（VR虚拟现实）基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计

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开发出一套低温电谢谢阅读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感谢阅读经过变送环节送给数据采集卡，采集卡对信号进行A/D转换后传输至虚拟精品文档放心下载仪器，虚拟仪器中的PID算法对信号处理后产生控制信号，再经过采集卡感谢阅读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波精品文档放心下载经过光耦MOC3041控制双向可控硅的通断，以此改变加在电阻上的电压，感谢阅读达到温控目的。本论文首先按照上述设计方案设计了硬件电路，接着进行系统软件的设计。感谢阅读经过简单的实验，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谢谢阅读AbstractThetaskofthispaperistodesignatemperaturecontrolsystembasedonvirtua感谢阅读linstrumentofthefurnace.Andtherequirementsofthefurnacetemperatureiss感谢阅读tableat80℃,allowederrorof±1℃.谢谢阅读ThispaperadoptedLabVIEW8.5,asoftwaretodevelopthevirtualinstrumento精品文档放心下载fNIcompanyinAmerica,developedasetoftemperaturecontrolsystemoflow-pow谢谢阅读erelectricheating.Thesystemdesignareshowedasfollows:thetemperaturese精品文档放心下载nsorssendthesignaloftemperaturechangetothedataacquisitioncardbytrans精品文档放心下载mitter,thenthesignalwillbeconverttodigitalsignalandbesendtothevirtua感谢阅读linstrumentbythedataacquisitioncard,andthenthevirtualinstrumentwillo谢谢阅读utputcontrolsignalafterbeprocessedbyPIDalgorithm,andthecontrolsignal谢谢阅读willbeconverttoanalogsignalbythedataacquisitioncardandoutputtocontro谢谢阅读lPWMwavesproducecircuittochangethedutycycleofPWMwaves,thenthePWMwave感谢阅读swillcontrolthebidirectionalthyristorthroughopticalcouplerMOC3041toc精品文档放心下载hangethevoltageinresistancesothatthetemperaturewillbechanged.谢谢阅读Thispaperdesignedthehardwarecircuitinaccordancewiththeabovedesigns感谢阅读cheme,followedbythedesignofthesystemsoftware.Afterasimpleexperiment,感谢阅读thesystemcanacquireanddisplaythedatasnormally.精品文档放心下载Keywords:virtualinstrument,LabVIEW,temperaturecontrolsystem,zero-cross谢谢阅读ingpoweradjustment,PWM目录摘要IABSTRACT(英文摘要)Ⅱ目录Ⅲ第一章绪论11.1课题的研究的目的和意义11.2国内外发展状况11.3本设计要做的工作3第二章虚拟仪器及LabVIEW简介42.1虚拟仪器的基本概念42.2虚拟仪器的特点及应用42.3LabVIEW的含义52.4LabVIEW的发展62.5LabVIEW的结构62.6LabVIEW的优势6第三章系统总体方案及硬件电路设计73.1系统总体方案73.2硬件电路设计73.2.1传感器的选型73.2.2数据采集卡的选型93.2.3PWM波产生电路的设计113.2.4交流过零触发PWM脉宽调功原理12谢谢阅读第四章温控系统软件设计144.1登录系统设计144.2数据采集及处理控制模块的设计174.2.1温度信号的采集174.2.2采集数据的处理194.2.3PID控制信号的产生224.3数据存储模块244.3.1数据存入文本文件244.3.2数据存入TDMS文件254.4历史数据查看模块264.4.1文本文件查看方式264.4.2TDMS文件查看方式284.5打印模块394.6网络通信模块304.6.1DataSocket的数据传输314.6.2在Web上发布程序334.7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，感谢阅读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、机谢谢阅读械、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谢谢阅读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谢谢阅读的损失。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，谢谢阅读还可以大幅度提高生产效率，节约能源资源，降低生产成本，贡献低碳社会。感谢阅读因此，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。感谢阅读近年来，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。美精品文档放心下载国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，虚拟仪器感谢阅读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谢谢阅读LabVIEW8.5，开发设计出一款低温加热炉温控系统。感谢阅读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，以此对物料精品文档放心下载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、精品文档放心下载钎焊、金属热处理加热、玻璃陶瓷焙烧和退火、粉末冶金烧结、砂型和油漆膜感谢阅读层的干燥、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谢谢阅读器，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年精品文档放心下载代，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精品文档放心下载普及。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、炉用机精品文档放心下载械和电气控制系统、炉门等部分组成。不同结构的电阻炉的加热功率大不相同，谢谢阅读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，电阻炉谢谢阅读谢谢阅读作温度为650～1000℃，高温炉的工作温度1000℃以上。它们的加热方式也不谢谢阅读同：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。谢谢阅读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、谢谢阅读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感谢阅读位。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。目精品文档放心下载,经过PID算法，精品文档放心下载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、感谢阅读固态继电器，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谢谢阅读制元件，调功方式主要有可控硅移相调压和双向可控硅过零调功[2]。感谢阅读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，程序设计比谢谢阅读较复杂，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，精品文档放心下载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，已成精品文档放心下载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算谢谢阅读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精品文档放心下载统中。如此一来，既能用模糊规则来描述神经网络的推理过程，有可以通过神谢谢阅读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，谢谢阅读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、微电子技术、软件技术的迅速发展，测量精品文档放心下载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，传统仪器的概念感谢阅读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感谢阅读的仪器系统的紧密结合，出现了一种全新的仪器——虚拟仪器感谢阅读(VirtualInstrument，VI)，引发了仪器概念的突破性变革。精品文档放心下载虚拟仪器(VirtualInstrumention)是基于计算机的仪器，它根据仪器的需感谢阅读求，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，即数字信感谢阅读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精品文档放心下载算机紧密结合。概括起来，这种结合有两种方式。第一种方式，把计算机载入谢谢阅读仪器中，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谢谢阅读体积日趋缩小，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，感谢阅读把仪器载入计算机中，以计算机硬件及其操作系统为平台，实现仪器的各种功精品文档放心下载能。采用第二种方式的主要是虚拟仪器。1986NI谢谢阅读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]。谢谢阅读(1)采用计算机技术增强仪器的各功能。通过RS-232C和GPIB总线，用户精品文档放心下载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感谢阅读制了。(2)仪器结构更加开放。仪器的发展离不开技术的进步，插入式的计算机数感谢阅读据采集卡和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感谢阅读放，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。感谢阅读(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，精品文档放心下载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谢谢阅读西封装起来，使得编程更加简便高效。在虚拟仪器的硬件和软件领域中，已经感谢阅读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。精品文档放心下载目前在这一领域内，使用较为广泛或者说首选的虚拟仪器开发软件是美国精品文档放心下载NI公司的LabVIEW。采用LabVIEW开发加热炉温控系统，可以充分发挥G语言谢谢阅读(GraphicsLanguage，图形化编程语言)编程的优势。谢谢阅读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，由虚拟仪器控感谢阅读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。硬件的设感谢阅读PWM波产生电路的设计等。软感谢阅读PWM波控制信号的谢谢阅读输出，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，由用户自己设计定谢谢阅读义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统精品文档放心下载[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。与传统感谢阅读的电子仪器相比，它更为通用。随着当代科学技术的迅猛发展，人们对测量仪谢谢阅读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感谢阅读拟化、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、用户无法改变的精品文档放心下载固定模式。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。用精品文档放心下载户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应谢谢阅读用需求。虚拟仪器中的“虚拟”有两个方面的含义[5]，分别表现在：感谢阅读(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物，都遵循现精品文档放心下载实的物理规律，必须通过手动或触摸进行操作。在要实现的功能方面，虚拟仪感谢阅读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，两类控件非精品文档放心下载常相像；在原理上，传统仪器控件的操作对应着相应物理过程，如按键触点的谢谢阅读碰触，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。精品文档放心下载(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，来精品文档放心下载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、图形处理精品文档放心下载技术、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。虚拟感谢阅读仪器具有模块化、标准化、积木化、系列化的软件和硬件平台，是一个完全开谢谢阅读放的系统，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，谢谢阅读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、数据显示感谢阅读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，感谢阅读诠释了“软件即仪器”的概念。(3)用户可以自己定义仪器的各种功能感谢阅读代码库，用户可以很方便地实现、修改仪器的各种测控、通信功能,让用户可以谢谢阅读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感谢阅读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，使精品文档放心下载得管理更加规范，仪器功能更加易于扩展，仪器的开发和维护费用更加降低。感谢阅读(5)经济性好，易于组建成更为复杂的测试系统精品文档放心下载仪器代替传统仪器，可以节约大量的购买和维护成本。而且，与传统仪器相比，感谢阅读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感谢阅读算机网络，很方便地实现远程通信、监控、测试和故障诊断等功能。精品文档放心下载谢谢阅读子、机械、通信、汽车制造、生物、医药、化工、科研、军事、教育等各个领精品文档放心下载域。从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室谢谢阅读到工厂企业，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。感谢阅读2.3LabVIEW的含义LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineerWorkbench，实验室虚拟精品文档放心下载仪器集成环境)是一种图形化的编程语言(又称G语言)，它是由美国NI公司推精品文档放心下载出的虚拟仪器开发平台，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软谢谢阅读件集成开发环境之一[7]。2.4LabVIEW的发展1986NI公司于正式推出了LabVIEW1.02011版本。感谢阅读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：包含精品文档放心下载众多附加软件包，比如控制与仿真、统计过程控制、高级数字信号处理、模糊谢谢阅读控制、PID和PDA等；可运行于多种平台，比如Macintosh、UNIX、Windows和谢谢阅读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广泛地谢谢阅读被研究实验室、学术界及工业界所接受，广泛地应用于航空航天、工业控制、精品文档放心下载电子半导体、汽车和通信等众多领域。2.5LabVIEW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。精品文档放心下载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，可以高度模精品文档放心下载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、感谢阅读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精品文档放心下载的流程。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精品文档放心下载对象的相关操作。程序框图采用图形化节点进行编程，使编程更加简便、高效。谢谢阅读2.6LabVIEW的优势LabVIEW具有许多明显的特谢谢阅读点和优点，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感谢阅读卡硬件的驱动，调试、查错能力强大，支持多种操作系统，网络通信功能强大感谢阅读等诸多优点[8]。正是由于LabVIEW软件具有的这些优点，使得LabVIEW成为开谢谢阅读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。精品文档放心下载图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控精品文档放心下载制算法，由虚拟仪器控制实现交流过零触发PWM脉宽调功[9]，功率器件选用双精品文档放心下载向可控硅。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谢谢阅读据采集卡，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感谢阅读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波产感谢阅读生电路，改变PWM波占空比，产生的PWM波经过光耦MOC3041控制双向可控硅感谢阅读的通断，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、谢谢阅读PWMPWM脉宽调功感谢阅读电路设计。3.2.1传感器的选型温度敏感元件选用Pt100感谢阅读化性强，且电阻率较高、复现性好。可用作基准电阻和标准热电阻。铂电阻的精品文档放心下载温度测量范围为-200～850℃。铂电阻的阻值与温度的关系是一个典型的非线性感谢阅读函数，一般工业用的铂电阻可以用式3-1、3-2表示[10]。谢谢阅读(﹤850℃)(3-1)(-200℃﹤﹤0℃)(3-2)谢谢阅读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谢谢阅读单元于一体。首先，温度敏感元件将温度信号转化为微弱的电信号，再经谢谢阅读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，精品文档放心下载输出4～20mA的恒流信号。一体化温度传感器的采用，简化了系统硬件电谢谢阅读路的设计。具体型号采用锦州精微仪表有限公司的谢谢阅读WZPKKB—2312Y—1—400/250-2—0.2%—(0～400℃)。精品文档放心下载常用的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感谢阅读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。常用感谢阅读的温度测量电路主要有两种：一种是桥式测温电路，可分为两线制、三线制、谢谢阅读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，引精品文档放心下载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精品文档放心下载的影响，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。感谢阅读图3-2恒流源测温电路对于LM358谢谢阅读Pt100的恒定电流为0.00124。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谢谢阅读动采非电量或者电量信号,送到上位机中进行分析、处理。精品文档放心下载图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、具有用精品文档放心下载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。数据采集系精品文档放心下载统的结构如图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：感谢阅读采样通道，即需要由多路开关进行扫描的通道；采样次数，即多路开关对通道感谢阅读进行扫描的次数；采样频率，即单位时间内多路开关对通道进行一次扫描的次精品文档放心下载数；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。精品文档放心下载数据采集卡，就是实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡。数据采集卡的感谢阅读主要性能指标主要有通道数、采样频率、分辨率、精度、量程等，根据实际需谢谢阅读要，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。本设计感谢阅读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，要求输入分辨感谢阅读率为1210KS/s,输出分辨率为12谢谢阅读国NI公司的NIUSB-6009多功能数据采集卡。NIUSB-6009感谢阅读8个模拟输入通道(1448KS/sAI0～AI7)2路12位模拟输出通精品文档放心下载道(150S/s，AO0，AO1)，12个I/O通道(P0.0～P0.7，P1.0～P1.3)，1个32精品文档放心下载位计数器/定时器(PFI0)。图3-4数据采集过程框图NIUSB-6009数据采集卡具有单端和差动两种输入模式，连接参考单端电压谢谢阅读信号和连接差分电压信号。本设计采用后面一种输入模式。谢谢阅读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精品文档放心下载“AI+”“AI-”通道，它能够抑制接地回路感应误差，消除共模干扰，是一种谢谢阅读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精品文档放心下载NIUSB-6009感谢阅读的“AI-”通道。图3-5连接差分电压信号3.2.3PWM波产生电路的设计本设计采用硬件搭建PWM产生电路，主要由三角波发生器、电平比较器、感谢阅读施密特触发器组成，原理框图如图3-6所示。LabVIEW感谢阅读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，产生占空比由控制感谢阅读信号决定的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谢谢阅读振荡成分，使波形规则化，产生标准的PWM波。LabVIEW控制信号电平比施密特图3-6电路PWM波较器

触发器三角波发生器选用MA使用很少器件就可以产生精确、高感谢阅读频率的三角波号。利用内部2.5V基准电压配以外部的电阻电容就可以产生频谢谢阅读发生器率为0.1Hz～20MHzLM33974LS14。谢谢阅读产生PWM波电路图如图3-7所示。三角波周期计算公式为(3-3)其中，(3-4)为基准电源电压，其值为2.5V。本设计中。LabVIEW输出的控制信号的控制周期为1s，与之对应，产生的精品文档放心下载三角波周期也应为1s。即,所以。产生的三角波幅值最大为1V，而LabVIEW输精品文档放心下载出的控制信号幅值为0～5VLM318精品文档放心下载幅值也在0～5V内变化。图3-7PWM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，即可控硅移相精品文档放心下载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感谢阅读[12]，精品文档放心下载系统设计较复杂，而且通过负载的不是完整的正弦波，会产生高次谐波，造成谢谢阅读电网电压波形畸变，影响其他用电设备。双向可控硅过零调功既具有较好的控精品文档放心下载制精度，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谢谢阅读触发双向可控硅的导通，使得流过负载的电压电流是完整的正弦波，不存在波谢谢阅读形畸变。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谢谢阅读检测电路既可。所谓过零检测，就是检测交流电压或电流的过零点。本设计采精品文档放心下载用后一种调功方式。交流过零触发PWM脉宽调功原理如图3-8所示[13]。图中，光耦选用了过零谢谢阅读双向可控硅型光耦MAX3041感谢阅读简化了输出通道隔离、驱动电路的结构。图3-8交流过零触发PWM脉宽调功原理电路分析如下。当PWM控制脉冲为高电平，且光耦MOC3041检测到电压过谢谢阅读零点时，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。感谢阅读此后，只要PWM波一直是高电平时，双向可控硅就一直导通，使得负载上通过精品文档放心下载的是完整的正弦波。当PWM脉冲变为低电平时，光耦在电压过零时就不再向双谢谢阅读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，电流不再流过精品文档放心下载负载。通过改变PWM波占空比，就可以控制流过负载的电压周波数，进而达到感谢阅读调节功率的目的，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、感谢阅读数据采集及处理控制模块、数据存储模块、查看历史数据模块、打印模块、通精品文档放心下载信模块等各功能模块，最后将这些小的功能模块有机组合，组成完整的加热炉感谢阅读温控系统。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。感谢阅读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感谢阅读统。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，需感谢阅读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。当第一感谢阅读次登录系统时，会提醒用户进行用户名及登录密码的重新设置，当然，用户也精品文档放心下载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，感谢阅读登录系统会提示用户输入管理员密码，只有输入正确的管理员密码，才可以继精品文档放心下载续重置工作。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。感谢阅读当使用完系统后，点击“退出程序”按钮就可以退出系统。精品文档放心下载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，直谢谢阅读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谢谢阅读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精品文档放心下载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，谢谢阅读在对话的类别栏中选择窗口外观，将对话框页面切换到窗口显示属性页面，如谢谢阅读图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，精品文档放心下载在对话中选择“调用时显示前面板”和“如之前未打开则在运行后关闭。精品文档放心下载如此一来，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谢谢阅读来，供用户设置。选中“如之前未打开则在运行后关闭”选项后，则当主程序感谢阅读运行结束后，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，实现的主要功能包括感谢阅读PID精品文档放心下载以分为若干子模块，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→数据采集设感谢阅读备→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精品文档放心下载进行放大、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精品文档放心下载数字信号、此外一般还有放大、采样保持、多路复用等功能。谢谢阅读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精品文档放心下载的软件几个部分组成[14]NIUSB-6009多功能数据采集卡。谢谢阅读所谓硬件驱动程序就是应用软件驱动硬件正常工作的编程接口。硬件驱动程序谢谢阅读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谢谢阅读LabVIEW感谢阅读效率显著提高，开发成本也明显降低。本设计采用的硬件驱动程序为精品文档放心下载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，故设置温度范围为谢谢阅读0～100℃。采集数据只有模拟量温度信号，故为单通道数据采集。数据采集卡精品文档放心下载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。所谓物精品文档放心下载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，感谢阅读NIUSB-6009上的模拟输入通道AI0～AI5AO0AO1I/O通谢谢阅读道为P0.0～P0.7，P1.0～P1.3。所谓虚拟通道是一系列设置的集合，包括通道精品文档放心下载名、对应的物理通道、信号连接方式、测试类型和标度等。本设计物理通道选谢谢阅读择AI0、AO0，对应的虚拟通道为Dev1/ai0、Dev1/ao0。精品文档放心下载由数据采集函数编制温度数据采集软件，主要步骤如下[15]：精品文档放心下载(1)调用DAQmxCreateVirtualChannel.vi创建虚拟通道，并配置相应的物谢谢阅读理通道、采样数据的最大值和最小值、输入端配置方式。(2)调用DAQmxTiming.vi，并设置采样速率、采样模式、缓存大小。感谢阅读(3)调用DAQmxStartTask.vi，将采集任务转换到运行状态。精品文档放心下载(4)调用DAQmxRead.vi。这是一个多态VI，根据数据采集的类型、读取数精品文档放心下载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所示是本设计精品文档放心下载所选择的VI。图4-7DAQmx读取多态VI的子VI选择精品文档放心下载(5)调用DAQmxClearTask.viVI首先中止采集任务然后释放掉所有资源。感谢阅读按照如上步骤，编写的温度数据采集模块的程序框图如图4-8所示。感谢阅读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、采样谢谢阅读速率、采样数据的最大值和最小值。设置好个参数后，点击“开始采样”按钮，感谢阅读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，精品文档放心下载点击“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、打印等他操感谢阅读作。本设计的数据处理主要有三个方面，第一个是数据滤波，第二个是消除零谢谢阅读点误差，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精品文档放心下载抑制或衰减，并使有用信号正常通过的一种技术。按同频带范围分，滤波器可谢谢阅读分为低通滤器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器4类[16]。本设计采用带感谢阅读通滤波器。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截断，感谢阅读即有限化，成为离散信号后在进一步处理。信号的有限化也称为加窗处理。感谢阅读LabVIEW谢谢阅读减少泄露。此外，窗函数还具有减少噪声干扰的作用。窗函数有很多种，常用精品文档放心下载窗函数主要有Hamming窗、Hanning窗、Blackman窗、Kaiser窗、Triangle窗、精品文档放心下载FlatTop窗、Exponential窗等。在LabVIEW程序框图中的函数→信号处理→滤波器选板中，提供了各种各感谢阅读样滤波器。考虑到窗函数的作用，本设计选用FIR加窗滤波器。数据滤波的前精品文档放心下载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。在测试精品文档放心下载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，精品文档放心下载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。感谢阅读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感谢阅读差的影响。本设计有对零点误差的处理环节，如图4-10所示。谢谢阅读图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精品文档放心下载采集环节。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。程谢谢阅读序框图如图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，谢谢阅读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中的精品文档放心下载变量。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精品文档放心下载程量数值，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谢谢阅读作为温度敏感，在0～100℃内有较好的线性度，故本设计采用线性标度变精品文档放心下载换。图4-12线性标度变换线性变换后的数据LabVIEW软件提谢谢阅读供的转换RTD读数节点，此节点位于函数→编程→数值→缩放子选板中。谢谢阅读转换RTD读数节点对应于公式3.1精品文档放心下载流，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，精品文档放心下载输入电压0.124005～0.17174V对应于输出温度0～100℃。故本标度变换的感谢阅读任务为将采样的电压信号1～5V线性变换为0.124005～0.17174V，变换程谢谢阅读序框图如图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、升温单感谢阅读向等特点。本设计采用的电加热炉数学模型如式4-1所示。式中，设=1，感谢阅读=10,=3。(4-1)PID控制算法。PID控制器精品文档放心下载[17]。精品文档放心下载本设计也采用PID控制算法。PID调节器的调节规律如式4-2、4-3所示。谢谢阅读图4-13PID仿真结果(4-2)或写成(4-3)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、精品文档放心下载衰减曲线法、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，谢谢阅读使用Matlab仿真，仿真结果如图4-13所示。谢谢阅读此时，=2，=0.2，=0.001，则=10s，=0.0005s。精品文档放心下载图4-14控制信号产生环节PID产生的控制信号要通过NIUSB-6009的模拟输出通道输出去控制PWM波感谢阅读产生电路。PID节点的processvariable端连接的是转换RTD读数节点输出的谢谢阅读0～100℃温度信号，PID节点的setpoint端连接的是温度设定值80℃。控制谢谢阅读信号的输出要经过数据采集卡NIUSB-6009的AO端，输出幅值为0～5V，谢谢阅读故PID的输出不能直接输出，需要经过一定的处理方案。本设计的处理方谢谢阅读案如下：当温度小于等于75℃时，不采用PID算法，直接输出0V；当温度感谢阅读大于等于85℃时，也不采用PID算法，直接输出+5V；当温度值大于75℃谢谢阅读且小于85℃时，采用PID算法，为了限制PID的输出在0～5V内，本设计谢谢阅读采用公式节点编写了一个饱和函数，如程序框图4-14所示。谢谢阅读PID谢谢阅读控制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、精品文档放心下载数据记录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谢谢阅读和共享的格式，它可以用文字处理软件或电子表格程序，例如Word或Excel来精品文档放心下载读取或处理数据。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谢谢阅读件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感谢阅读式，LabVIEWLabWindowsSignalExpressDIAdemExcel、感谢阅读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、支持感谢阅读随机读取、支持分别读写描述性信息和原始数据等[19]。感谢阅读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。谢谢阅读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。将采集到的电谢谢阅读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。感谢阅读选择前面板的、文本框，可以指定电压数据和温度数据的存储位置。此程精品文档放心下载序，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。谢谢阅读图4-16电压数据、温度数据存储到文本文件4.3.2数据存入TDMS文件在LabVIEW程序框图的函数→编程→文件I/O→TDMS流子模板中含有关于精品文档放心下载TDMS文件所有操作。利用这些子VI，编写TDMS文件的读写程序。感谢阅读图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文件的程序框图精品文档放心下载如图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。第一个组感谢阅读为“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，谢谢阅读“电压信号“温度信号“温度设定值“温谢谢阅读度设定值。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，即查看文本文精品文档放心下载件和查看TDMS文件。本节将介绍这两种查看方式。谢谢阅读图4-18停止存储数据时弹出的TDMS文件查看器精品文档放心下载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。显示精品文档放心下载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感谢阅读式显示出来。前一种方式叫读盘，后一种方式叫波形回放，它们的前面板及程精品文档放心下载序框图如图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谢谢阅读框节点，设计出三种可供选择的查看方式，即“读盘、“回放、“读盘且回谢谢阅读放，如图4-21所示。我们根据实际需要，选择相应的查看方式。感谢阅读图4-21文本文件查看方式选择4.4.2TDMS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文谢谢阅读件时，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精品文档放心下载序框图如图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”通道数据读取精品文档放心下载出来，再将“采样数据”组中的“电压信号”通道和“温度信号”通道中的数感谢阅读据读取出来，然后一起送入多列列表框中进行显示。为了方便显示，创建了多感谢阅读列列表框的“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谢谢阅读史数据)或前面板打印出来，以便对系统及数据作进一步的分析。本设计的打印谢谢阅读4-24精品文档放心下载所示。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。编写程序感谢阅读时，为了将前面板打印出来或在网页上显示，本设计使用了“添加前面板图像谢谢阅读至报表”VI，即，具体程序如图4-25所示。图4-25打印模块程序框图如程序框图所示，为了有选择地打印，本程序采用了三按钮对话框节点，精品文档放心下载编写了可供选择的打印方式“仅打印前面板”“打印前面板和文件”“取消打谢谢阅读印，如图4-26所示。图4-26打印方式选择4.6网络通信模块虚拟仪器技术与网络技术相结合，构成网络化虚拟测试系统是虚拟仪器发感谢阅读展的方向之一。LabVIEW具有强大的网络通信功能。LabVIEW应用软件中常用网感谢阅读TCPUDP通信和DataSocket通信[20]精品文档放心下载LabVIEW精品文档放心下载根据实际需要，选用相应的通信方式即可。UDP谢谢阅读过程中出现数据丢失，协议本身并不能做出任何检测或提示。因此，通常人们感谢阅读把UDP通信协议称为不可靠的传输协议。虽然TCP通信协议提供数据传送的保谢谢阅读证机制，且可以实现应用程序间的数据共享，但大多数使用起来并不方便，开精品文档放心下载TCP谢谢阅读量数据的实时传送，美国NI公司专门研发出DataSocket技术，进一步发展了谢谢阅读虚拟仪器的网络测控技术，简化了系统开发的过程，真正满足了实时通信、正谢谢阅读确传输及网络安全的这些设计要求。鉴于此，DataSocket通信技术特别适用于精品文档放心下载开发远程数据采集、远程数据共享和远程程序监控等应用程序。本设计采用精品文档放心下载DataSocket通信方式，将在本节的第一部分予以介绍。精品文档放心下载利用DataSocket通信技术，我们可以实现虚拟仪器的远程通信。但是，当感谢阅读被控系统是一个非常复杂的测控系统并且要求随时操作位于主控计算机上的虚精品文档放心下载DataSocket谢谢阅读就需要利用LabVIEW提供了访问HTML文件的方法和远程前面板技术，不需要任谢谢阅读HTML精品文档放心下载文件的方法，也即进行程序的Web发布，这种方法将在本节的第二部分予以介感谢阅读绍。4.6.1DataSocket的数据传输在用户使用DataSocket通信技术进行数据传输时，有两种方法可供选择：第一精品文档放心下载种是在前面板对象之间传输数据，第二种是在程序框图中传输数据。下面将分谢谢阅读别予以介绍。(1)在前面板对象之间传输数据利用DataSocket技术，进行前面板对象的感谢阅读链接，可以实现网络数据的传输，并且只需要进行简单的参数设置而不需要编感谢阅读程就可以实现。利用DataSocket通信技术将两个程序的前面板对象连接起来以精品文档放心下载后，就可以进行一个对象发送数据而另一个对象接收数据的简单通信，就可以感谢阅读实现对数据的远程采集、对程序的远程控制等多种功能。建立前面板对象链接感谢阅读的方法是在准备进行链接的前面板控件控件对象上弹出快捷菜单，选择属性选感谢阅读4-27所示，“数据绑定选择”精品文档放心下载选择DataSocket“访问类型可选“只读“只写“读/写URL中的IP谢谢阅读地址为发送端的IP感谢阅读两个控件的链接URL都必须设为一致。在程序运行之前，两个计算机上的精品文档放心下载DataSocketServer都必须要运行。DataSocketServer是一个必须运行在服务器感谢阅读端的程序，负责监管客户端程序之间的数据交换。图4-27前面板控件链接属性设置(2)在程序中使用DataSocket传输数据利用上一种方法实现网络通信，特谢谢阅读点明显，即无需编程、简单易用，但其缺点也不容忽视，比如，在客户端就无谢谢阅读法实现数据的有效处理。利用DataSocket节点可以解决上述问题。本设计利用感谢阅读DataSocket函数编写的通信程序，包括服务器端程序和客户机端程序，在通信感谢阅读时，用户可以根据实际需要，设置本机为服务器端或客户机端。服务器端和客谢谢阅读户机端程序框图如图4-28、4-29所示。图4-28服务器端程序框图图4-29客户机端程序框图如上图所示，本设计使用缓冲方式读取数据。在默认情况下，精品文档放心下载DataSocketServer只向数据客户端发布最新的数据，当发布数据的比接受数据感谢阅读的客户运行快时，则一些数据还没有被读取就被覆盖掉。使用缓冲区的方法传感谢阅读输数据是就可以避免这种情况。在服务器端使用数据缓冲区需要在精品文档放心下载DataSocketServerManager进行设置，默认的缓冲区为25M字节，一个数据包。感谢阅读一般情况下，默认的数据缓冲区大小就可以满足需要,不需要重新设置。需要注谢谢阅读“写模块的主机要运行DataSocketServer且“写模块和“读”谢谢阅读模块的URL必须一致，同为服务器端的主机的IP地址。谢谢阅读4.6.2在Web上发布程序在进行Web发布之前，需要打开Web服务器进行简单的设置。点击菜单命感谢阅读令中的工具→选项，在弹出的类别列表中选择“Web服务器：配置”“Web服务精品文档放心下载器：可见VI”“Web服务器：浏览器访问”分别进行设置，本设计都采用系统感谢阅读默认值。设置好Web服务器后，就要进行创建HTML文件的工作。点击菜单命令谢谢阅读中工具→Web发布工具，弹出发布HTML文件对话框，依次对进行它们必要的设感谢阅读置。第一步，选择需要进行Web发布的VI和查看模式。本设计的查看模式选择感谢阅读嵌入并选择“连接建立时提交控制请求。第二步，可以进行“网页标题”“页精品文档放心下载眉页脚4-30所示，精品文档放心下载点击“保存至磁盘URLHTML精品文档放心下载文件创建。浏览文件时，须在发布程序的计算机上运行Web服务器并将被发布的程序谢谢阅读LabVIEW感谢阅读输入上述第三步记录下来的URL地址，就可以实现程序的远程控制。精品文档放心下载图4-30HTML文件存盘对话框程序进行远程控制时，原程序的控制权交给了客户机。当需要对原程序进行控感谢阅读制时，需要客户机释放控制权。控制权切换的方法为在网页的前面板图像空白感谢阅读处单击鼠标右键，弹出快捷菜单选择“释放VI的控制权”即可。当客户端需要感谢阅读重新获得VI的控制权时，在网页的前面板图像空白处单击鼠标右键，弹出快捷感谢阅读菜单选择“请求VI控制权”就可以了。4.7加热炉温控系统的集成感谢阅读块、查看历史记录模块等，整合成一个完整的主程序系统。之后