處理。labview 軟件中有許多窗函數。窗函數主要用于對截斷處的不連續 變化進行平滑，減少泄露。此外，窗函數還具有減少噪聲干擾的作用。窗函數 有很多種，常用窗函數主要有 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。考慮到窗函數的作用，本設計選

49、用 fir 加窗濾波器。數據濾波的 前面板和程序框圖如圖 4-9 所示。 圖 4-9 數據濾波的程序框圖 零點誤差又稱零輸入誤差，既無被測信號輸入時測試系統的響應。在測試 系統中零點誤差包括以下兩個部分： (1) 測試系統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、干擾誤差，即靜態噪聲和靜態干擾誤差。 零點誤差會嚴重影響測量數據的真實性，必須采取措施消除或減小零點誤 差的影響。本設計有對零點誤差的處理環節，如圖 4-10 所示。 圖 4-10 零點誤差處理 由于零點誤差會隨環境的變化而相應改變，所以本系統還設計了零點誤差

50、采集環節。當需要更新零點誤差數值是，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 此程序將采集到的零點誤差先排序，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，將對應參數值的大小轉換成能直接顯示有量綱的被測工 程量數值，也稱工程轉換。標度變換有線性和非線性之分。本設計采用 pt100 作為溫度敏感，在 0100內有較好的線性度，故本設計采用線性標 度變換。 圖 4-12 線性標度變換 線性變換后的數據 要用來轉換成對應的溫度，本設計采用 labview

51、 軟件 提供的轉換 rtd 讀數節點，此節點位于函數編程數值縮放子選板 中。 轉換 rtd 讀數節點對應于公式 3.1，通過輸入的電壓、給定的傳感器激勵 電流，反計算出對應的溫度值。對于此節點，當傳感器激勵電流為 0.00124a 時， 輸入電壓 0.1240050.17174v 對應于輸出溫度 0100。故本標度變換的 任務為將采樣的電壓信號 15v 線性變換為 0.1240050.17174v，變換程 序框圖如圖 4-12 所示。 4.2.3 控制信號的產生 電加熱爐是一個復雜的被控對象，具有非線性、大滯后、時變性、升溫單 向等特點。本設計采用的電加熱爐數學模型如式 4-1 所示。式中，設

52、 =1，=10 ,=3 。ktss (4-1) 1 s c ke gs ts 在工程實踐中，應用最廣泛的調節器控制算法為 pid 控制算法。pid 控制 器結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一 17。本設計也采用 pid 控制算法。pid 調節器的調節規律如式 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 仿真結果 (4-2) 0 d d d t pid e uk eke tk t 或寫成 (4-3) 0 1d d d t pd i e ukee tt

53、 tt pid 調節器的參數整定有多種方法，除理論計算法外，還有臨界比例度法、 衰減曲線法、反應曲線法、最佳整定法和經驗法。本設計采用臨界比例度法， 使用 matlab 仿真，仿真結果如圖 4-13 所示。 此時，=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 控制信號產生環節 pid 產生的控制信號要通過 ni usb-6009 的模擬輸出通道輸出去控制 pwm 波產生電路。pid 節點的 process variable 端連接的是轉換 rtd 讀數節點 輸出的 0100溫度信號，pi

54、d 節點的 setpoint 端連接的是溫度設定值 80。 控制信號的輸出要經過數據采集卡ni usb-6009 的 ao 端，輸出幅值為 05v，故 pid 的輸出不能直接輸出，需要經過一定的處理方案。本設計的 處理方案如下 ：當溫度小于等于 75時，不采用 pid 算法，直接輸出 0v；當溫度大于等于 85時，也不采用 pid 算法，直接輸出 +5v；當溫度 值大于 75且小于 85時，采用 pid 算法，為了限制 pid 的輸出在 05v 內，本設計采用公式節點編寫了一個飽和函數，如程序框圖4-14 所 示。 pid 產生的控制信號經轉換后，需要通過數據采集卡輸出，去控制硬件電 路。控制

55、信號輸出程序框圖如圖 4-15 所示。 圖 4-15 控制信號輸出程序框圖 4.3 數據存儲模塊 labview 進行數據存放一般使用下面 4 種格式的文件，分別是二進制文件、 數據記錄 datalog 文件、波形數據文件和文本文件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 來讀取或處理數據。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 用在測試測量領域的通用數據 文件格式，labview、labwindows、signal express、diadem 中都可以

56、用，也 常看到在 excel、matlab 中被調用。tdms 文件較其他文件，有如下優勢：讀 寫文件速度快、支持隨機讀取、支持分別讀寫描述性信息和原始數據等19。 本文采用文本文件和 tdms 文件兩種數據存儲格式，下面分別予以介紹。 4.3.1 數據存入文本文件 由于文本文件的特點，數據的存儲格式首先選擇文本文件。將采集到的電 壓數據和轉換后的溫度數據存儲到指定位置的程序框圖如圖 4-16 所示。 選擇前面板的、文本框， 可以指定電壓數據和溫度數據的存儲位置。此程序，除將電壓溫度數據存儲起 來外，采樣時間也同時被存儲起來。 圖 4-16 電壓數據、溫度數據存儲到文本文件 4.3.2 數據存

57、入 tdms 文件 在 labview 程序框圖的函數編程文件 i/otdms 流子模板中含有關 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 數據存入 tdms 文件 將采集時間、電壓數據、溫度數據、溫度設定值存入 tdms 文件的程序框 圖如圖 4-17 所示。 如上程序框圖所示，本程序設計了三個組，每個組有一個通道。第一個組 為“采集時間”，其通道有“時間”；第二個組為“采集數據”，它有兩個通道，即 “電壓信號”和“溫度信號”通道；第三個組為“溫度設定值”，它有通道“溫度設定 值”。其數據存儲結構如圖 4-18 所示。 4.4 歷史數據查看

58、模塊 對應于 4.3 節的數據存儲文件，歷史數據查看有兩種方式，即查看文本文 件和查看 tdms 文件。本節將介紹這兩種查看方式。 圖 4-18 停止存儲數據時彈出的 tdms 文件查看器 4.4.1 文本文件查看方式 查看文本文件，是將已經存儲在計算機中的歷史數據再次顯示出來。顯示 出來的數據既可以以原數據的形式顯示出來，又可以經過簡單處理以波形的形 式顯示出來。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 查看歷史數據前面板 圖 4-20 查看歷史數據程序框圖 為了對上述兩種查看文本文件方式進行選擇，本程序設計利用三按鈕對話

59、 框節點，設計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。我們根據實際需要，選擇相應的查看方式。 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 與數據存入 tdms 文件相對應，當需要查看已經存儲于計算機中的 tdms 文件時，就需要編寫查看 tdms 文件的程序。本設計編寫的相應程序的前面板 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“采集時間”組中的“時間”通道數據讀取出來， 再將“采樣數據”組中的“電壓信號” 通道和“溫度信號”通道中的數據讀取出

60、來， 然后一起送入多列列表框中進行顯示。為了方便顯示，創建了多列列表框的“項 名”屬性節點。 圖 4-23 查看 tdms 文件程序框圖 4.5 打印模塊 打印模塊的主要功能是將歷史數據(本設計中主要指存儲于文本文件中的歷 史數據)或前面板打印出來，以便對系統及數據作進一步的分析。本設計的打印 既可以使用打印機打印，又可以只在網頁上進行顯示。打印模塊前面板如圖 4- 24 所示。 圖 4-24 打印模塊前面板 通過點擊打印方式按鈕，可以選擇打印機打印或只在網頁顯示。編寫程序 時，為了將前面板打印出來或在網頁上顯示，本設計使用了“添加前面板圖像至 報表”vi，即，具體程序如圖 4-25 所示。