【文章內(nèi)容簡介】 總體方案基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設計方案結構框圖如 31 所示。電 加熱 爐傳 感 器 采集卡計算機LabVIEW光耦雙向可控硅PWM波產(chǎn)生電路圖 31 系統(tǒng)總體方案結構框圖這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)加熱爐大慣性、大滯后的特點，采用 PID 控制算法，由虛擬儀器控制實現(xiàn)交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功 [9]，功率器件選用雙向可控硅。具體設計方案如下：由傳感器測得的爐溫信號經(jīng)過變送環(huán)節(jié)送給數(shù)據(jù)采集卡，采集卡對信號進行 A/D 轉換后傳輸至虛擬儀器，虛擬儀器中的PID 算法對信號處理后產(chǎn)生控制信號，再經(jīng)過采集卡 D/A 轉換后輸出控制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，達到溫控目的。 硬件電路設計硬件電路的設計包括傳感器的選型、測溫電路的設計、數(shù)據(jù)采集卡的選型、PWM 波產(chǎn)生電路的設計、光耦及雙向可控硅的選型、交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功電路設計。 傳感器的選型溫度敏感元件選用 Pt100。鉑電阻的物理化學性能非常穩(wěn)定，精度高，耐氧化性強，且電阻率較高、復現(xiàn)性好?？捎米骰鶞孰娮韬蜆藴薀犭娮?。鉑電阻的溫度測量范圍為200～850℃。鉑電阻的阻值與溫度的關系是一個典型的非線性函數(shù)，一般工業(yè)用的鉑電阻可以用式 332 表示 [10]。 9 / 44 ( ﹤850℃) (31)??201tRAtB??0t? (200℃﹤ ﹤0℃) (32)??31t Ct?????t式中， 為溫度在 ℃時的電阻值， 、 和 為常數(shù)，其值分別為：t ABC； ； 。????????????本設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 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 行 非 線 性 補 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 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的兩側相等長度的導線分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除。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?ALM358R?一一一一一一一一R?250C?104VCCGND15V圖 32 恒流源測溫電路對于 LM358，放大器工作于線性運放狀態(tài)，根據(jù)虛短和虛斷概念， 10 / 44， ，得流過 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 傳感器和其它待測設備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號,送到上位機中進行分析、處理。被測物理量傳感器信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡計算機圖 33 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過測量軟、硬件產(chǎn)品的有機結合來實現(xiàn)靈活的、具有用戶自定義功能的測量系統(tǒng)，它基于計算機或者其他專用測試平臺。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構如圖 33 所示 [11]。一般的數(shù)據(jù)采集過程如圖 34 所示?？驁D中的相關采樣參數(shù)包括以下幾個：采樣通道，即需要由多路開關進行掃描的通道；采樣次數(shù)，即多路開關對通道進行掃描的次數(shù)；采樣頻率，即單位時間內(nèi)多路開關對通道進行一次掃描的次數(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)功能的計算機擴展卡。數(shù)據(jù)采集卡的主要性能指標主要有通道數(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，及現(xiàn)有的技術資源。本設計要求數(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 的主要技術指標如下：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 11 / 44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 傳遞相關參數(shù)給數(shù)據(jù)卡采樣開始 ， 多路開關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 轉換器轉換成數(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，輸入信號的正負極分別接入采集卡的“AI+” “AI”通道，它能夠抑制接地回路感應誤差，消除共模干擾，是一種比較理想的輸入模式。 12 / 44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，輸入信號的負極連接到數(shù)據(jù)采集卡對應的“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)生電路的設計本設計采用硬件搭建 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)生標準的 PWM 波。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、 13 / 44高頻率的三角波信號。利用內(nèi)部 基準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。三角波周期計算公式為 (33)/inffIC?其中， (34)/iniinUR為基準電源電壓，其值為 。inU本設計中 。LabVIEW 輸出的控制信號的控制周期為 1s，與之對50inRk??應，產(chǎn)生的三角波周期也應為 1s。即 ,所以 。產(chǎn)生的/1sinffIC?50fuF?三角波幅值最大為 1V，而 LabVIEW 輸出的控制信號幅值為 0～5V，故采用LM318 對三角波進行信號放大，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)角來改變可控硅導通角，進而改變電壓值。此方式需要具有準確相角的觸發(fā)脈沖 [12]， 14 / 44系統(tǒng)設計較復雜，而且通過負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)雙向可控硅的導通，使得流過負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)動電路的結構。R1R3R2C1MOC3041 VCCAC220VPWM一一12A 74F04 NPN一一一一一一圖 38 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理電路分析如下。當 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通，發(fā)出觸發(fā)信號觸發(fā)雙向可控硅導通。此后，只要 PWM 波一直是高電平時，雙向可控硅就一直導通，使得負載上通過的是完整的正弦波。當 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，于是當電壓再次過零時雙向可控硅截止，電流不再流過負載。通過改變 PWM 波占空比，就可以控制流過負載的電壓周波數(shù)，進而達到調(diào)節(jié)功率的目的，在本設計中，就是達到溫控的目的。 15 / 44第四章 溫控系統(tǒng)軟件設計本設計采用 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)設計。 登錄系統(tǒng)設計圖 41 登錄系統(tǒng)前面板完整的系統(tǒng)設計都必須要有使用權限設置。本系統(tǒng)首先設計了一個登錄系統(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，否則就不可以進行主程序的操作。當?shù)谝淮蔚卿浵到y(tǒng)時，會提醒用戶進行用戶名及登錄密碼的重新設置，當然，用戶也可以主動進行用戶名及登錄密碼的修改。在重新設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，當正確登陸系統(tǒng)時會由紅色變?yōu)榫G色。當使用完系統(tǒng)后，點擊“ 退出程序 ”按鈕就可以退出系統(tǒng)。 16 / 44當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 17 / 44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，