068基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统-调压方案

1、PAGE PAGE 13内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书毕业论文题目：基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统调压方案学生姓名：戴宗娥学号：200440503107专业：测控技术与仪器班级：测控04-1班指导教师：李文涛 教授基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统调压方案摘 要电热水器是指用电加热的热水器。随着人民生活水平和环保平安意识的不断提高和我国电力工业的不断开展，电热水器越来越受到消费者的青睐，电热水器的使用得到不断普及。目前，平安、节能、多功能、智能化是其主要开展方向。本文采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW8.2设计了一个基于增量PID算式的电热水器温度控制系统。热电阻Pt100

2、采集到的热水温度信号通过调理电路转换为能被PCI-6221数据采集卡接受的0-10V的电压信号，然后通过板卡PCI-6221的模拟输入端AI0输入到计算机，在计算机上运行的LabVIEW程序对输入的数据进行分析处理后产生脉冲信号输出到PCI-6221的数字输出口P0.0上，去控制可控硅的通断，继而控制电热水器的加热过程。关键词：电热水器；温度控制；LabVIEW；数据采集卡Virtual Device-Based Electric Water Heater Temperature Control System-Pressure Adjustment PlanAbstractElectric w

3、ater heater is a water heater using electricity to heat water. Currently, with improving life of people, peoples 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 consumer

4、s and its use is popularizing increasingly. Currently, its main development direction is safety, energy efficiency, multi-purpose and intelligence.The thesis designs a PID algorithmic-based temperature control system for electric water heater by using LabVIEW8.2. The basic operating principle of the

5、 system is as follows: 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 through conditioning circuit, which is inputted into a computer by using simulative input port AI0 of the board PCI-6221. The LabVI

6、EW 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 control the connection with controllable silicon chip and to further control the heating process of electric water heater. Key words:E

7、lectric Water Heater；Temperature Control ；LabVIEW；Data Acquisition第一章 引言热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器。随着人们生活质量的提高，人们对电热水器的要求逐渐趋于智能化和数字化。平安、节能、多功能、智能化、数字化是其主要开展方向。目前市面上的电热水器的智能温度控制系统主要有两种：一种是基于单片机，还有一种是基于虚拟仪器。本文研究的就是基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统。所谓虚拟仪器(Virtual Instrument)，实际上就是一种基于计算机的融功能强大的应用软件、高性能的模块化硬件及驱动软件于一体的自动化

8、测试仪器系统。灵活高效的软件能创立完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统的设计本文研究的基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统主要是实现对电热水器温度的数据采集与自动控制，其系统整体方框图如图2.1所示。它主要由温度测量及调理电路、温度控制电路、一块基于PCI总线的多功能数据采集卡PCI-6221及相应的软件组成。图2.1 电热水器温度控制系统整体方框图2.1系统硬件设计基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统的硬件电路图如附录A所示，本图主要包括温度测量及调理电路，温度控制电路，一个过零检测电路。

9、现分别介绍如下。温度测量及调理电路温度测量及调理电路主要由温度传感器和信号调理两局部组成，用于对电热水器温度的检测及信号调理。本系统采用铂热电阻Pt100做为温度传感器。信号调理的作用是对温度传感器的输出信号进行滤波和放大以满足数据采集卡A/D输入端电气参数要求。温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证精度，从硬件采用了三个方面的措施：测量中传感器的连接采用三线制方法。选用高精度低漂移运算放大器OP07构成运算放大电路。测量电路采用恒流源供电。图2.2即为温度信号调理电路的电路图。如图2.2中Rt即为铂热电阻Pt100。r1，r 2，r 3即为引线电阻。图2.2 温度信号调理电路

10、 温度控制电路本系统温度控制电路的硬件电路主要由隔离光耦、触发器及晶闸管等单元构成。本设计选择的是调压方案。把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。 图2.3中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小。如图2.3，在交流电源U1的的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。调压方案波形图如图2.4所示。在本设计中可以通过式2.1把导通角转换成控制时间T1，式2.1中，U0 为PID运算输出的

11、电压值，Um为PID输出的最大值。 2.1图2.3 调压方案电路图图2.4 调压方案波形图为了让用户在使用时不必担忧由于外电路原因或误操作引发计算机部件和采集卡的烧坏，通常需要在采集卡和强电设备之间设置电隔离，这里选用MOC3041。温度控制电路硬件电路图如图2.5所示，其中RL为电阻丝，MOC3041为光耦，Z0409MF为可控硅，数据采集卡为NI公司的PCI-6221数据采集卡，P0.0为数据采集卡的数字输出端，DGND为数据采集卡的接地端。图2.5 温度控制电路过零检测电路过零检测电路的最终目标是实现当50HZ的交流电压通过零点时取出其脉冲。本设计采用2个光电耦合实现过零控制。其工作原理

12、如图2.6所示。在导通期间V0端输出低电平，只有在交流电源过零的瞬间，2个二极管均截止，V0端输出高电平，因此V0端得到周期为10ms的脉冲信号。图2.6 过零检测电路 数据采集卡数据采集卡的主要功能是向被测电路和元器件传送所需的数据信号和控制信号，同时又接收并处理来自被检对象的状态信号。此外，它还完成数据的转换和存储。本系统在综合考虑各方面技术指标的情况下，选用NI公司的PCI-6221型数据采集卡作为系统硬件的核心局部。PCI-6221型数据采集卡支持单极性和双极性两种模拟信号的输入，信号输入范围分别为-10V+10V和0V20V。它提供16路16位的模拟输入通道；2路16位的模拟输出通道

13、；24线的TTL型数字I/O及32位定时计数器等多种功能。2.2系统软件设计本系统软件设计主要有两大模块组成：温度信号采集模块、PID控制模块。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，它以其结构简单、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。本文也采用PID控制。在模拟控制系统中，PID算法的表达式如式4-2所示： 2-2由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此对式2-2进行离散处理得： 2-3式中：KI=积分系数； KD=微分系数；式2-3叫做增量PID控制算式。由于参加积分调节作用后会使系统稳定性下降

14、，动态响应变慢，所以在实际应用中往往采用积分别离以提高响应速度。在式2-3的积分项中引进KL，得到式2-4，当PID运算偏差Ek大于积分别离值时，KL=0，PID不进行积分项运算，防止发生积分饱和现象。当PID运算偏差Ek小于积分别离值时，KL=1，引进积分作用，以消除系统静差。 2-4本设计的软件设计主要包括温度信号采集，PID运算及温度显示三局部。 其虚拟仪器前面板如图2.7所示，程序框图如附录B所示。图2.7 虚拟仪器前面板设计一温度信号采集局部设计数据采集过程程序框图如图2.8所示，此程序框图即完成上述各参数的设定。图2.8 数据采集程序框图二PID运算局部的设计图2.9即为PID运算

15、局部的程序框图，本设计选择用公式节点编写PID运算局部，且选择式2-4引进积分别离的增量型PID控制算式。图2.9 PID运算程序框图三温度显示局部的设计图2.7中的温度显示局部主要用于温度的设定值，当前值，还有控制量的显示。PID控制系统运行前，应先整定PID参数使之大小适度。本设计PID控制参数直接在控制面板进行整定，如图2.7中的PID参数设定就是用于PID的比例系数Kp，积分时间Ti，微分时间Td等参数的整定。整定好PID三个参数后传给PID控制系统，便能控制采集的当前温度信号去逼近设定温度值，到达控制温度的目的。实验与调试由于实验条件有限，在考虑满足硬件需求的情况下，笔者在设计后期编

16、写了一个电热水器温度双位控制系统作为后期实验。其前面板如图3.1所示。图3.1 电热水器双位控制系统前面板本系统工作原理为：由图3.1所示的前面板的双位控制参数设定设定温度的上限和下限，在实际运行中，当温度小于设定的温度下限时，加热棒开始工作，直到温度大于设定的温度上限时，加热棒停止工作，当温度降到温度下限的时候，加热棒再次开始工作。如此往复，把实际温度控制在所设定的温度上限和温度下限之间。电热水器双位控制系统控制流程图如图3.2所示。图3.2 电热水器双位控制系统控制流程图本系统传感器选择铂电阻Pt100；调理模块选择SCC-RTD01。本系统的工作过程是：传感器Pt100检测到的温度信号由

17、调理模块SCC-RTD01调理成能被板卡PCI-6221接收的0-10V的电压信号，然后由板卡把此信号传入计算机，在计算机上运行的LabVIEW程序对输入的数据进行分析处理，然后通过板卡的数字通道P0.0把处理结果输出给SSR-JGX-10F去控制通电电路的通断，当P0.0有高电平输出的时候，可以驱动SSR-JGX-10F输出端导通，接通220V的交流电源，使加热棒开始工作，反之，那么加热棒停止工作。在本设计中，系统连线图如图3.3所示。图3.3 系统连线图本系统LabVIEW程序框图附录C所示。在实际测量中，由于温度有滞后，实际温度曲线如图3.4所示，温度被控制在70至80摄氏度之间，虽然有

18、误差，但能够满足实际需要。图3.4 实际温度曲线图第四章 设计总结经过将近四个月的努力，我顺利完成了毕业设计：基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统。通过这一阶段的学习和实践，我得到了很多收获，学到了很多新知识。首先，通过本次设计，我对虚拟仪器及LabVIEW编程有了一定的了解。现在市场上已经有许多的智能仪表，而随着技术的日益成熟，虚拟仪器以它的优势必将在以后的工业生产中占据重要的地位，本次设计将对我今后的学习与工作打下一定的根底。其次，通过本次设计，我对大学四年所学的课程和理论知识进行了稳固和总结，学会了Visio、Protel等软件的使用，并进行了一些实践，不但培养了自己独立设计和动手的能力，同时也是走向工作岗位前的一次热身。再次，在与指导老师的接触与交流和做毕业设计的过程中，我掌握了一定的学习方法，提高了自学能力和独立思考问题解决问题的能力。在这次毕业设计中，我深深地体会到了课堂中所学知识的局限性，而外面的世界是多么的广阔。虽然我们即将大学毕业，但以后的求学路还很长，以后在工作中更应该努力学习，使自己成为一个对社会有奉献的人。参考文献1雷建龙AT89C2051单片机控制的电热水器水温自动调节器J，中国仪器仪表，20038 2伍治海，吉顺祥基于虚拟仪器的测试仪器应用研究J，仪表技术，2007103甄冒发LabWIEW7.1在PID控制系统的应用