【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)用的鉑電阻可以用式 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 為溫度在 t ℃ 時的電阻值 ， A 、 B 和 C 為常數(shù)， 其值 分別為：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 ?? ? ? ?。 本設(shè)計選用一體化傳感器 。 一體化的溫度傳感器集溫度敏感元件和變送單元于一體。首先，溫度敏感元件將溫度信號轉(zhuǎn)化為 微弱的電信號，再經(jīng)過信號的調(diào)理放大環(huán)節(jié)，最后再由線性電路對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性補(bǔ)償，輸出 4～ 20mA 的恒流信號 。一體化溫度傳感器的采用，簡化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。 具 體 型 號 采 用 錦 州 精 微 儀 表 有 限 公 司 的WZPKKB—2312Y—1—400/2502—%—(0～ 400℃ )。 常用的 Pt 電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點是將 Pt100的兩側(cè)相等長度的導(dǎo)線分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。常用的溫度測量電路主要有兩種：一種是橋式測溫電路，可分為兩線制、三線制、四線制橋式測溫電路；另一種是恒流 源式測溫電路。在熱電阻測溫系統(tǒng)中，引線電阻的大小對測量結(jié)果有很大的影響。恒流源式測溫電路可以消除引線電阻的影響，本設(shè)計就是采用恒流源式測溫電路，其測溫電路圖如圖 32 所示。 32184U ? AL M 3 5 8R?3 .3 k一體化溫度傳感器R?250C?104V C CGND1 5 V4 .0 9 6 V 圖 32 恒流源測溫電路 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計 9 對于 LM358，放大器工作于線性運(yùn)放狀態(tài)，根據(jù)虛短和虛斷概念， u V???? ，100 1oPtu uRR??? ，得流過 Pt100 的恒定電流為 。 數(shù)據(jù)采集卡的選型 數(shù)據(jù) 采集 (DAQ)，是指從 傳感器 和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號 ,送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理。 圖 33 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過測量軟、硬件產(chǎn)品的有機(jī)結(jié)合來實現(xiàn)靈活的、具有用戶自定義功能的 測量系統(tǒng) ，它基于 計算機(jī) 或者其他專用測試平臺。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 33 所示 [11]。 一般的數(shù)據(jù)采集過程如圖 34 所示?？驁D中的相關(guān)采樣參數(shù)包括以下幾個：采樣通道，即需要由多路開關(guān)進(jìn)行掃描的通道；采樣次數(shù)，即多路開關(guān)對通道進(jìn)行掃描的次數(shù)；采樣頻率，即單位時間內(nèi)多路開關(guān)對通道進(jìn)行一次掃描的次數(shù)；數(shù)據(jù)緩存大小，確定數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)緩存可以存儲多 少掃描得來的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)采集卡，就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集 (DAQ)功能的計算機(jī)擴(kuò)展卡。數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標(biāo)主要有通道數(shù)、采樣頻率、分辨率、精度、量程等，根據(jù)實際需要，選擇具有相應(yīng)性能的采集卡。 選擇數(shù)據(jù)采集卡時，要根據(jù)具體的采集任務(wù)，及現(xiàn)有的技術(shù)資源。本設(shè)計要求數(shù)據(jù)采集卡要采集一路模擬信號，輸出一路模擬控制信號，要求輸入分辨率為 12 位，采樣速率為 10KS/s,輸出分辨率為 12 位，故采用的數(shù)據(jù)采集卡為美國 NI 公司的 NI USB6009 多功能數(shù)據(jù)采集卡。 NI USB6009 的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 8 個模擬輸入通道 (14 位、 48KS/s 采樣速度， AI0～ AI7)， 2 路 12 位模擬輸被測物理量 傳感器 信號調(diào)理 數(shù)據(jù)采集卡 計算機(jī) 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計 10 出通道 (150 S/s， AO0， AO1)， 12 個 I/O 通道 (～ ， ～ )， 1 個32 位計數(shù)器 /定時器 (PFI0)。 數(shù) 據(jù) 采 集 V I傳 遞 相關(guān) 參 數(shù) 給 數(shù) 據(jù) 卡采 樣 開 始 ， 多 路 開關(guān) 對 采 樣 通 道 依 次掃 描 ， 每 通 道 采 樣一 個 點采 樣 的 模 擬 信 號 送到 A /D 轉(zhuǎn) 換 器 轉(zhuǎn) 換成 數(shù) 字 信 號數(shù) 據(jù) 信 號 存 儲 到 數(shù)據(jù) 緩 存 中完 成 所 需 的 采樣 次 數(shù) ？從 數(shù) 據(jù) 采 集 卡 的 數(shù)據(jù) 緩 存 中 讀 取 數(shù) 據(jù)到 計 算 機(jī) 內(nèi) 存 中 ，完 成 數(shù) 據(jù) 采 集 工 作否是 圖 34 數(shù)據(jù)采集過程框圖 NI USB6009 數(shù)據(jù)采集卡具有單端和差動兩種輸入模式，連接參考單端電壓信號和連接差分電壓信號。本設(shè)計采用后面一種輸入模式。 連接差分電壓信號時 ，輸入信號的正負(fù)極分別接入采集卡的 “AI+” “AI”通道，它能夠 抑制接地回路感應(yīng)誤差，消除共模干擾，是一種比較理想的輸入模式。 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計 11 連接差分電壓信號電路圖如圖 35 所示，將輸入信號的正極連接到 NI USB6009 數(shù)據(jù)采集卡的 “AI+”通道，輸入信號的負(fù)極連接到數(shù)據(jù)采集卡對應(yīng)的“AI”通道。 A I +A I N I U S B 6 0 0 9電 壓 源 圖 35 連接差分電壓信號 PWM波產(chǎn)生電路的設(shè)計 本設(shè)計采用硬件搭建 PWM 產(chǎn)生電路，主要由三角波發(fā)生器、電平比較器、施密特觸發(fā)器組成，原理框圖如圖 36 所示。 其原理為，首先，三角波發(fā)生器產(chǎn)生頻率恒定的三角波， 三角波和 LabVIEW編寫的虛擬儀器產(chǎn)生的控制信號通過在電平比較器中比較，產(chǎn)生占空比由控制信號決定的 PWM 脈沖波，之后經(jīng)過施密特觸發(fā)器濾除電平附近由于干擾產(chǎn)生的振蕩成分，使波形規(guī)則化，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的 PWM 波。 圖 36 PWM 波產(chǎn)生電路 三角波發(fā)生器選用 MAX038，它使用很少的外部元器件就可以產(chǎn)生精確、LabVIEW控制信號 電 平 比較 器 施密特觸發(fā)器 三 角 波發(fā)生器 PWM 波 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計 12 高頻率的三角波信號。利用內(nèi)部 頻率為 ～ 20MHz 的三角波。電平比較器選用 LM339，施密特觸發(fā)器采用74LS14。產(chǎn)生 PWM 波電路圖如圖 37 所示。 三角波周期計算公式為 /in ff I C? (33) 其中， /in in inI U R? (34) inU 為基準(zhǔn)電源電壓，其值為 。 本設(shè)計中 50inRk??。 LabVIEW 輸出的控制信號的控制周 期為 1s，與之對應(yīng)，產(chǎn)生的三角波周期也應(yīng)為 1s。即 / 1sin ff I C??,所以 50fC uF? 。產(chǎn)生的三角波幅值最大為 1V，而 LabVIEW 輸出的控制信號幅值為 0～ 5V，故采用 LM318對三角波進(jìn)行信號放大，使得三角波幅值也在 0～ 5V內(nèi)變化。 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三角波輸出542312U ? AL M 3391 2U ? A74L S 14V C CR?R E S 2L a bV I E W 控制信號P W M 波V C C3261 5874U?L M 318V C C 12R?R E S 2R?100GNDR?20R in50kCf50uF 圖 37 PWM 波產(chǎn)生電路 交流過零觸發(fā) PWM脈寬調(diào)功原理 采用可控硅作為功率控制元件，功率控制方式主要有兩種，即可控硅移相調(diào)壓和雙向可控硅過零調(diào)功。 可控硅移相調(diào)壓方式通過改變觸發(fā)脈 沖觸發(fā)角來改變可控硅導(dǎo)通角，進(jìn)而改變電壓值。此方式需要具有準(zhǔn)確相角的觸發(fā)脈沖 [12]，第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計 13 系統(tǒng)設(shè)計較復(fù)雜，而且通過負(fù)載的不是完整的正弦波，會產(chǎn)生高次諧波，造成電網(wǎng)電壓波形畸變，影響其他用電設(shè)備。雙向可控硅過零調(diào)功既具有較好的控制精度，又不存在可控硅移相調(diào)壓方式具有的一切缺點，它 是在交流電過零時觸發(fā)雙向可控硅的導(dǎo)通，使得流過負(fù)載的電壓電流是完整的正弦波，不存在波形畸變。而且，對觸發(fā)脈沖的相位要求也大大降低，觸發(fā)時只需外加一個過零檢測電路既可。所謂過零檢測，就是檢測交流電壓或電流的過零點。本設(shè)計采用后一種調(diào)功方式。 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理如圖 38 所示 [13]。圖中，光耦選用了過零雙向可控硅型光耦 MAX3041，它集光電隔離、過零檢測、過零觸發(fā)等功能于一體，簡化了輸出通道隔離、驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。 R1R3R2C1M O C 3 0 4 1V C CA C 2 2 0 VP W M 脈沖12A 7 4 F 0 4N P N加熱爐電阻絲 圖 38 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理 電路分析如下。當(dāng) PWM 控制脈沖為高電平，且光耦 MOC3041 檢測到電壓過零點時，光耦中的光敏雙向可控硅導(dǎo)通，發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。此后，只要 PWM 波一直是高電平時，雙向可控硅就一直導(dǎo)通，使得負(fù)載上通過的是完整的正弦波。當(dāng) PWM 脈沖變?yōu)榈碗娖綍r，光耦在電壓過零時就不 再向雙向可控硅發(fā)觸發(fā)信號，于是當(dāng)電壓再次過零時雙向可控硅截止，電流不再流過負(fù)載。通過改變 PWM 波占空比，就可以控制流過負(fù)載的電壓周波數(shù)，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的，在本設(shè)計中，就是達(dá)到溫控的目的。 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計 14 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計 本設(shè)計采用 LabVIEW 軟件開發(fā)虛擬儀器。整個系統(tǒng)可分為登錄系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、查看歷史數(shù)據(jù)模塊、打印模塊、通信模塊等各功能模塊，最后將這些小的功能模塊有機(jī)組合，組成完整的加熱爐溫控系統(tǒng)。本章將先分別介紹各個功能子模塊，最后完成總的系統(tǒng)設(shè)計。 登錄系 統(tǒng)設(shè)計 圖 41 登錄系統(tǒng)前面板 完整的系統(tǒng)設(shè)計都必須要有使用權(quán)限設(shè)置。本系統(tǒng)首先設(shè)計了一個登錄系統(tǒng)。登錄系統(tǒng)前面板及程序框圖如圖 4 42 所示。用戶進(jìn)入主程序之前，需要輸入正確的用戶姓名及登錄密碼，否則就不可以進(jìn)行主程序的操作。當(dāng)?shù)谝淮蔚卿浵到y(tǒng)時，會提醒用戶進(jìn)行用戶名及登錄密碼的重新設(shè)置，當(dāng)然，用戶也可以主動進(jìn)行用戶名及登錄密碼的修改。在重新設(shè)置用戶名及登錄密碼密碼時，登錄系統(tǒng)會提示用戶輸入管理員密碼，只有輸入正確的管理員密碼，才可以繼續(xù)重置工作。前面板添加了一個指示燈，當(dāng)正確登陸系統(tǒng)時會由紅色變 為綠色。當(dāng)使用完系統(tǒng)后，點擊 “退出程序 ”按鈕就可以退出系統(tǒng)。 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計 15 當(dāng)用戶填寫不正確的用戶名或密碼時，會彈出如圖 43 所示的對話框，直至用戶輸入正確的用戶名和密碼。圖 44 為用戶重置用戶名和密碼時提醒用戶輸入管理員密碼的對話框。 圖 42 登錄系統(tǒng)程序框圖 圖 43 用戶名或登錄密碼錯誤時的提示對話框 主程序以子程序的形式嵌入到登錄系統(tǒng)中。設(shè)計主程序為子程序的方法為單擊主程序前面板的文件，在下拉菜單中選擇 “VI 屬性 ”，會出現(xiàn)一個對話框，在對話的類別欄中選擇窗口外觀，將對話框頁面切換到窗口顯示屬性頁面，如第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計 16 圖 45 所示。 圖 44 重置用戶名及密碼時提示輸入管理員密碼 圖 45 子 VI 屬性對話框 在對話框中單擊自定義按鈕，彈出自定義窗口外觀對話框，如圖 46 所示，在對話中選擇 “調(diào)用時顯示前面板 ”和 “如之前未打開則在運(yùn)行后關(guān)閉 ”。 如此一來，登錄系統(tǒng)后主程序會作為子 VI 被調(diào)用，且主程序前面板會彈出來，供 用戶設(shè)置。選中 “如之前未打開則在運(yùn)行后關(guān)閉 ”選項后，則當(dāng)主程序運(yùn)行結(jié)束后，其前面板會自動消失。 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計 17 圖 46 子 VI 窗口外觀對話框 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊的設(shè)計 數(shù)據(jù)采集及處理控制模塊時本系統(tǒng)的重中之重設(shè)計，實現(xiàn)的主要功能包括溫度信號的采集、采集數(shù)據(jù)的處理、 PID 控制信號的產(chǎn)生等，每個功能模塊又可以分為若干子模塊，本節(jié)內(nèi)容將一一給予詳細(xì)介紹。 溫度信號的采集 基于虛擬儀器的采集系統(tǒng)典型框架為：傳感器 → 信號調(diào)理器 → 數(shù)據(jù)采