基于虚拟仪器的加热炉温控系统设计30105.docx

中 文 摘 要摘 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。本论文首先按照照上述设计方方案设计了硬硬件电路，接接着进行系统统软件的设计计。经过简单单的实验，系系统可以正常常采集数据并并显示。关键词：虚拟仪仪器，LabbVIEW，温温控系统，过过零调功，PPWMIIAbstractAbstracctThe tassk of thhis paaper iis to desiggn a ttemperraturee conttrol ssystemm baseed on virtuual innstrumment oof thee furnnace.AAnd thhe reqquiremments of thhe furrnace tempeeraturre is stablle at 80, aalloweed errror off ± 1.This paaper aadopteed LabbVIEW88.5, aa softtware to deevelopp the virtuual innstrumment oof NI compaany inn Amerrica,ddevelooped aa set of teemperaature contrrol syystem of loow-powwer ellectriic heaating. The systeem dessign aare shhowed as foollowss: thee tempperatuure seensorss sendd the signaal of tempeeraturre chaange tto thee dataa acquuisitiion caard byy trannsmittter, tthen tthe siignal will be coonvertt to ddigitaal siggnal aand bee sendd to tthe viirtuall insttrumennt by the ddata aacquissitionn cardd , annd theen thee virttual iinstruument will outpuut conntrol signaal aftter bee proccessedd by PPID allgoritthm, aand thhe conntrol signaal willl be conveert too analoog siggnal bby thee dataa acquuisitiion caard annd outtput tto conntrol PWM wwaves produuce ciircuitt to cchangee the duty cyclee of PPWM waaves, then the PPWM waaves wwill ccontrool thee bidiirectiional thyriistor throuugh oppticallcoupller MOOC30411 to cchangee the voltaage inn resiistancce so that the ttemperraturee willl be cchangeed.This paaper ddesignned thhe harrdwaree circcuit iin acccordannce wiith thhe aboove deesign schemme, foolloweed by the ddesignn of tthe syystem softwware. Afterr a siimple experrimentt, thee systtem caan acqquire and ddisplaay thee dataas norrmallyy.Key worrds: vvirtuaal insstrumeent, LLabVIEEW, teemperaature contrrol syystem,zero-crosssing ppower adjusstmentt,PWMVII目 录目 录摘 要IIABSTRACCT (英文文摘要)目 录第一章 绪论11.1 课题的的研究的目的的和意义11.2 国内外外发展状况11.3 本设计计要做的工作作3第二章 虚拟仪仪器及LABBVIEW简简介42.1 虚拟仪仪器的基本概概念42.2 虚拟仪仪器的特点及及应用42.3 LabbVIEW的的含义52.4 LabbVIEW的的发展62.5 LabbVIEW的的结构62.6 LabbVIEW的的优势6第三章 系统总总体方案及硬硬件电路设计计73.1 系统总总体方案73.2 硬件电电路设计73.2.1 传传感器的选型型73.2.2 数数据采集卡的的选型93.2.3 PPWM波产生生电路的设计计113.2.4 交交流过零触发发PWM脉宽宽调功原理12第四章 温控系系统软件设计计144.1 登录系系统设计144.2 数据采采集及处理控控制模块的设设计174.2.1 温温度信号的采采集174.2.2 采采集数据的处处理194.2.3 PPID控制信信号的产生224.3 数据存存储模块244.3.1 数数据存入文本本文件244.3.2 数数据存入TDDMS文件254.4 历史数数据查看模块块264.4.1 文文本文件查看看方式264.4.2 TTDMS文件件查看方式284.5 打印模模块394.6 网络通通信模块304.6.1 DDataSoocket的的数据传输314.6.2 在在Web上发发布程序334.7 加热炉炉温控系统的的集成34总结37参考文献338致谢39第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题研研究的目的和和意义电加热炉被广泛泛应用于工业业生产和科学学研究中。由由于这类对象象使用方便，可可以通过调节节输出功率来来控制温度，进进而得到较好好的控制性能能，故在冶金金、机械、化化工等领域中中得到了广泛泛的应用。在许多工业过程程控制中，工工业加热炉是是关键部件，炉炉温控制精度度及其工作稳稳定性已成为为产品质量的的决定性因素素。温度控制制不好，将给给企业带来不不可弥补的损损失。同时，优优良的加热炉炉温控系统，不不但可以保障障工业生产的的顺利进行，还还可以大幅度度提高生产效效率，节约能能源资源，降降低生产成本本，贡献低碳碳社会。因此此，优良且可可靠的加热炉炉温控系统在在工业生产中中是十分必要要的。近年来，随着计计算机技术的的迅猛发展，现现代测控技术术越来越离不不开计算机。美美国NI公司司顺应时代发发展，适时提提出虚拟仪器器概念。通过过几年的发展展，虚拟仪器器已广泛应用用于国民生产产各个环节。本本课题采用NNI公司的虚虚拟仪器开发发软件LabbVIEW88.5，开发发设计出一款款低温加热炉炉温控系统。1.2 国内外外发展状况电阻炉通过利用用电源使得炉炉腔内的加热热介质或电热热元件发热，以以此对物料或或工件进行加加热的工业炉炉。在机械工工业中，电阻阻炉主要用于于金属锻压前前加热、钎焊焊、金属热处处理加热、玻玻璃陶瓷焙烧烧和退火、粉粉末冶金烧结结、砂型和油油漆膜层的干干燥、低熔点点金属熔化等等工序1。自从发现楞茨-焦耳定律这这一电流的热热效应以后，电电热法最先应应用于家用电电器，后来在在具有陶瓷纤纤维电阻的实实验室小电炉炉中也采用此此法。到200世纪20年年代，伴随着着镍铬合金的的发明及广泛泛应用，在工工业领域，电电阻炉已得到到了广泛的普普及。工业领领域使用的电电阻炉一般说说来由电热元元件、金属壳壳体、砌体、炉炉用机械和电电气控制系统统、炉门等部部分组成。不不同结构的电电阻炉的加热热功率大不相相同，低功率率的不足一千千瓦，大功率率的可达数千千千瓦。根据据工作温度的的不同，电阻阻炉可分为低低温炉、中温温炉和高温炉炉。低温炉的的工作温度在在 650以下，中温温炉的工作温温度为650010000，高温炉炉的工作温度度1000以上。它们们的加热方式式也不同：高高温和中温炉炉主要采用辐辐射方式加热热，低温炉主主要采用对流流传热方式加加热。电加热炉随着科科学技术的发发展和工业生生产水平的提提高，已经在在冶金、化工工、机械等各各类工业控制制中得到了广广泛应用，并并且在国民经经济中占有举举足轻重的低低位。电热炉炉是具有非线线性、大滞后后、时变性、升升温单向等特特点的控制对对象。目前，对对于加热炉温温控系统的设设计大多是由由单片机作为为控制单元的的,经过PIID算法，由由单片机控制制功率控制元元件，进而达达到温控目的的。功率控制制元件多采用用可控硅、固固态继电器，也也有采用传统统的继电接接触器进行控控制。采用可可控硅作为功功率控制元件件，调功方式式主要有可控控硅移相调压压和双向可控控硅过零调功功2。基于单片的温控控系统的缺点点也很明显，比比如系统硬件件开销大，程程序设计比较较复杂，开发发周期较长，实实现的功能比比较单一等等等。随着计算算机技术的发发展，将单片片机与计算机机相结合，以以单片机作为为下位机，以以计算机作为为上位机，已已成为设计者者普遍采用方方法。此外，在控制算算法上，当对对温控系统有有较高的设计计要求时，传传统的PIDD算法可能满满足不了要求求。所以，也也有人将模糊糊神经网络算算法引入到加加热炉温控系系统中。如此此一来，既能能用模糊规则则来描述神经经网络的推理理过程，有可可以通过神经经网络来不断断调整模糊规规则；既能处处理加热炉生生产过程中的的模糊和不确确定因素，又又可以适应加加热炉对象的的非线性和时时变性。伴随着计算机技技术、通信技技术、微电子子技术、软件件技术的迅速速发展，测量量领域内不断断涌现出新的的测量理论、测测量方法和新新的仪器结构构，传统仪器器的概念越来来越受到新技技术新思想的的挑战。特别别是计算机软软件技术与将将计算机作为为核心的仪器器系统的紧密密结合，出现现了一种全新新的仪器虚拟仪器(Virtuual Innstrumment，VVI)，引发发了仪器概念念的突破性变变革。虚拟仪器(Viirtuall Insttrumenntion)是基于计算算机的仪器，它它根据仪器的的需求，组成成数据采集系系统。研究虚虚拟仪器主要要涉及两方面面的基础理论论，即数字信信号处理和计计算机数据采采集。目前，仪仪器技术发展展的一个重要要方向是将仪仪器与计算机机紧密结合。概概括起来，这这种结合有两两种方式。第第一种方式，把把计算机载入入仪器中，智智能化的仪器器就是采用这这种方式。由由于计算机的的功能越来越越强大并且体体积日趋缩小小，采用这种种方式构成的的仪器的功能能也越来越强强大。第二种种方式，把仪仪器载入计算算机中，以计计算机硬件及及其操作系统统为平台，实实现仪器的各各种功能。采采用第二种方方式的主要是是虚拟仪器。1986年，虚虚拟仪器的概概念在美国NNI公司诞生生。时至今日日，虚拟仪器器技术已成为为当代测控领领域的热点技技术。其发展展大致可分为为如下三个阶阶段3。(1) 采用计计算机技术增增强仪器的各各功能。通过过RS-2332C和GPPIB总线，用用户就可以将将传统仪器与与计算机连接接起来，就可可以实现使用用计算机来进进行仪器的控控制了。(2) 仪器结结构更加开放放。仪器的发发展离不开技技术的进步，插插入式的计算算机数据采集集卡和VXII总线标准的的确立这两大大硬件技术进进步，促使仪仪器的结构得得以开放，使使得由用户定定义仪器功能能和由供应商商定义仪器功功能的区别得得以消除。(3) 虚拟仪仪器的结构框框架得到了广广泛的认可和和采用。像在在软件领域中中一样，虚拟拟仪器开始采采用面向对象象技术，在构构建虚拟仪器器时，它把用用户需要知道道的东西封装装起来，使得得编程更加简简便高效。在在虚拟仪器的的硬件和软件件领域中，已已经产生了许许多行业标准准，几个虚拟拟仪器的平台台已经得到广广泛认可。目前在这一领域域内，使用较较为广泛或者者说首选的虚虚拟仪器开发发软件是美国国NI公司的的LabVIIEW。采用用LabVIIEW开发加加热炉温控系系统，可以充充分发挥G语语言(Graaphicss Langguage，图图形化编程语语言)编程的的优势。1.3 本设计计要做的工作作根据电加热炉大大惯性、大滞滞后的特点，采采用PID控控制算法，由由虚拟仪器控控制实现交流流过零触发PPWM脉宽调调功，功率控控制器件选用用双向可控硅硅。硬件的设设计任务主要要：有温度传传感器、数据据采集卡的选选型，PWMM波产生电路路的设计等。软软件的设计任任务主要有：采集数据的的处理、存储储、显示、打打印，PWMM波控制信号号的输出，通通信功能的实实现等。58第二章 虚拟仪器及LabVIEW简介第二章 虚拟仪仪器及LabbVIEW简简介2.1 虚拟仪仪器的基本概概念虚拟仪器是指，在在以通用计算算机为核心的的硬件平台上上，由用户自自己设计定义义，具有虚拟拟的操作面板板，测试功能能由测试软件件来实现的一一种计算机仪仪器系统44。传统的的电子仪器的的主体为硬件件，虚拟仪器器的出现突破破了这种模式式。与传统的的电子仪器相相比，它更为为通用。随着着当代科学技技术的迅猛发发展，人们对对测量仪器不不断提出新的的要求，虚拟拟仪器更能适适应这种要求求，它推动着着传统仪器朝朝着虚拟化、模模块化、数字字化、网络化化的方向发展展。虚拟仪器技术的的出现，打破破了传统仪器器由厂家定义义功能、用户户无法改变的的固定模式。虚虚拟仪器技术术给了用户一一个充分发挥挥自己才能和和想象力的空空间。用户可可以随心所欲欲地根据自己己的需求，设设计自己的仪仪器系统，满满足多种多样样的应用需求求。虚拟仪器中的“虚虚拟”有两个个方面的含义义5，分别别表现在：(1) 虚拟的的仪器前面板板。传统的仪仪器面板上的的控件都是物物理实物，都都遵循现实的的物理规律，必必须通过手动动或触摸进行行操作。在要要实现的功能能方面，虚拟拟仪器的前面面板上的控件件和传统的仪仪器控件没有有什么区别；在外形上，两两类控件非常常相像；在原原理上，传统统仪器控件的的操作对应着着相应物理过过程，如按键键触点的碰触触，而虚拟仪仪器控件的操操作对应着相相应的软件程程序。通过程程序实现的功功能。(2)与传统仪仪器通过硬件件来实现测控控功能不同，虚虚拟仪器通过过软件编程，来来实现与实物物一样的测控控功能。2.2 虚拟仪仪器的特点及及应用虚拟仪器技术集集合了多种现现代化技术于于一身，包括括计算机技术术、图形处理理技术、智能能测试技术、模模块及总线的的标准化技术术、数字信号号处理技术等等。虚拟仪器器具有模块化化、标准化、积积木化、系列列化的软件和和硬件平台，是是一个完全开开放的系统，它它具有下列一一些技术特点点6。(1) 传统仪仪器的功能被被虚拟仪器丰丰富和增强为了充分利用计计算机具有的的强大的数据据处理、 数数据传输和数数据发布的能能力，以便更更加简便灵活活地组建仪器器系统，虚拟拟仪器集中将将数据分析处处理、数据显显示存储及打打印和其他必必要的操作都都交给计算机机来处理。(2) 虚拟仪仪器进一步突突出了“软件件即仪器”的的概念虚拟仪器利用软软件代替传统统仪器中的某某些硬件，利利用软件实现现硬件的功能能，诠释了“软软件即仪器”的的概念。(3) 用户可可以自己定义义仪器的各种种功能虚拟仪器为用户户提供了重要要的源代码库库。当组建自自己的虚拟仪仪器时，利用用源代码库，用用户可以很方方便地实现、修修改仪器的各各种测控、通通信功能,让让用户可以充充分发挥自己己的能力和想想象力。(4) 虚拟仪仪器的行业标标准非常开放放虚拟仪器的软件件及硬件都具具有开放的行行业标准，利利用虚拟仪器器的标准，用用户可以统一一对仪器进行行设计、管理理和使用，可可以提高资源源的可重复性性利用率，使使得管理更加加规范，仪器器功能更加易易于扩展，仪仪器的开发和和维护费用更更加降低。(5) 经济性性好，易于组组建成更为复复杂的测试系系统虚拟仪器是基于于软件体系结结构的，传统统仪器是基于于硬件体系结结构的，用虚虚拟仪器代替替传统仪器，可可以节约大量量的购买和维维护成本。而而且，与传统统仪器相比，虚虚拟仪器更容容易组建成复复杂的分布式式测试系统，因因为虚拟仪器器可以利用高高速计算机网网络，很方便便地实现远程程通信、监控控、测试和故故障诊断等功功能。虚拟仪器作为新新兴的仪器代代表，由于具具有绝对的技技术优势，被被广泛应用于于电子、机械械、通信、汽汽车制造、生生物、医药、化化工、科研、军军事、教育等等各个领域。从从简单的仪器器控制、数据据采集到尖端端的测试和工工业自动化，从从大学实验室室到工厂企业业，从探索研研究到技术集集成，都可以以发现虚拟仪仪器技术的应应用成果。2.3 LabbVIEW的的含义LabVIEWW(Labooratorry Virrtual Instrrumentt Engiineer Workbbench，实实验室虚拟仪仪器集成环境境)是一种图图形化的编程程语言(又称称G语言)，它它是由美国NNI公司推出出的虚拟仪器器开发平台，也也是目前应用用最广、发展展最快、功能能最强的图形形化软件集成成开发环境之之一7。2.4 LabbVIEW的的发展1986年，美美国NI公司司于正式推出出了LabVVIEW1.0，现在已已发展到20011版本。220多年来，经经过公司的不不断改进和完完善，LabbVIEW的的功能更加丰丰富完备：包包含众多附加加软件包，比比如控制与仿仿真、统计过过程控制、高高级数字信号号处理、模糊糊控制、PIID和PDAA等；可运行行于多种平台台，比如Maacintoosh、UNNIX、Wiindowss和Linuux等。作为为一个具有强强大功能的标标准的虚拟仪仪器开发平台台，LabVVIEW广泛泛地被研究实实验室、学术术界及工业界界所接受，广广泛地应用于于航空航天、工工业控制、电电子半导体、汽汽车和通信等等众多领域。2.5 LabbVIEW的的结构利用LabVIIEW软件开开发的虚拟仪仪器，包括前前面板和程序序框图两个主主要部分。前面板就是虚拟拟仪器的测试试界面，是由由形象化的控控件组成的，可可以高度模拟拟传统仪器中中的各种控件件。通过前面面板，用户可可以展现包括括参数设置、菜菜单、结果显显示等各种测测试交互接口口。程序框图类似于于传统编程语语言中的程序序源代码，是是测试系统中中的数据处理理的流程。程程序框图与前前面板对象一一一对应，程程序框图中的的数据流对应应于前面板对对象的相关操操作。程序框框图采用图形形化节点进行行编程，使编编程更加简便便、高效。2.6 LabbVIEW的的优势概括地说，作为为一款成功的的虚拟仪器开开发软件， LabVIIEW具有许许多明显的特特点和优点，如如：采用图形形化编程语言言，开发效率率高，支持多多种仪器和数数具采集卡硬硬件的驱动，调调试、查错能能力强大，支支持多种操作作系统，网络络通信功能强强大等诸多优优点8。正是是由于LabbVIEW软软件具有的这这些优点，使使得LabVVIEW成为为开发虚拟仪仪器的首选平平台。第三章 系统总体方案及硬件电路设计第三章 系统统总体方案及及硬件电路设设计3.1 系统总总体方案基于虚拟仪器的的加热炉温控控系统设计方方案结构框图图如3-1所所示。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 系统统总体方案结结构框图这是一个闭环控控制系统，根根据加热炉大大惯性、大滞滞后的特点，采采用PID控控制算法，由由虚拟仪器控控制实现交流流过零触发PPWM脉宽调调功9，功率率器件选用双双向可控硅。具具体设计方案案如下：由传传感器测得的的炉温信号经经过变送环节节送给数据采采集卡，采集集卡对信号进进行A/D转转换后传输至至虚拟仪器，虚虚拟仪器中的的PID算法法对信号处理理后产生控制制信号，再经经过采集卡DD/A转换后后输出控制PPWM波产生生电路，改变变PWM波占占空比，产生生的PWM波波经过光耦MMOC30441控制双向向可控硅的通通断，以此改改变加在电阻阻上的电压，达达到温控目的的。3.2 硬件电电路设计硬件电路的设计计包括传感器器的选型、测测温电路的设设计、数据采采集卡的选型型、PWM波波产生电路的的设计、光耦耦及双向可控控硅的选型、交流过零触触发PWM脉脉宽调功电路路设计。3.2.1 传传感器的选型型温度敏感元件选选用Pt1000。铂电阻阻的物理化学学性能非常稳稳定，精度高高，耐氧化性性强，且电阻阻率较高、复复现性好。可可用作基准电电阻和标准热热电阻。铂电电阻的温度测测量范围为-2008850。铂铂电阻的阻值值与温度的关关系是一个典典型的非线性性函数，一般般工业用的铂铂电阻可以用用式3-1、3-2表示10。 (850) (3-1) (-2000) (3-2)式中，为温度在在时的电阻阻值，、和为常数，其值值分别为：；。本设计选用一体体化传感器。一体化的温温度传感器集集温度敏感元元件和变送单单元于一体。首首先，温度敏敏感元件将温温度信号转化化为微弱的电电信号，再经经过信号的调调理放大环节节，最后再由由线性电路对对温度数据进进行非线性补补偿，输出4420mAA的恒流信号号。一体化温温度传感器的的采用，简化化了系统硬件件电路的设计计。具体型号号采用锦州精精微仪表有限限公司的WZZPKKB2312YY14000/2500-20.2%(00400)。常用的Pt电阻阻接法有三线线制和两线制制，其中三线线制接法的优优点是将Ptt100的两两侧相等长度度的导线分别别加在两侧的的桥臂上，使使得导线电阻阻得以消除。常常用的温度测测量电路主要要有两种：一一种是桥式测测温电路，可可分为两线制制、三线制、四四线制桥式测测温电路；另另一种是恒流流源式测温电电路。在热电电阻测温系统统中，引线电电阻的大小对对测量结果有有很大的影响响。恒流源式式测温电路可可以消除引线线电阻的影响响，本设计就就是采用恒流流源式测温电电路，其测温温电路图如图图3-2所示示。图3-2 恒流流源测温电路路对于LM3588，放大器工工作于线性运运放状态，根根据虚短和虚虚断概念，得流过PPt100的的恒定电流为为0.001124。3.2.2 数数据采集卡的的选型数据采集(DAAQ)，是指指从传感器和其它它待测设备等等模拟和数字字被测单元中中自动采非电电量或者电量量信号,送到到上位机中进进行分析、处处理。被测物理量传感器信号调理数据采集卡计算机图3-3 数据据采集系统结结构数据采集系统是是通过测量软软、硬件产品品的有机结合合来实现灵活活的、具有用用户自定义功功能的测量系系统，它基于于计算机或者其其他专用测试试平台。数据据采集系统的的结构如图33-3所示11。一般的数据采集集过程如图33-4所示。框框图中的相关关采样参数包包括以下几个个：采样通道道，即需要由由多路开关进进行扫描的通通道；采样次次数，即多路路开关对通道道进行扫描的的次数；采样样频率，即单单位时间内多多路开关对通通道进行一次次扫描的次数数；数据缓存存大小，确定定数据采集卡卡的数据缓存存可以存储多多少扫描得来来的数据。数据采集卡，就就是实现数据据采集(DAAQ)功能的的计算机扩展展卡。数据采采集卡的主要要性能指标主主要有通道数数、采样频率率、分辨率、精精度、量程等等，根据实际际需要，选择择具有相应性性能的采集卡卡。选择数据采集卡卡时，要根据据具体的采集集任务，及现现有的技术资资源。本设计计要求数据采采集卡要采集集一路模拟信信号，输出一一路模拟控制制信号，要求求输入分辨率率为12位，采采样速率为110KS/ss,输出分辨辨率为12位位，故采用的的数据采集卡卡为美国NII公司的NII USB-6009多多功能数据采采集卡。NII USB-6009的的主要技术指指标如下：88个模拟输入入通道(144位、48KKS/s采样样速度，AII0AI77)，2路112位模拟输输出通道(1150 S/s，AO00，AO1)，12个II/O通道(P0.0P0.7，PP1.0PP1.3)，11个32位计计数器/定时时器(PFII0)。图3-4 数据据采集过程框框图NI USB-6009数数据采集卡具具有单端和差差动两种输入入模式，连接接参考单端电电压信号和连连接差分电压压信号。本设设计采用后面面一种输入模模式。连接差分电压信信号时，输入入信号的正负负极分别接入入采集卡的“AAI+” “AAI-”通道道，它能够抑抑制接地回路路感应误差，消消除共模干扰扰，是一种比比较理想的输输入模式。连接差分电压信信号电路图如如图3-5所所示，将输入入信号的正极极连接到NII USB-6009数数据采集卡的的“AI+”通通道，输入信信号的负极连连接到数据采采集卡对应的的“AI-”通通道。图3-5 连接接差分电压信信号3.2.3 PPWM波产生电电路的设计本设计采用硬件件搭建PWMM产生电路，主主要由三角波波发生器、电电平比较器、施施密特触发器器组成，原理理框图如图33-6所示。其原理为，首先先，三角波发发生器产生频频率恒定的三三角波，三角角波和LabbVIEW编编写的虚拟仪仪器产生的控控制信号通过过在电平比较较器中比较，产产生占空比由由控制信号决决定的PWMM脉冲波，之之后经过施密密特触发器滤滤除电平附近近由于干扰产产生的振荡成成分，使波形形规则化，产产生标准的PPWM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 PWWM波产生电电路三角波发生器选选用MAX0038，它使使用很少的外外部元器件就就可以产生精精确、高频率率的三角波信信号。利用内内部2.5VV基准电压配配以外部的电电阻电容就可可以产生频率率为0.1HHz20MMHz的三角角波。电平比比较器选用LLM339，施施密特触发器器采用74LLS14。产产生PWM波波电路图如图图3-7所示示。三角波周期计算算公式为 (3-3)其中， (3-4)为基准电源电压压，其值为22.5V。本设计中。LaabVIEWW输出的控制制信号的控制制周期为1ss，与之对应应，产生的三三角波周期也也应为1s。即即,所以。产生生的三角波幅幅值最大为11V，而LaabVIEWW输出的控制制信号幅值为为05V，故故采用LM3318对三角角波进行信号号放大，使得得三角波幅值值也在055V内变化。图3-7 PWWM波产生电电路3.2.4 交交流过零触发发PWM脉宽调调功原理采用可控硅作为为功率控制元元件，功率控控制方式主要要有两种，即即可控硅移相相调压和双向向可控硅过零零调功。可控控硅移相调压压方式通过改改变触发脉冲冲触发角来改改变可控硅导导通角，进而而改变电压值值。此方式需需要具有准确确相角的触发发脉冲122，系统设设计较复杂，而而且通过负载载的不是完整整的正弦波，会会产生高次谐谐波，造成电电网电压波形形畸变，影响响其他用电设设备。双向可可控硅过零调调功既具有较较好的控制精精度，又不存存在可控硅移移相调压方式式具有的一切切缺点，它是是在交流电过过零时触发双双向可控硅的的导通，使得得流过负载的的电压电流是是完整的正弦弦波，不存在在波形畸变。而而且，对触发发脉冲的相位位要求也大大大降低，触发发时只需外加加一个过零检检测电路既可可。所谓过零零检测，就是是检测交流电电压或电流的的过零点。本本设计采用后后一种调功方方式。交流过零触发PPWM脉宽调调功原理如图图3-8所示示13。图图中，光耦选选用了过零双双向可控硅型型光耦MAXX3041，它它集光电隔离离、过零检测测、过零触发发等功能于一一体，简化了了输出通道隔隔离、驱动电电路的结构。图3-8 交流流过零触发PPWM脉宽调调功原理电路分析如下。当当PWM控制制脉冲为高电电平，且光耦耦MOC30041检测到到电压过零点点时，光耦中中的光敏双向向可控硅导通通，发出触发发信号触发双双向可控硅导导通。此后，只只要PWM波波一直是高电电平时，双向向可控硅就一一直导通，使使得负载上通通过的是完整整的正弦波。当当PWM脉冲冲变为低电平平时，光耦在在电压过零时时就不再向双双向可控硅发发触发信号，于于是当电压再再次过零时双双向可控硅截截止，电流不不再流过负载载。通过改变变PWM波占占空比，就可可以控制流过过负载的电压压周波数，进进而达到调节节功率的目的的，在本设计计中，就是达达到温控的目目的。第四章 温控系统软件设计第四章 温控系系统软件设计计本设计采用LaabVIEWW软件开发虚虚拟仪器。整整个系统可分分为登录系统统模块、数据据采集及处理理控制模块、数数据存储模块块、查看历史史数据模块、打打印模块、通通信模块等各各功能模块，最最后将这些小小的功能模块块有机组合，组组成完整的加加热炉温控系系统。本章将将先分别介绍绍各个功能子子模块，最后后完成总的系系统设计。4.1 登录系系统设计图4-1 登录录系统前面板板完整的系统设计计都必须要有有使用权限设设置。本系统统首先设计了了一个登录系系统。登录系系统前面板及及程序框图如如图4-1、44-2所示。用用户进入主程程序之前，需需要输入正确确的用户姓名名及登录密码码，否则就不不可以进行主主程序的操作作。当第一次次登录系统时时，会提醒用用户进行用户户名及登录密密码的重新设设置，当然，用用户也可以主主动进行用户户名及登录密密码的修改。在在重新设置用用户名及登录录密码密码时时，登录系统统会提示用户户输入管理员员密码，只有有输入正确的的管理员密码码，才可以继继续重置工作作。前面板添添加了一个指指示灯，当正正确登陆系统统时会由红色色变为绿色。当当使用完系统统后，点击“退退出程序”按按钮就可以退退出系统。当用户填写不正正确的用户名名或密码时，会会弹出如图44-3所示的的对话框，直直至用户输入入正确的用户户名和密码。图图4-4为用用户重置用户户名和密码时时提醒用户输输入管理员密密码的对话框框。图4-2 登录录系统程序框框图图4-3 用户户名或登录密密码错误时的的提示对话框框主程序以子程序序的形式嵌入入到登录系统统中。设计主主程序为子程程序的方法为为单击主程序序前面板的文文件，在下拉拉菜单中选择择“VI属性性”，会出现现一个对话框框，在对话的的类别栏中选选择窗口外观观，将对话框框页面切换到到窗口显示属属性页面，如如图4-5所所示。图4-4 重置置用户名及密密码时提示输输入管理员密密码图4-5 子VVI属性对话话框在对话框中单击击自定义按钮钮，弹出自定定义窗口外观观对话框，如如图4-6所所示，在对话话中选择“调调用时显示前前面板”和“如如之前未打开开则在运行后后关闭”。如此一来，登录录系统后主程程序会作为子子VI被调用用，且主程序序前面板会弹弹出来，供用用户设置。选选中“如之前前未打开则在在运行后关闭闭”选项后，则则当主程序运运行结束后，其其前面板会自自动消失。图4-6 子VVI窗口外观观对话框4.2 数据采采集及处理控控制模块的设设计数据采集及处理理控制模块时时本系统的重重中之重设计计，实现的主主要功能包括括温度信号的的采集、采集集数据的处理理、PID控控制信号的产产生等，每个个功能模块又又可以分为若若干子模块，本本节内容将一一一给予详细细介绍。4.2.1 温温度信号的采采集基于虚拟仪器的的采集系统典典型框架为：传感器信信号调理器数据采集设设备计算机机。传感器将将被测量的温温度信号转化化为电信号；信号调理器器对电信号进进行 放大、滤滤波、隔离等等预处理；数数据采集设备备主要功能是是将模拟信号号转化为数字字信号、此外外一般还有放放大、采样保保持、多路复复用等功能。数据采集系统一一般由数据采采集硬件、硬硬件驱动程序序和由数据采采集函数编制制的软件几个个部分组成14。如如前所述，本本设计采用NNI USBB-60099多功能数据据采集卡。所所谓硬件驱动动程序就是应应用软件驱动动硬件正常工工作的编程接接口。硬件驱驱动程序包含含着相应硬件件可以接受的的由软件发出出的操作命令令，完成软件件与硬件之间间的数据传递递。借助于强强大的硬件驱驱动程序，LLabVIEEW的编程工工作将会大大大简化，开发发效率显著提提高，开发成成本也明显降降低。本设计计采用的硬件件驱动程序为为NI-DAAQ8.6.1版本。本设计要求加热热炉温度稳定定在80，允许许有±1误差，故故设置温度范范围为01100。采采集数据只有有模拟量温度度信号，故为为单通道数据据采集。数据据采集卡和计计算机之间进进行数据传输输时，需要对对物理通道和和虚拟通道进进行选择。所所谓物理通道道就是被测试试的信号或生生成的信号实实际进出计算算机的路径，例例如，NI USB-66009上的的模拟输入通通道AI0AI5，模模拟输出通道道AO0、AAO1，数字字I/O通道道为P0.00P0.77，P1.00P1.33。所谓虚拟拟通道是一系系列设置的集集合，包括通通道名、对应应的物理通道道、信号连接接方式、测试试类型和标度度等。本设计计物理通道选选择AI0、AAO0，对应应的虚拟通道道为Dev11/ai0、DDev1/aao0。由数据采集函数数编制温度数数据采集软件件，主要步骤骤如下155：(1) 调用DDAQmx Creatte Virrtual Channnel.vii创建虚拟通通道，并配置置相应的物理理通道、采样样数据的最大大值和最小值值、输入端配配置方式。(2) 调用DDAQmx Timinng.vi，并并设置采样速速率、采样模模式、缓存大大小。(3) 调用DDAQmx Startt Taskk.vi，将将采集任务转转换到运行状状态。(4)