【正文】 ................................. 45 附錄 C 電熱水器溫度雙位控制系統(tǒng)程序框圖 ..................................................................... 46 致謝 .......................................................................................................................................... 47 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第一章 引言 電熱水器簡介 熱水器是一種可供洗手間 、 廚房 、 浴室使用的家用電器 。隨著人民生活水平和環(huán)保安全意識的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電熱水器越來越受到消費者的青睞，電熱水器的使用得到不斷普及。目前，安全、節(jié)能、多功能、智能化是其主要發(fā)展方向。目前市場上熱水器主要品種有電熱水器、太陽能熱水器、燃氣熱水器。 電熱水器的分類 根據(jù)水流方式的不同， 電熱水器 可 分為儲水式和即熱式（快速式）兩種類型 。 顧名思義，即熱式電熱水器就是利用 電熱管 、電熱棒、 玻璃 管或塑料管加熱，即開即熱，無需預熱和保溫。 而按照水路 控制方式的不同，電熱水器還可以分為前制式和后制式。 安全 、節(jié)能 、 多功能 、 智能化 、 數(shù)字化是其主要發(fā)展方向 。單片機的計數(shù)器 Tl設定為 8 位常數(shù)自動 裝入 工作方式，其初值 TL1=255，每按一下按鈕 S， T1 中斷一次，計數(shù)值加 1（ 計數(shù)初值為 32H=20℃ ） ，超過 99℃后自動恢復為 20℃。 圖 基于單片機的電熱水器溫度控制系統(tǒng) 由單片機構成的電熱水器 溫度 控制器具有多功能、安全、適用性強等特點 ， 與同類的電熱水器相比還具有節(jié)能的優(yōu)點 ， 因此將具有較強的競爭力。 “軟件就是儀器”是虛擬儀器帶給儀器工業(yè)的一次革命 ， 作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性、通俗性、可視性、可擴展性和升級性 等優(yōu)點， 能為用戶帶來極大的利益。 虛擬儀器的出現(xiàn) ，克服了以硬件為主 的傳統(tǒng)儀器的功能只能由廠家定義而用戶難以改變的缺陷 。 與以硬件為主的傳統(tǒng)儀器不同 ， 在虛擬儀器中數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理控制、信號處理以及結果顯示等主要通過軟件實現(xiàn) 。 以上兩點是虛擬儀器的必備要素 。它是利用計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能 ， 建立虛擬儀器面板 ， 以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能。 虛擬儀器的結構及組成 一套完整的虛擬儀器系統(tǒng)的結構一般來說分為四層 ： （ 1） 測試管理層 用戶使用虛擬儀器生產(chǎn)廠商開發(fā)的應用程序 ， 組成自己的一套測試儀器。 （ 3） 儀器驅(qū)動層 由生產(chǎn)商開發(fā) ， 針對不同類型的儀器有不同的驅(qū)動程序接口。 一個完整的 虛擬儀器主要由高效的軟件、模塊化的 I/O 硬件以及用于集成的軟硬件平臺組成。硬件技術的核心是接口總線技術，其關鍵就是在掌握構成虛擬測控系統(tǒng)各種內(nèi)外總線的構成標準、通信方式的基礎上，設計與測控對象相連的各種接口板卡 ，完成數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理與傳輸、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理等功能。根據(jù)構成虛擬儀器的接口總線不同，主要可分為如下幾種構成方案， 按照構成虛擬儀器的接口總線不同，可分為 PCDAQ、 GPIB、 RS232/RS42 VXI、 PXI 等。 （ 2） 基于通用接口總線 GPIB(general purpose interfacebus)接口的虛擬儀器，它是以GPIB 接口儀器、 GPIB 接口卡及 PC 機為儀器硬件平臺， GPIB 為通用接口總線的簡稱，是一種并行方式的外總線，它實質(zhì)上是通過計算機對傳統(tǒng)儀器的功能擴展和延伸，目前，許多市售的臺式儀器大多裝有 GPIB 接口。其中 ， 控制器安裝在零號槽中，稱為零槽控制器。 標準的 PXI 模塊化儀器系統(tǒng)有 8 個插槽，還可與 CompactPCI 交互操作，可與 GPIB或 VXI 集成，組 成大規(guī)模、多用途系統(tǒng)。 （ 6） 基于現(xiàn)場總線設備的虛擬儀 器，它是以 Fieldbus 標準總線儀器及 PC 機為儀器硬件平臺的。 （ 1） VISA（ Virtual Instrumentation Software Architecture）庫 。每個儀器都有自己的儀器驅(qū)動程序，由儀器廠商提供。 目前 ， 虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺主要有 Visual C++， Visual Basic， 以及 HP 公司的VEE 和 NI 公司的 LabVIEW、 Lab Windows/CVI 等。所以，只要把程序流程框圖畫好了，程序也就差不多編好了。當把一個控件或指示器放到前面板上時，框圖中相應地放置一個端子 (Terminals)，這個端子不能隨意被刪除，只有刪除它對應的控件或指示器時它才隨之一起被刪除。 （ 2） 根據(jù)測試要求確定儀器功能。前面板由大量的虛擬控件組成。也可以把它想象為傳統(tǒng)儀器機箱里用來實現(xiàn)儀器功能的零部件。在彩色監(jiān)視器上，每種數(shù)據(jù)類型以不同的顏色和線形強調(diào)顯示。 在性能上，隨著 A/D 轉(zhuǎn)換技 術、儀器放大技術、抗混疊濾波技術與信號調(diào)理技術的發(fā)展， DAQ 的采樣速率已達 1Gb/s，精度高達 24 位，通道數(shù)高達 64 個，并能任意結合數(shù)字 I/O、模擬 I/O、計數(shù)器 /定時器等通道。 （ 1） 基于 PCI 總線的多功能虛擬儀器 PCI 總線是一種獨立于 CPU 的 32 位或 64 位局部總線，時鐘頻率為 33MHz，數(shù)據(jù)內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 傳輸率高達 132 MB/s~264MB/s， PCI 總線技術用無限讀寫突發(fā)方式，可在一瞬間發(fā)送大量數(shù)據(jù)。 其工作原理是：由主機啟動程序，發(fā)出按時 間步進的頻率控制字送入信號源電路，產(chǎn)生頻率隨時間在 1MHz～ 70MHz 范圍內(nèi)變化的恒幅正弦波模擬信號。 （ 2） 基于 USB 總線的嵌入式虛擬儀器的設計 嵌入式虛擬儀器從功能模塊上分為：信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、嵌入式控制模塊、存儲系統(tǒng)、液晶顯示模塊、 USB 總線接口邏輯等部分。該總線具有輕巧簡便、價格便宜、連接方便快捷的 特點，現(xiàn)在已被廣泛用于寬帶數(shù)字攝像機、掃描儀、打印機及存儲設備。系統(tǒng)的體系結構設計按照智能模塊的設計思路進行，智能模塊的作用是完成特定應用的測試功能。 USB 總線具有“即插即用 — plugamp。該標準的成功之處在于，它使測試系統(tǒng)的互連和通訊標準化。每臺 GPIB 儀器有單獨的地址，由計算機控制操作。 與 GPIB 儀器系統(tǒng)相比， VXI 模塊沒有前操作面板，因此，應用 VXI 總線組建測試系統(tǒng)必須編制虛擬的“軟前面板” 以完成對儀器系統(tǒng)的操作控制〔當今流行的可視化編程語言如 Visual Basic、 Visual C、 Delphi等均可以在 VXI 平臺上構造一個完全圖形化的用戶操作面板，實現(xiàn)測試控制、數(shù)據(jù)分析、結果顯示等功能，從而設計出各種操作方便的基于圖形用戶界面（ GUI）的集成測試系統(tǒng)。 PXI 總線方式的虛擬儀器 PXI 總線 是 1997 年由 NI 公司推出的一種新的開放性、模塊化的儀器總線規(guī)范，它是在 PCI 總線內(nèi)核技術上增加了成熟的技術規(guī)范和要求形成的?？梢赃@樣說，以太網(wǎng)的發(fā)展為基于網(wǎng)絡的測試 系統(tǒng)提供了 平 臺，也成就了 LXI 的誕生。以太網(wǎng)采用的 TCP/IP 協(xié)議在 Inter 內(nèi)廣泛使用。 未來的總線將會向?qū)I(yè)化和大眾化方向發(fā)展 。用戶完全可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、人工智能技術和專家系統(tǒng)應用于儀器設計與集成，從 而將智能儀器水平提高到一個新的層次。這樣形成的測試儀器系統(tǒng)功能更靈活、更高效、更開放、系統(tǒng)內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 費用更低。使用計算機的多媒體處理能力可以使儀器操作變得更加直觀、簡便、易于理解，測量結果可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或通過網(wǎng)絡發(fā)送。 虛擬儀器除了具有上述主要優(yōu)點外還具有下 述優(yōu)點： （ 1） 將所用的程控儀器的控制信息集 成在 虛擬儀器 的軟件模塊中，對用戶來講 是完全透明的。隨著計算機技術的發(fā)展， 尤其是數(shù)字信號處理技術的進步 ， 在儀器的信號處理部分，用軟件代替硬件成為可能 ， 即：用算法代替電 子線路 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器的信號處理功能， 即把傳統(tǒng)儀器的后兩部分 （ 信號處理、結果表達與儀器控制 ） 用計算機軟件來實現(xiàn)，而不再采用硬件 （ 電內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 子線路 ） 來實現(xiàn)。虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”?；谔摂M儀器的網(wǎng)絡化測控系統(tǒng)是分布式測控系統(tǒng)，它利用網(wǎng)絡將分散的各種測控設備相連接，利用 網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，以實現(xiàn)信息、資源共享，協(xié)同工作，從而完成復雜的測控任務，因而具備以下功能： （ 1） 支持遠程測控； （ 2） 支持分布式應用； （ 3） 支持異地域數(shù)據(jù)存??； （ 4） 支持異地服務請求與訪問。 （ 2） 通信網(wǎng)絡包括測試服務器、瀏覽服務器、中央管理計算機和網(wǎng)關等， 負責對各測控基本功能單元 進行任務分配、對采集的數(shù)據(jù)進行計算、處理和分析、存儲、系統(tǒng)故障診斷 報警和提供瀏覽服務等。該系統(tǒng)主要面向大眾用戶，盡管普及面較廣，但基于 Windows 操作系統(tǒng)的應用程序占用內(nèi)存大，系統(tǒng)穩(wěn)定性不理想，常出現(xiàn)“死機”現(xiàn)象。與通常的 windows 系統(tǒng)相比， linux允許多個用戶同時登陸，充分利用操作系統(tǒng)的資源。每個程序都有自己的主內(nèi)存區(qū) ，系統(tǒng)處理主內(nèi)存區(qū)是采取保護的方式，可以避免 因為一個程序的執(zhí)行失敗而引起整個系統(tǒng)癱瘓。 其工作過程如下：溫度信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理 和數(shù)據(jù)采集卡進入計算機，在計算機上運行的 LabVIEW 程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進行分析處理，結果由計算機顯示。 溫度 測量及 調(diào)理電路 溫度測量及調(diào)理電路 主要由溫度傳感器和信號調(diào)理兩部分組成，用于對電熱水器溫度的檢測 及信號 調(diào)理。在 0100℃之間線形變 化時輸出的阻值也在 100— 歐之間幾乎線形變化，能夠很好的滿足系統(tǒng)的要求。 溫度的測量和控制主要取決于溫度測量精度，因此，為了保證精度，從硬件采用了三個方面的措施： （ 1） 測量中傳感器的連接采用三線制方法 。采用三線制，將導線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。 圖 即為溫度 信號 調(diào)理電路的電路圖 。 本設計選擇的是調(diào)壓方案。 圖 中的晶閘管 VT1 和 VT2 也可以用一個雙向晶閘管代替。正負半周α起始時刻（α =0）均為電壓過零時刻。α =0 時，相當于晶閘管一直接通，輸出電壓為最大值 U0=U1。 在本設計中，數(shù)據(jù)采集卡 PCI6221 輸出的脈沖信號就是根據(jù) 上述原理 來改變加熱棒兩端的有效電壓，以此改變電熱水器溫度，以滿足實際的需要。 0 TUUTT m?? （ ） V T1V T2U1U0I0RG 2G 1 圖 調(diào)壓方案電路圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） ω tU10ω t0ω tU00ω t0I0GT 1αT /2G 1 G 2 圖 調(diào)壓方案波形圖 為了讓用戶在使用時不必擔心由于外電路原因或誤操作引發(fā)計算機部件和采集卡的燒壞，通常需要在采集卡和強電設備之間設置電隔離，考慮到采集卡的輸出信號需要對后續(xù)電路的觸發(fā)，這里選用集隔離、過零檢測、過零觸發(fā)功能于一體的光電藕合器件MOC3041，它具有體積小、功耗低、抗干擾能力強、無噪音等優(yōu)點，可為大功率的 晶閘管提供足夠的觸發(fā)電流。 其工作原理如圖 ，圖 所示 。 本系統(tǒng)在綜合考慮 A/D 和 D/A 通道數(shù)目、采樣速率、輸入精度、 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換速度、分辨率與精度等技術指標的情況下，選用 NI 公司的 PCI6221 型數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件的核心部分。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 PCI6221 引腳圖 系統(tǒng)軟件設計 溫 控 系 統(tǒng) 主 控 模 塊信 號采 集模 塊分 析處 理模 塊P I D參 數(shù)整 定模 塊P I D控 制顯 示模 塊 圖 系統(tǒng) 軟件 功能模塊圖 本系統(tǒng) 軟件 功能模塊圖如圖 所示。它通過與其它模塊的通訊來完成數(shù)據(jù)采集與處理、 PID 控制等功能。本文也采用 PID 控制。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零 。積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結合，組成 PI 調(diào)節(jié)器 或者 PID 調(diào)節(jié)器。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”， 微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變