基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计毕业设计

1、摘 要 本论文要做的课题是基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计，要求加热 炉温度稳定在 80，允许有 1的误差。 本论文采用美国 ni 公司虚拟仪器开发软件 labview8.5 开发出一套 低温电加热炉温度控制系统。系统具体设计方案如下：由传感器测得的炉温 信号经过变送环节送给数据采集卡，采集卡对信号进行a/d 转换后传输 至虚拟仪器，虚拟仪器中的pid 算法对信号处理后产生控制信号，再经过 采集卡 d/a 转换后输出控制 pwm 波产生电路，改变 pwm 波占空比，产 生的 pwm 波经过光耦 moc3041 控制双向可控硅的通断，以此改变加在 电阻上的电压，达到温控目的。 本论文首先按照上述

2、设计方案设计了硬件电路，接着进行系统软件的 设计。经过简单的实验，系统可以正常采集数据并显示。 关键词：虚拟仪器，labview，温控系统，过零调功，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 录 摘 要.i abstract (英文

7、摘要) . 目 录. 第一章 绪论.1 1.1 课题的研究的目的和意义.1 1.2 国内外发展状况.1 1.3 本设计要做的工作.3 第二章 虚拟仪器及 labview 简介.4 2.1 虚拟仪器的基本概念.4 2.2 虚拟仪器的特点及应用.4 2.3 labview 的含义.5 2.4 labview 的发展.6 2.5 labview 的结构 .6 2.6 labview 的优势.6 第三章 系统总体方案及硬件电路设计.7 3.1 系统总体方案.7 3.2 硬件电路设计.7 3.2.1 传感器的选型 .7 3.2.2 数据采集卡的选型 .9 3.2.3 pwm 波产生电路的设计 . 11

8、3.2.4 交流过零触发 pwm 脉宽调功原理 . 12 第四章 温控系统软件设计.14 4.1 登录系统设计. 14 4.2 数据采集及处理控制模块的设计. 17 4.2.1 温度信号的采集 . 17 4.2.2 采集数据的处理 . 19 4.2.3 pid 控制信号的产生 . 22 4.3 数据存储模块. 24 4.3.1 数据存入文本文件 . 24 4.3.2 数据存入 tdms 文件 . 25 4.4 历史数据查看模块 . 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 打印模块 . 39 4.6 网络通信模块 . 30 4.6.1

9、datasocket 的数据传输 . 31 4.6.2 在 web 上发布程序 . 33 4.7 加热炉温控系统的集成 . 34 总结.37 参考文献.38 致谢.39 第一章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 电加热炉被广泛应用于工业生产和科学研究中。由于这类对象使用方便， 可以通过调节输出功率来控制温度，进而得到较好的控制性能，故在冶金、机 械、化工等领域中得到了广泛的应用。 在许多工业过程控制中，工业加热炉是关键部件，炉温控制精度及其工作 稳定性已成为产品质量的决定性因素。温度控制不好，将给企业带来不可弥补 的损失。同时，优良的加热炉温控系统，不但可以保障工业生产的顺利进行， 还可以大

10、幅度提高生产效率，节约能源资源，降低生产成本，贡献低碳社会。 因此，优良且可靠的加热炉温控系统在工业生产中是十分必要的。 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，现代测控技术越来越离不开计算机。 美国 ni 公司顺应时代发展，适时提出虚拟仪器概念。通过几年的发展，虚拟 仪器已广泛应用于国民生产各个环节。本课题采用 ni 公司的虚拟仪器开发软 件 labview8.5，开发设计出一款低温加热炉温控系统。 1.2 国内外发展状况 电阻炉通过利用电源使得炉腔内的加热介质或电热元件发热，以此对物料 或工件进行加热的工业炉。在机械工业中，电阻炉主要用于金属锻压前加热、 钎焊、金属热处理加热、玻璃陶瓷焙烧和退火

11、、粉末冶金烧结、砂型和油漆膜 层的干燥、低熔点金属熔化等工序1。 自从发现楞茨-焦耳定律这一电流的热效应以后，电热法最先应用于家用电 器，后来在具有陶瓷纤维电阻的实验室小电炉中也采用此法。到 20 世纪 20 年 代，伴随着镍铬合金的发明及广泛应用，在工业领域，电阻炉已得到了广泛的 普及。工业领域使用的电阻炉一般说来由电热元件、金属壳体、砌体、炉用机 械和电气控制系统、炉门等部分组成。不同结构的电阻炉的加热功率大不相同， 低功率的不足一千瓦，大功率的可达数千千瓦。根据工作温度的不同，电阻炉 可分为低温炉、中温炉和高温炉。低温炉的工作温度在 650以下，中温炉的 工作温度为 6501000，高温

12、炉的工作温度 1000以上。它们的加热方式也 不同：高温和中温炉主要采用辐射方式加热，低温炉主要采用对流传热方式加 热。 电加热炉随着科学技术的发展和工业生产水平的提高，已经在冶金、化工、 机械等各类工业控制中得到了广泛应用，并且在国民经济中占有举足轻重的低 位。电热炉是具有非线性、大滞后、时变性、升温单向等特点的控制对象。目 前，对于加热炉温控系统的设计大多是由单片机作为控制单元的,经过 pid 算法， 由单片机控制功率控制元件，进而达到温控目的。功率控制元件多采用可控硅、 固态继电器，也有采用传统的继电接触器进行控制。采用可控硅作为功率控 制元件，调功方式主要有可控硅移相调压和双向可控硅过

13、零调功2。 基于单片的温控系统的缺点也很明显，比如系统硬件开销大，程序设计比 较复杂，开发周期较长，实现的功能比较单一等等。随着计算机技术的发展， 将单片机与计算机相结合，以单片机作为下位机，以计算机作为上位机，已成 为设计者普遍采用方法。 此外，在控制算法上，当对温控系统有较高的设计要求时，传统的 pid 算 法可能满足不了要求。所以，也有人将模糊神经网络算法引入到加热炉温控系 统中。如此一来，既能用模糊规则来描述神经网络的推理过程，有可以通过神 经网络来不断调整模糊规则；既能处理加热炉生产过程中的模糊和不确定因素， 又可以适应加热炉对象的非线性和时变性。 伴随着计算机技术、通信技术、微电子

14、技术、软件技术的迅速发展，测量 领域内不断涌现出新的测量理论、测量方法和新的仪器结构，传统仪器的概念 越来越受到新技术新思想的挑战。特别是计算机软件技术与将计算机作为核心 的仪器系统的紧密结合，出现了一种全新的仪器虚拟仪器(virtual instrument，vi)，引发了仪器概念的突破性变革。 虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器，它根据仪器的需求， 组成数据采集系统。研究虚拟仪器主要涉及两方面的基础理论，即数字信号处 理和计算机数据采集。目前，仪器技术发展的一个重要方向是将仪器与计算机 紧密结合。概括起来，这种结合有两种方式。第一种方式，把计算机载入仪

15、器 中，智能化的仪器就是采用这种方式。由于计算机的功能越来越强大并且体积 日趋缩小，采用这种方式构成的仪器的功能也越来越强大。第二种方式，把仪 器载入计算机中，以计算机硬件及其操作系统为平台，实现仪器的各种功能。 采用第二种方式的主要是虚拟仪器。 1986 年，虚拟仪器的概念在美国 ni 公司诞生。时至今日，虚拟仪器技术 已成为当代测控领域的热点技术。其发展大致可分为如下三个阶段3。 (1) 采用计算机技术增强仪器的各功能。通过 rs-232c 和 gpib 总线，用 户就可以将传统仪器与计算机连接起来，就可以实现使用计算机来进行仪器的 控制了。 (2) 仪器结构更加开放。仪器的发展离不开技术

16、的进步，插入式的计算机 数据采集卡和 vxi 总线标准的确立这两大硬件技术进步，促使仪器的结构得以 开放，使得由用户定义仪器功能和由供应商定义仪器功能的区别得以消除。 (3) 虚拟仪器的结构框架得到了广泛的认可和采用。像在软件领域中一样， 虚拟仪器开始采用面向对象技术，在构建虚拟仪器时，它把用户需要知道的东 西封装起来，使得编程更加简便高效。在虚拟仪器的硬件和软件领域中，已经 产生了许多行业标准，几个虚拟仪器的平台已经得到广泛认可。 目前在这一领域内，使用较为广泛或者说首选的虚拟仪器开发软件是美国 ni 公司的 labview。采用 labview 开发加热炉温控系统，可以充分发挥 g 语言(

17、graphics language，图形化编程语言)编程的优势。 1.3 本设计要做的工作 根据电加热炉大惯性、大滞后的特点，采用 pid 控制算法，由虚拟仪器控 制实现交流过零触发 pwm 脉宽调功，功率控制器件选用双向可控硅。硬件的 设计任务主要：有温度传感器、数据采集卡的选型，pwm 波产生电路的设计 等。软件的设计任务主要有：采集数据的处理、存储、显示、打印，pwm 波 控制信号的输出，通信功能的实现等。 第二章 虚拟仪器及labview简介 2.1 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定 义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的

18、一种计算机仪器系统 4。传统的电子仪器的主体为硬件，虚拟仪器的出现突破了这种模式。与传统 的电子仪器相比，它更为通用。随着当代科学技术的迅猛发展，人们对测量仪 器不断提出新的要求，虚拟仪器更能适应这种要求，它推动着传统仪器朝着虚 拟化、模块化、数字化、网络化的方向发展。 虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能、用户无法改变的 固定模式。虚拟仪器技术给了用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间。用 户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应 用需求。 虚拟仪器中的“虚拟”有两个方面的含义5，分别表现在： (1) 虚拟的仪器前面板。传统的仪器面板上的控件都是物理实

19、物，都遵循 现实的物理规律，必须通过手动或触摸进行操作。在要实现的功能方面，虚拟 仪器的前面板上的控件和传统的仪器控件没有什么区别；在外形上，两类控件 非常相像；在原理上，传统仪器控件的操作对应着相应物理过程，如按键触点 的碰触，而虚拟仪器控件的操作对应着相应的软件程序。通过程序实现的功能。 (2)与传统仪器通过硬件来实现测控功能不同，虚拟仪器通过软件编程，来 实现与实物一样的测控功能。 2.2 虚拟仪器的特点及应用 虚拟仪器技术集合了多种现代化技术于一身，包括计算机技术、图形处理 技术、智能测试技术、模块及总线的标准化技术、数字信号处理技术等。虚拟 仪器具有模块化、标准化、积木化、系列化的软

20、件和硬件平台，是一个完全开 放的系统，它具有下列一些技术特点6。 (1) 传统仪器的功能被虚拟仪器丰富和增强 为了充分利用计算机具有的强大的数据处理、 数据传输和数据发布的能力， 以便更加简便灵活地组建仪器系统，虚拟仪器集中将数据分析处理、数据显示 存储及打印和其他必要的操作都交给计算机来处理。 (2) 虚拟仪器进一步突出了“软件即仪器”的概念 虚拟仪器利用软件代替传统仪器中的某些硬件，利用软件实现硬件的功能， 诠释了“软件即仪器”的概念。 (3) 用户可以自己定义仪器的各种功能 虚拟仪器为用户提供了重要的源代码库。当组建自己的虚拟仪器时，利用 源代码库，用户可以很方便地实现、修改仪器的各种测

21、控、通信功能,让用户可 以充分发挥自己的能力和想象力。 (4) 虚拟仪器的行业标准非常开放 虚拟仪器的软件及硬件都具有开放的行业标准，利用虚拟仪器的标准，用 户可以统一对仪器进行设计、管理和使用，可以提高资源的可重复性利用率， 使得管理更加规范，仪器功能更加易于扩展，仪器的开发和维护费用更加降低。 (5) 经济性好，易于组建成更为复杂的测试系统 虚拟仪器是基于软件体系结构的，传统仪器是基于硬件体系结构的，用虚 拟仪器代替传统仪器，可以节约大量的购买和维护成本。而且，与传统仪器相 比，虚拟仪器更容易组建成复杂的分布式测试系统，因为虚拟仪器可以利用高 速计算机网络，很方便地实现远程通信、监控、测试

22、和故障诊断等功能。 虚拟仪器作为新兴的仪器代表，由于具有绝对的技术优势，被广泛应用于 电子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、军事、教育等各个 领域。从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验 室到工厂企业，从探索研究到技术集成，都可以发现虚拟仪器技术的应用成果。 2.3 labview 的含义 labview(laboratory virtual instrument engineer workbench，实验室虚拟仪 器集成环境)是一种图形化的编程语言(又称 g 语言)，它是由美国 ni 公司推出 的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图

23、形化软件 集成开发环境之一7。 2.4 labview 的发展 1986 年，美国 ni 公司于正式推出了 labview1.0，现在已发展到 2011 版 本。20 多年来，经过公司的不断改进和完善，labview 的功能更加丰富完备： 包含众多附加软件包，比如控制与仿真、统计过程控制、高级数字信号处理、 模糊控制、pid 和 pda 等；可运行于多种平台，比如 macintosh、unix、windows 和 linux 等。作为一个具有强大功能的标准的虚 拟仪器开发平台，labview 广泛地被研究实验室、学术界及工业界所接受，广 泛地应用于航空航天、工业控制、电子半导体、汽车和通信等众

24、多领域。 2.5 labview 的结构 利用 labview 软件开发的虚拟仪器，包括前面板和程序框图两个主要部 分。 前面板就是虚拟仪器的测试界面，是由形象化的控件组成的，可以高度模 拟传统仪器中的各种控件。通过前面板，用户可以展现包括参数设置、菜单、 结果显示等各种测试交互接口。 程序框图类似于传统编程语言中的程序源代码，是测试系统中的数据处理 的流程。程序框图与前面板对象一一对应，程序框图中的数据流对应于前面板 对象的相关操作。程序框图采用图形化节点进行编程，使编程更加简便、高效。 2.6 labview 的优势 概括地说，作为一款成功的虚拟仪器开发软件， labview 具有许多明显

25、 的特点和优点，如：采用图形化编程语言，开发效率高，支持多种仪器和数具 采集卡硬件的驱动，调试、查错能力强大，支持多种操作系统，网络通信功能 强大等诸多优点8。正是由于 labview 软件具有的这些优点，使得 labview 成为开发虚拟仪器的首选平台。 第三章 系统总体方案及硬件电路设计 3.1 系统总体方案 基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计方案结构框图如 3-1 所示。 电 加 热 炉 传 感 器 采 集 卡 计算机 labview 光耦 双向 可控 硅 pwm 波产生 电路 图 3-1 系统总体方案结构框图 这是一个闭环控制系统，根据加热炉大惯性、大滞后的特点，采用 pid 控 制算法

26、，由虚拟仪器控制实现交流过零触发 pwm 脉宽调功9，功率器件选用 双向可控硅。具体设计方案如下：由传感器测得的炉温信号经过变送环节送给 数据采集卡，采集卡对信号进行 a/d 转换后传输至虚拟仪器，虚拟仪器中的 pid 算法对信号处理后产生控制信号，再经过采集卡 d/a 转换后输出控制 pwm 波产生电路，改变 pwm 波占空比，产生的 pwm 波经过光耦 moc3041 控制双向可控硅的通断，以此改变加在电阻上的电压，达到温控目的。 3.2 硬件电路设计 硬件电路的设计包括传感器的选型、测温电路的设计、数据采集卡的选型、 pwm 波产生电路的设计、光耦及双向可控硅的选型、交流过零触发 pwm

27、 脉宽 调功电路设计。 3.2.1 传感器的选型 温度敏感元件选用 pt100。铂电阻的物理化学性能非常稳定，精度高，耐 氧化性强，且电阻率较高、复现性好。可用作基准电阻和标准热电阻。铂电阻 的温度测量范围为-200850。铂电阻的阻值与温度的关系是一个典型的非线 性函数，一般工业用的铂电阻可以用式 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，为温度在 时的电阻值，、和为常数，其值分别为： t rtabc ；。 3 3.9083 10 1/ ca 72 5.775 10

28、 1/ cb 124 4.183 101/ cc 本设计选用一体化传感器。一体化的温度传感器集温度敏感元件和变送 单元于一体。首先，温度敏感元件将温度信号转化为微弱的电信号，再经过 信号的调理放大环节，最后再由线性电路对温度数据进行非线性补偿，输出 420ma 的恒流信号。一体化温度传感器的采用，简化了系统硬件电路的 设计。具体型号采用锦州精微仪表有限公司的wzpkkb2312y1 400/250-20.2%(0400)。 常用的 pt 电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将 pt100 的两侧相等长度的导线分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用 的温度测量电路主要有两种

29、：一种是桥式测温电路，可分为两线制、三线制、 四线制桥式测温电路；另一种是恒流源式测温电路。在热电阻测温系统中，引 线电阻的大小对测量结果有很大的影响。恒流源式测温电路可以消除引线电阻 的影响，本设计就是采用恒流源式测温电路，其测温电路图如图 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 图 3-2 恒流源测温电路 对于 lm358，放大器工作于线性运放状态，根据虚短和虚断概念， ，得流过 pt100 的恒定电流为 0.00124。4.096uuv 1001 o pt uu rr a

30、3.2.2 数据采集卡的选型 数据采集(daq)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中 自动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析、处理。 被测 物理 量 传 感 器 信 号 调 理 数 据 采 集 卡 计 算 机 图 3-3 数据采集系统结构 数据采集系统是通过测量软、硬件产品的有机结合来实现灵活的、具有用 户自定义功能的测量系统，它基于计算机或者其他专用测试平台。数据采集系 统的结构如图 3-3 所示11。 一般的数据采集过程如图 3-4 所示。框图中的相关采样参数包括以下几个： 采样通道，即需要由多路开关进行扫描的通道；采样次数，即多路开关对通道 进行扫描的次数；采样频率

31、，即单位时间内多路开关对通道进行一次扫描的次 数；数据缓存大小，确定数据采集卡的数据缓存可以存储多少扫描得来的数据。 数据采集卡，就是实现数据采集(daq)功能的计算机扩展卡。数据采集卡 的主要性能指标主要有通道数、采样频率、分辨率、精度、量程等，根据实际 需要，选择具有相应性能的采集卡。 选择数据采集卡时，要根据具体的采集任务，及现有的技术资源。本设计 要求数据采集卡要采集一路模拟信号，输出一路模拟控制信号，要求输入分辨 率为 12 位，采样速率为 10ks/s,输出分辨率为 12 位，故采用的数据采集卡为美 国 ni 公司的 ni usb-6009 多功能数据采集卡。ni usb-6009

32、 的主要技术指标如 下：8 个模拟输入通道(14 位、48ks/s 采样速度，ai0ai7)，2 路 12 位模拟输 出通道(150 s/s，ao0，ao1)，12 个 i/o 通道(p0.0p0.7，p1.0p1.3)，1 个 32 位计数器/定时器(pfi0)。 数据采集vi传递相 关参数给数据卡 采样开始，多路开 关对采样通道依次 扫描，每通道采样 一个点 采样的模拟信号送 到a/d转换器转换 成数字信号 数据信号存储到数 据缓存中 完成所需的采 样次数？ 从数据采集卡的数 据缓存中读取数据 到计算机内存中， 完成数据采集工作 否 是 图 3-4 数据采集过程框图 ni usb-6009

33、 数据采集卡具有单端和差动两种输入模式，连接参考单端电 压信号和连接差分电压信号。本设计采用后面一种输入模式。 连接差分电压信号时，输入信号的正负极分别接入采集卡的“ai+” “ai-”通 道，它能够抑制接地回路感应误差，消除共模干扰，是一种比较理想的输入模 式。 连接差分电压信号电路图如图 3-5 所示，将输入信号的正极连接到 ni usb-6009 数据采集卡的“ai+”通道，输入信号的负极连接到数据采集卡对应的 “ai-”通道。 ai+ ai- ni usb-6009 电压源 图 3-5 连接差分电压信号 3.2.3 pwm 波产生电路的设计 本设计采用硬件搭建 pwm 产生电路，主要由

34、三角波发生器、电平比较器、 施密特触发器组成，原理框图如图 3-6 所示。 其原理为，首先，三角波发生器产生频率恒定的三角波，三角波和 labview 编写的虚拟仪器产生的控制信号通过在电平比较器中比较，产生占空 比由控制信号决定的 pwm 脉冲波，之后经过施密特触发器滤除电平附近由于 干扰产生的振荡成分，使波形规则化，产生标准的 pwm 波。 labview 控制信号电平比 较 器 施密特 触发器 三角波 发生器 pwm 波 图 3-6 pwm 波产生电路 三角波发生器选用 max038，它使用很少的外部元器件就可以产生精确、 高频率的三角波信号。利用内部 2.5v 基准电压配以外部的电阻电

35、容就可以产生 频率为 0.1hz20mhz 的三角波。电平比较器选用 lm339，施密特触发器采用 74ls14。产生 pwm 波电路图如图 3-7 所示。 三角波周期计算公式为 (3-3)/ inf fic 其中， (3-4)/ ininin iur 为基准电源电压，其值为 2.5v。 in u 本设计中。labview 输出的控制信号的控制周期为 1s，与之对50 in rk 应，产生的三角波周期也应为 1s。即,所以。产生的/1s inf fic50 f cuf 三角波幅值最大为 1v，而 labview 输出的控制信号幅值为 05v，故采用 lm318 对三角波进行信号放大，使得三角波

36、幅值也在 05v 内变化。 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 图 3-7 pwm 波产生电路 3.2.4 交流过零触发 pwm 脉宽调功原理 采用可控硅作为功率控制元件，功率控制方式主要有两种，即可控硅移相 调压和双向可控硅过零调功。可控硅移相调压方式通过改变触发脉冲触发角来 改变可控硅导通角，进而改变电压值。此方式需要具有准确相角的触发脉冲12， 系统设计较复杂，而且通过负载的不是完整的正弦波，会产生高次谐波，造成 电网电压波形畸变，影响其他用电设备。双向可控硅过零调功既具有较好的控 制精度，又不存在可控硅移相调压方式具有的一切缺点，它是在交流电过零时 触发双向可控硅的导通，使得流过

38、负载的电压电流是完整的正弦波，不存在波 形畸变。而且，对触发脉冲的相位要求也大大降低，触发时只需外加一个过零 检测电路既可。所谓过零检测，就是检测交流电压或电流的过零点。本设计采 用后一种调功方式。 交流过零触发 pwm 脉宽调功原理如图 3-8 所示13。图中，光耦选用了过 零双向可控硅型光耦 max3041，它集光电隔离、过零检测、过零触发等功能 于一体，简化了输出通道隔离、驱动电路的结构。 r1 r3 r2 c1 moc3041 vcc ac220v pwm一一 12 a74f04 npn 一一一一一一 图 3-8 交流过零触发 pwm 脉宽调功原理 电路分析如下。当 pwm 控制脉冲为

39、高电平，且光耦 moc3041 检测到电 压过零点时，光耦中的光敏双向可控硅导通，发出触发信号触发双向可控硅导 通。此后，只要 pwm 波一直是高电平时，双向可控硅就一直导通，使得负载 上通过的是完整的正弦波。当 pwm 脉冲变为低电平时，光耦在电压过零时就 不再向双向可控硅发触发信号，于是当电压再次过零时双向可控硅截止，电流 不再流过负载。通过改变 pwm 波占空比，就可以控制流过负载的电压周波数， 进而达到调节功率的目的，在本设计中，就是达到温控的目的。 第四章 温控系统软件设计 本设计采用 labview 软件开发虚拟仪器。整个系统可分为登录系统模块、 数据采集及处理控制模块、数据存储模

40、块、查看历史数据模块、打印模块、通 信模块等各功能模块，最后将这些小的功能模块有机组合，组成完整的加热炉 温控系统。本章将先分别介绍各个功能子模块，最后完成总的系统设计。 4.1 登录系统设计 图 4-1 登录系统前面板 完整的系统设计都必须要有使用权限设置。本系统首先设计了一个登录系 统。登录系统前面板及程序框图如图 4-1、4-2 所示。用户进入主程序之前，需 要输入正确的用户姓名及登录密码，否则就不可以进行主程序的操作。当第一 次登录系统时，会提醒用户进行用户名及登录密码的重新设置，当然，用户也 可以主动进行用户名及登录密码的修改。在重新设置用户名及登录密码密码时， 登录系统会提示用户输

41、入管理员密码，只有输入正确的管理员密码，才可以继 续重置工作。前面板添加了一个指示灯，当正确登陆系统时会由红色变为绿色。 当使用完系统后，点击“退出程序”按钮就可以退出系统。 当用户填写不正确的用户名或密码时，会弹出如图 4-3 所示的对话框，直 至用户输入正确的用户名和密码。图 4-4 为用户重置用户名和密码时提醒用户 输入管理员密码的对话框。 图 4-2 登录系统程序框图 图 4-3 用户名或登录密码错误时的提示对话框 主程序以子程序的形式嵌入到登录系统中。设计主程序为子程序的方法为 单击主程序前面板的文件，在下拉菜单中选择“vi 属性”，会出现一个对话框， 在对话的类别栏中选择窗口外观，

42、将对话框页面切换到窗口显示属性页面，如 图 4-5 所示。 图 4-4 重置用户名及密码时提示输入管理员密码 图 4-5 子 vi 属性对话框 在对话框中单击自定义按钮，弹出自定义窗口外观对话框，如图 4-6 所示， 在对话中选择“调用时显示前面板”和“如之前未打开则在运行后关闭”。 如此一来，登录系统后主程序会作为子 vi 被调用，且主程序前面板会弹 出来，供用户设置。选中“如之前未打开则在运行后关闭”选项后，则当主程序 运行结束后，其前面板会自动消失。 图 4-6 子 vi 窗口外观对话框 4.2 数据采集及处理控制模块的设计 数据采集及处理控制模块时本系统的重中之重设计，实现的主要功能包

43、括 温度信号的采集、采集数据的处理、pid 控制信号的产生等，每个功能模块又 可以分为若干子模块，本节内容将一一给予详细介绍。 4.2.1 温度信号的采集 基于虚拟仪器的采集系统典型框架为：传感器信号调理器数据采集设 备计算机。传感器将被测量的温度信号转化为电信号；信号调理器对电信号 进行 放大、滤波、隔离等预处理；数据采集设备主要功能是将模拟信号转化 为数字信号、此外一般还有放大、采样保持、多路复用等功能。 数据采集系统一般由数据采集硬件、硬件驱动程序和由数据采集函数编制 的软件几个部分组成14。如前所述，本设计采用 ni usb-6009 多功能数据采集 卡。所谓硬件驱动程序就是应用软件驱

44、动硬件正常工作的编程接口。硬件驱动 程序包含着相应硬件可以接受的由软件发出的操作命令，完成软件与硬件之间 的数据传递。借助于强大的硬件驱动程序，labview 的编程工作将会大大简化， 开发效率显著提高，开发成本也明显降低。本设计采用的硬件驱动程序为 ni- daq8.6.1 版本。 本设计要求加热炉温度稳定在 80，允许有1误差，故设置温度范围为 0100。采集数据只有模拟量温度信号，故为单通道数据采集。数据采集卡 和计算机之间进行数据传输时，需要对物理通道和虚拟通道进行选择。所谓物 理通道就是被测试的信号或生成的信号实际进出计算机的路径，例如，ni usb-6009 上的模拟输入通道 ai

45、0ai5，模拟输出通道 ao0、ao1，数字 i/o 通道为 p0.0p0.7，p1.0p1.3。所谓虚拟通道是一系列设置的集合，包括通道 名、对应的物理通道、信号连接方式、测试类型和标度等。本设计物理通道选 择 ai0、ao0，对应的虚拟通道为 dev1/ai0、dev1/ao0。 由数据采集函数编制温度数据采集软件，主要步骤如下15： (1) 调用 daqmx create virtual channel.vi 创建虚拟通道，并配置相应的物 理通道、采样数据的最大值和最小值、输入端配置方式。 (2) 调用 daqmx timing.vi，并设置采样速率、采样模式、缓存大小。 (3) 调用

46、daqmx start task.vi，将采集任务转换到运行状态。 (4) 调用 daqmx read.vi。这是一个多态 vi，根据数据采集的类型、读取 数据的数量和要求返回数据的类型，有许多子 vi 可以选择。图 4-7 所示是本设 计所选择的 vi。 图 4-7 daqmx 读取多态 vi 的子 vi 选择 (5) 调用 daqmx clear task.vi，此 vi 首先中止采集任务然后释放掉所有 资源。 按照如上步骤，编写的温度数据采集模块的程序框图如图 4-8 所示。 通过数据采集前面板，可以设置物理通道、输入端配置、采样方式、采样 速率、采样数据的最大值和最小值。设置好个参数后

47、，点击“开始采样”按钮， 就可按照设置好的参数采集温度数据，并可在波形图给予显示。采集完成后， 点击“停止采集”按钮，即可停止本次数据采集操作。 图 4-8 数据采集模块程序框图 4.2.2 采集数据的处理 采集到的温度数据一般要经过处理再将数据送去显示、存储、打印等他操 作。本设计的数据处理主要有三个方面，第一个是数据滤波，第二个是消除零 点误差，第三个是标度变换。下面将分别予以介绍。 滤波技术是信号处理技术的重要分支。滤波就是指对信号的噪声干扰进行 抑制或衰减，并使有用信号正常通过的一种技术。按同频带范围分，滤波器可 分为低通滤器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器 4 类16。本设计采用

48、带 通滤波器。 由于计算机只能处理有限长度的信号，因此原始信号要以采样时间 x t 截断，即有限化，成为离散信号后在进一步处理。信号的有限化也称为t x t 加窗处理。labview 软件中有许多窗函数。窗函数主要用于对截断处的不连续 变化进行平滑，减少泄露。此外，窗函数还具有减少噪声干扰的作用。窗函数 有很多种，常用窗函数主要有 hamming 窗、hanning 窗、blackman 窗、kaiser 窗、triangle 窗、flat top 窗、exponential 窗等。 在 labview 程序框图中的函数信号处理滤波器选板中，提供了各种 各样滤波器。考虑到窗函数的作用，本设计选

49、用 fir 加窗滤波器。数据滤波的 前面板和程序框图如图 4-9 所示。 图 4-9 数据滤波的程序框图 零点误差又称零输入误差，既无被测信号输入时测试系统的响应。在测试 系统中零点误差包括以下两个部分： (1) 测试系统本身所具有的零点误差，如各种模拟电路、传感器以及仪器， 一般都存在零点误差和零漂； (2) 零输入时引入的外界噪声、干扰误差，即静态噪声和静态干扰误差。 零点误差会严重影响测量数据的真实性，必须采取措施消除或减小零点误 差的影响。本设计有对零点误差的处理环节，如图 4-10 所示。 图 4-10 零点误差处理 由于零点误差会随环境的变化而相应改变，所以本系统还设计了零点误差

50、采集环节。当需要更新零点误差数值是，进行一次零点误差采集就可以了。程 序框图如图 4-11 所示。 图 4-11 零点误差采集程序框图 此程序将采集到的零点误差先排序，去掉最大值、最小值后，再取平均值， 即为最终的零点误差。之后通过局部变量将最新的零点误差传递给图 4-12 中的 变量。 所谓标度变换，将对应参数值的大小转换成能直接显示有量纲的被测工 程量数值，也称工程转换。标度变换有线性和非线性之分。本设计采用 pt100 作为温度敏感，在 0100内有较好的线性度，故本设计采用线性标 度变换。 图 4-12 线性标度变换 线性变换后的数据 要用来转换成对应的温度，本设计采用 labview

51、 软件 提供的转换 rtd 读数节点，此节点位于函数编程数值缩放子选板 中。 转换 rtd 读数节点对应于公式 3.1，通过输入的电压、给定的传感器激励 电流，反计算出对应的温度值。对于此节点，当传感器激励电流为 0.00124a 时， 输入电压 0.1240050.17174v 对应于输出温度 0100。故本标度变换的 任务为将采样的电压信号 15v 线性变换为 0.1240050.17174v，变换程 序框图如图 4-12 所示。 4.2.3 控制信号的产生 电加热炉是一个复杂的被控对象，具有非线性、大滞后、时变性、升温单 向等特点。本设计采用的电加热炉数学模型如式 4-1 所示。式中，设

52、 =1，=10 ,=3 。ktss (4-1) 1 s c ke gs ts 在工程实践中，应用最广泛的调节器控制算法为 pid 控制算法。pid 控制 器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一 17。本设计也采用 pid 控制算法。pid 调节器的调节规律如式 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 图 4-13 pid 仿真结果 (4-2) 0 d d d t pid e uk eke tk t 或写成 (4-3) 0 1d d d t pd i e ukee tt

53、 tt pid 调节器的参数整定有多种方法，除理论计算法外，还有临界比例度法、 衰减曲线法、反应曲线法、最佳整定法和经验法。本设计采用临界比例度法， 使用 matlab 仿真，仿真结果如图 4-13 所示。 此时，=2，=0.2，=0.001，则=10s，=0.0005s。 p k i k d k= p i i k t k = d d p k t k 图 4-14 控制信号产生环节 pid 产生的控制信号要通过 ni usb-6009 的模拟输出通道输出去控制 pwm 波产生电路。pid 节点的 process variable 端连接的是转换 rtd 读数节点 输出的 0100温度信号，pi

54、d 节点的 setpoint 端连接的是温度设定值 80。 控制信号的输出要经过数据采集卡ni usb-6009 的 ao 端，输出幅值为 05v，故 pid 的输出不能直接输出，需要经过一定的处理方案。本设计的 处理方案如下 ：当温度小于等于 75时，不采用 pid 算法，直接输出 0v；当温度大于等于 85时，也不采用 pid 算法，直接输出 +5v；当温度 值大于 75且小于 85时，采用 pid 算法，为了限制 pid 的输出在 05v 内，本设计采用公式节点编写了一个饱和函数，如程序框图4-14 所 示。 pid 产生的控制信号经转换后，需要通过数据采集卡输出，去控制硬件电 路。控制

55、信号输出程序框图如图 4-15 所示。 图 4-15 控制信号输出程序框图 4.3 数据存储模块 labview 进行数据存放一般使用下面 4 种格式的文件，分别是二进制文件、 数据记录 datalog 文件、波形数据文件和文本文件18。文本文件是最容易使用 和共享的格式，它可以用文字处理软件或电子表格程序，例如 word 或 excel 来读取或处理数据。除了上述 4 种常见的文件格式，本文中还涉及到另外一种 文件 tdms 文件。tdms 文件格式可以称为 ni 用在测试测量领域的通用数据 文件格式，labview、labwindows、signal express、diadem 中都可以

56、用，也 常看到在 excel、matlab 中被调用。tdms 文件较其他文件，有如下优势：读 写文件速度快、支持随机读取、支持分别读写描述性信息和原始数据等19。 本文采用文本文件和 tdms 文件两种数据存储格式，下面分别予以介绍。 4.3.1 数据存入文本文件 由于文本文件的特点，数据的存储格式首先选择文本文件。将采集到的电 压数据和转换后的温度数据存储到指定位置的程序框图如图 4-16 所示。 选择前面板的、文本框， 可以指定电压数据和温度数据的存储位置。此程序，除将电压温度数据存储起 来外，采样时间也同时被存储起来。 图 4-16 电压数据、温度数据存储到文本文件 4.3.2 数据存

57、入 tdms 文件 在 labview 程序框图的函数编程文件 i/otdms 流子模板中含有关 于 tdms 文件所有操作。利用这些子 vi，编写 tdms 文件的读写程序。 图 4-17 数据存入 tdms 文件 将采集时间、电压数据、温度数据、温度设定值存入 tdms 文件的程序框 图如图 4-17 所示。 如上程序框图所示，本程序设计了三个组，每个组有一个通道。第一个组 为“采集时间”，其通道有“时间”；第二个组为“采集数据”，它有两个通道，即 “电压信号”和“温度信号”通道；第三个组为“温度设定值”，它有通道“温度设定 值”。其数据存储结构如图 4-18 所示。 4.4 历史数据查看

58、模块 对应于 4.3 节的数据存储文件，历史数据查看有两种方式，即查看文本文 件和查看 tdms 文件。本节将介绍这两种查看方式。 图 4-18 停止存储数据时弹出的 tdms 文件查看器 4.4.1 文本文件查看方式 查看文本文件，是将已经存储在计算机中的历史数据再次显示出来。显示 出来的数据既可以以原数据的形式显示出来，又可以经过简单处理以波形的形 式显示出来。前一种方式叫读盘，后一种方式叫波形回放，它们的前面板及程 序框图如图 4-19、4-20 所示。 图 4-19 查看历史数据前面板 图 4-20 查看历史数据程序框图 为了对上述两种查看文本文件方式进行选择，本程序设计利用三按钮对话

59、 框节点，设计出三种可供选择的查看方式，即“读盘”、 “回放”、 “读盘且回放” ，如图 4-21 所示。我们根据实际需要，选择相应的查看方式。 图 4-21 文本文件查看方式选择 4.4.2 tdms 文件查看方式 图 4-22 查看 tdms 文件前面板 与数据存入 tdms 文件相对应，当需要查看已经存储于计算机中的 tdms 文件时，就需要编写查看 tdms 文件的程序。本设计编写的相应程序的前面板 及程序框图如图 4-22、4-23 所示。 如程序框图所示，本程序先将“采集时间”组中的“时间”通道数据读取出来， 再将“采样数据”组中的“电压信号” 通道和“温度信号”通道中的数据读取出

60、来， 然后一起送入多列列表框中进行显示。为了方便显示，创建了多列列表框的“项 名”属性节点。 图 4-23 查看 tdms 文件程序框图 4.5 打印模块 打印模块的主要功能是将历史数据(本设计中主要指存储于文本文件中的历 史数据)或前面板打印出来，以便对系统及数据作进一步的分析。本设计的打印 既可以使用打印机打印，又可以只在网页上进行显示。打印模块前面板如图 4- 24 所示。 图 4-24 打印模块前面板 通过点击打印方式按钮，可以选择打印机打印或只在网页显示。编写程序 时，为了将前面板打印出来或在网页上显示，本设计使用了“添加前面板图像至 报表”vi，即，具体程序如图 4-25 所示。