【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 集卡計(jì)算機(jī)LabVIEW光耦雙向可控硅PWM波產(chǎn)生電路圖 31 系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)加熱爐大慣性、大滯后的特點(diǎn)，采用 PID 控制算法，由虛擬儀器控制實(shí)現(xiàn)交流過(guò)零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功 [9]，功率器件選用雙向可控硅。具體設(shè)計(jì)方案如下：由傳感器測(cè)得的爐溫信號(hào)經(jīng)過(guò)變送環(huán)節(jié)送給數(shù)據(jù)采集卡，采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID 算法對(duì)信號(hào)處理后產(chǎn)生控制信號(hào)，再經(jīng)過(guò)采集卡 D/A 轉(zhuǎn)換后輸出控制PWM 波產(chǎn)生電路，改變 PWM 波占空比，產(chǎn)生的 PWM 波經(jīng)過(guò)光耦 MOC3041控制雙向可控硅的通斷，以此改變加在電阻上的電壓，達(dá)到溫控目的。 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)包括傳感器的選型、測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡的選型、PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)、光耦及雙向可控硅的選型、交流過(guò)零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功電路設(shè)計(jì)。 傳感器的選型溫度敏感元件選用 Pt100。鉑電阻的物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定，精度高，耐氧化性強(qiáng)，且電阻率較高、復(fù)現(xiàn)性好?？捎米骰鶞?zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)熱電阻。鉑電阻的溫度測(cè)量范圍為200～850℃。鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系是一個(gè)典型的非線性函數(shù)，一般工業(yè)用的鉑電阻可以用式 332 表示 [10]。第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 9 ( ﹤850℃) (31)??201tRAtB??0t? (200℃﹤ ﹤0℃) (32)??31t Ct?????t式中， 為溫度在 ℃時(shí)的電阻值， 、 和 為常數(shù)，其值分別為：t ABC； ； 。????????????本設(shè)計(jì)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(hào) 轉(zhuǎn) 化 為 微 弱 的 電 信 號(hào) ， 再 經(jīng) 過(guò)信 號(hào) 的 調(diào) 理 放 大 環(huán) 節(jié) ， 最 后 再 由 線 性 電 路 對(duì) 溫 度 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 非 線 性 補(bǔ) 償 ， 輸 出4～ 20mA 的 恒 流 信 號(hào) 。 一 體 化 溫 度 傳 感 器 的 采 用 ， 簡(jiǎn) 化 了 系 統(tǒng) 硬 件 電 路 的設(shè) 計(jì) 。 具 體 型 號(hào) 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(diǎn)是將 Pt100的兩側(cè)相等長(zhǎng)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(cè)量電路主要有兩種：一種是橋式測(cè)溫電路，可分為兩線制、三線制、四線制橋式測(cè)溫電路；另一種是恒流源式測(cè)溫電路。在熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)中，引線電阻的大小對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響。恒流源式測(cè)溫電路可以消除引線電阻的影響，本設(shè)計(jì)就是采用恒流源式測(cè)溫電路，其測(cè)溫電路圖如圖 32 所示。32184U?ALM358R?一一一一一一一一R?250C?104VCCGND15V圖 32 恒流源測(cè)溫電路對(duì)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，第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 10 ， ，得流過(guò) Pt100 的恒定電流為 。???101oPtuR?? A 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(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采非電量或者電量信號(hào),送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理。被測(cè)物理量傳感器信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計(jì)算機(jī)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(guò)測(cè)量軟、硬件產(chǎn)品的有機(jī)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的、具有用戶自定義功能的測(cè)量系統(tǒng)，它基于計(jì)算機(jī)或者其他專用測(cè)試平臺(tái)。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(guò)程如圖 34 所示。框圖中的相關(guān)采樣參數(shù)包括以下幾個(gè)：采樣通道，即需要由多路開(kāi)關(guān)進(jìn)行掃描的通道；采樣次數(shù)，即多路開(kāi)關(guān)對(duì)通道進(jìn)行掃描的次數(shù)；采樣頻率，即單位時(shí)間內(nèi)多路開(kāi)關(guān)對(duì)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(chǔ)多少掃描得來(lái)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡，就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計(jì)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(shí)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(shí)，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(jì)要求數(shù)據(jù)采集卡要采集一路模擬信號(hào)，輸出一路模擬控制信號(hào)，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(guó) 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(gè)模擬輸入通道(14 位、48KS/s 采樣速度，AI0 ～ AI7)，2 路 12 位模擬輸?shù)谌?系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 11 出通道(150 S/s，AO0，AO1)，12 個(gè) I/O 通道(～ ， ～ )，1 個(gè)32 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)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(kāi)始 ， 多路開(kāi)關(guān)對(duì)采樣通道依次掃描 ， 每通道采樣一個(gè)點(diǎn)采樣的模擬信號(hào)送到 A / D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)存儲(chǔ)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(jì)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(guò)程框圖NI USB6009 數(shù)據(jù)采集卡具有單端和差動(dòng)兩種輸入模式，連接參考單端電壓信號(hào)和連接差分電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用后面一種輸入模式。連接差分電壓信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)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(jì) 12 連接差分電壓信號(hào)電路圖如圖 35 所示，將輸入信號(hào)的正極連接到 NI USB6009 數(shù)據(jù)采集卡的“AI+”通道，輸入信號(hào)的負(fù)極連接到數(shù)據(jù)采集卡對(duì)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(hào) PWM 波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(hào)通過(guò)在電平比較器中比較，產(chǎn)生占空比由控制信號(hào)決定的 PWM 脈沖波，之后經(jīng)過(guò)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。LabVIEW控制信號(hào) 電平比較 器施密特觸發(fā)器三角波發(fā)生器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、第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設(shè)計(jì) 13 高頻率的三角波信號(hào)。利用內(nèi)部 基準(zhǔn)電壓配以外部的電阻電容就可以產(chǎn)生頻率為 ～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(jì)算公式為 (33)/inffIC?其中， (34)/iniinUR為基準(zhǔn)電源電壓，其值為 。inU本設(shè)計(jì)中 。LabVIEW 輸出的控制信號(hào)的控制周期為 1s，與之對(duì)50inRk??應(yīng)，產(chǎn)生的三角波周期也應(yīng)為 1s。即 ,所以 。產(chǎn)生的/1sinffIC?50fuF?三角波幅值最大為 1V，而 LabVIEW 輸出的控制信號(hào)幅值為 0～5V，故采用LM318 對(duì)三角波進(jìn)行信號(hào)放大，使得三角波幅值也在 0～5V 內(nèi)變化。COSC5 A0 3AGND6 A14FADJ8 OUT 19IN10SYNC 14V20AGND18REF1AGND11V+17AGND9DADJ7AGND2PDO 12PDI 13DV+ 16DGND 15MAX038GNDGNDC?10uFGNDCAPVCC一一一一一54 2312U?ALM3391 2U?A74LS14VCCR?RES2LabVIEW一一一一PWM一VCC32 61 5874U?LM318VCC12R?RES2R?100GNDR?20Rin50kCf50uF圖 37 PWM 波產(chǎn)生電路 交流過(guò)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(guò)零調(diào)功?？煽毓枰葡嗾{(diào)壓方式通過(guò)改變觸發(fā)脈沖觸發(fā)角來(lái)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(jì) 14 系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而且通過(guò)負(fù)載的不是完整的正弦波，會(huì)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(guò)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(diǎn)，它是在交流電過(guò)零時(shí)觸發(fā)雙向可控硅的導(dǎo)通，使得流過(guò)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(duì)觸發(fā)脈沖的相位要求也大大降低，觸發(fā)時(shí)只需外加一個(gè)過(guò)零檢測(cè)電路既可。所謂過(guò)零檢測(cè)，就是檢測(cè)交流電壓或電流的過(guò)零點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用后一種調(diào)功方式。交流過(guò)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(guò)零雙向可控硅型光耦 MAX3041，它集光電隔離、過(guò)零檢測(cè)、過(guò)零觸發(fā)等功能于一體，簡(jiǎn)化了輸出通道隔離、驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)。R1R3R2C1MOC3041 VCCAC220VPWM一一12A 74F04 NPN一一一一一一圖 38 交流過(guò)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(cè)到電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)，光耦中的光敏雙向可控硅導(dǎo)通，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。此后，只要 PWM 波一直是高電平時(shí)，雙向可控硅就一直導(dǎo)通，使得負(fù)載上通過(guò)的是完整的正弦波。當(dāng) PWM 脈沖變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，光耦在電壓過(guò)零時(shí)就不再向雙向可控硅發(fā)觸發(fā)信號(hào)，于是當(dāng)電壓再次過(guò)零時(shí)雙向可控硅截止，電流不再流過(guò)負(fù)載。通過(guò)改變 PWM 波占空比，就可以控制流過(guò)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(jì)中，就是達(dá)到溫控的目的。第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 15 第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用 LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)虛擬儀器。整個(gè)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(chǔ)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(gè)功能子模塊，最后完成總的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 41 登錄系統(tǒng)前面板完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都必須要有使用權(quán)限設(shè)置。本系統(tǒng)首先設(shè)計(jì)了一個(gè)登錄系統(tǒng)。登錄系統(tǒng)前面板及程序框圖如圖 442 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(shí)，會(huì)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(dòng)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(shí)，登錄系統(tǒng)會(huì)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(gè)指示燈，當(dāng)正確登陸系統(tǒng)時(shí)會(huì)由紅色變?yōu)榫G色。當(dāng)使用完系統(tǒng)后，點(diǎn)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(jì) 16 當(dāng)用戶填寫不正確的用戶名或密碼時(shí)，會(huì)彈出如圖 43 所示的對(duì)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(shí)提醒用戶輸入管理員密碼的對(duì)話框。圖 42 登錄系統(tǒng)程序框圖圖 43 用戶名或登錄密碼錯(cuò)誤時(shí)的提示對(duì)話框主程序以子程序的形式嵌入到登錄系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)主程序?yàn)樽映绦虻姆椒閱螕糁鞒绦蚯懊姘宓奈募?，在下拉菜單中選擇“VI 屬性”，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，在對(duì)話的類別欄中選擇窗口外觀，將對(duì)話框頁(yè)面切換到窗口顯示屬性頁(yè)面，如第四章 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 17 圖 45 所示。圖 44 重置用戶名及密碼時(shí)提示輸入管理員密碼圖 45 子 VI 屬性對(duì)話框在對(duì)話框中單擊自定義按鈕，彈出自定義窗口外觀對(duì)話框，如圖 46 所示，在對(duì)話中選擇“ 調(diào)用時(shí)顯示前面板 ”和“如之前未