基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计毕业设计(编辑修改稿)

基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

业用的铂电阻可以用式 3 32 表示 [10]。  20 1tR R At Bt   (0t ﹤ 850℃ ) (31)  230 1 1 0 0tR R A t B t C t t     (200℃ ﹤ t ﹤ 0℃ ) (32) 式中， tR 为温度在 t ℃ 时的电阻值 ， A 、 B 和 C 为常数， 其值 分别为：33 .9 0 8 3 1 0 1 / CA   ； 725 .7 7 5 1 0 1 / CB    ； 1 2 44 .1 8 3 1 0 1 / 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 4～ 20mA 的恒流信号。 一体化温度传感器的采用，简化了系统硬件电路的设计。 具 体 型 号 采 用 锦 州 精 微 仪 表 有 限 公 司 的WZPKKB—2312Y—1—400/2502—%—(0～ 400℃ )。 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：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 32 所示。 32184U ? AL M 3 5 8R?3 .3 k一体化温度传感器R?250C?104V C CGND1 5 V4 .0 9 6 V 图 32 恒流源测温电路 第三章 系统总体方案及硬件电路设计 9 对于 LM358，放大器工作于线性运放状态，根据虚短和虚断概念， u V ，100 1oPtu uRR ，得流过 Pt100 的恒定电流为。 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。 图 33 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 33 所示 [11]。 一般的数据采集过程如图 34 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，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 USB6009 多功能数据采集卡。 NI USB6009 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， AI0～ AI7)， 2 路 12 位模拟输被测物理量 传感器 信号调理 数据采集卡 计算机 第三章 系统总体方案及硬件电路设计 10 出通道 (150 S/s， AO0， AO1)， 12 个 I/O 通道 (～ ， ～ )， 1 个32 位计数器 /定时器 (PFI0)。 数 据 采 集 V I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 34 数据采集过程框图 NI USB6009 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。 第三章 系统总体方案及硬件电路设计 11 连接差分电压信号电路图如图 35 所示，将输入信号的正极连接到 NI USB6009 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。 A I +A I N I U S B 6 0 0 9电 压 源 图 35 连接差分电压信号 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 36 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。 图 36 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、LabVIEW控制信号 电 平 比较 器 施密特触发器 三 角 波发生器 PWM 波 第三章 系统总体方案及硬件电路设计 12 高频率的三角波信号。 利用内部 频率为 ～ 20MHz 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 37 所示。 三角波周期计算公式为 /in ff I C (33) 其中， /in in inI U R (34) inU 为基准电源电压，其值为。 本设计中 50inRk。 LabVIEW 输出的控制信号的控制周 期为 1s，与之对应，产生的三角波周期也应为 1s。 即 / 1sin ff I C,所以 50fC uF。 产生的三角波幅值最大为 1V，而 LabVIEW 输出的控制信号幅值为 0～ 5V，故采用 LM318对三角波进行信号放大，使得三角波幅值也在 0～ 5V内变化。 C O S C5A03AGND6A14F A D J8OUT19IN10S Y N C14V20AGND18R E F1AGND11V+17AGND9DADJ7AGND2P D O12P D I13DV+16DGND15M A X 038GNDGNDC?10uFGNDC A PV C C三角波输出542312U ? AL M 3391 2U ? A74L S 14V C CR?R E S 2L a bV I E W 控制信号P W M 波V C C3261 5874U?L M 318V C C 12R?R E S 2R?100GNDR?20R in50kCf50uF 图 37 PWM 波产生电路 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]，第三章 系统总体方案及硬件电路设计 13 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 38 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。 R1R3R2C1M O C 3 0 4 1V C CA C 2 2 0 VP W M 脉冲12A 7 4 F 0 4N P N加热炉电阻丝 图 38 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 14 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。 登录系 统设计 图 41 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 42 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。 第四章 温控系统软件设计 15 当用户填写不正确的用户名或密码时，会弹出如图 43 所示的对话框，直至用户输入正确的用户名和密码。 图 44 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 42 登录系统程序框图 图 43 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，将对话框页面切换到窗口显示属性页面，如第四章 温控系统软件设计 16 图 45 所示。 图 44 重置用户名及密码时提示输入管理员密码 图 45 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 46 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。 第四章 温控系统软件设计 17 图 46 子 VI 窗口外观对话框 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。 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。