【正文】 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。 交流過零觸發(fā) PWM 脈寬調(diào)功原理如圖 38 所示 [13]。所謂過零檢測，就是檢測交流電壓或電流的過零點。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。 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。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對三角波進行信號放大，使得三角波幅值也在 0～ 5V內(nèi)變化。 LabVIEW 輸出的控制信號的控制周 期為 1s，與之對應，產(chǎn)生的三角波周期也應為 1s。 三角波周期計算公式為 /in ff I C? (33) 其中， /in in inI U R? (34) inU 為基準電源電壓，其值為 。電平比較器選用 LM339，施密特觸發(fā)器采用74LS14。 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計 12 高頻率的三角波信號。 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。 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。 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(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 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。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?？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)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 33 所示 [11]。 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。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。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。 具 體 型 號 采 用 錦 州 精 微 儀 表 有 限 公 司 的WZPKKB—2312Y—1—400/2502—%—(0～ 400℃ )。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)進行非線性補償，輸出 4～ 20mA 的恒流信號 。 本設計選用一體化傳感器 。鉑電阻的阻值與溫度的關系是一個典型的非 線性電 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 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設計 8 函數(shù)，一般工業(yè)用的鉑電阻可以用式 3 32 表示 [10]?？捎米骰鶞孰娮韬蜆藴薀犭娮?。 傳感器的選型 溫度敏感元件選用 Pt100。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(zhuǎn)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(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。 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設計 7 第三章 系統(tǒng)總體方案及硬件電路設計 系統(tǒng)總體方案 基于虛擬儀器的 加熱爐溫控系統(tǒng)設計方案結(jié)構(gòu)框圖如 31 所示。 LabVIEW 的優(yōu)勢 概括地說，作為一款成功的虛擬儀器開發(fā)軟件， LabVIEW 具有許多明顯的特點和優(yōu)點，如：采用圖形化編程語言，開發(fā)效率高，支持多種儀器和數(shù)具采集卡硬件的驅(qū)動，調(diào)試、查錯能力強大，支持多種操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡通信功能強大等諸多優(yōu)點 [8]。程序框圖與前面板對象一一對應，程序框圖中的數(shù) 據(jù)流對應于前面板對象的相關操作。通過前面板，用戶可以展現(xiàn)包括參數(shù)設置、菜單、結(jié)果顯示等各種測試交互接口。 LabVIEW 的結(jié)構(gòu) 利用 LabVIEW軟件開發(fā)的虛擬儀器，包括前面板和程序框圖兩個主要部分。20 多年來，經(jīng)過公司的不斷改進和完善， LabVIEW 的功能更加豐富完備：包含眾多附加軟件包，比如控制與仿真、統(tǒng)計過程控制、高級數(shù)字信號處理、模糊控制、 PID 和 PDA 等；可運行于多種平臺，比如 Macintosh、 UNIX、 Windows和 Linux 等。 LabVIEW 的含義 LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineer Workbench，實驗室虛擬儀第二章 虛擬儀器及 LabVIEW 簡介 6 器集成環(huán)境 )是一種圖形化的編程語言 (又稱 G 語言 )，它是由美 國 NI 公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺，也是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境之一 [7]。 虛擬儀器作為新興的儀器代表，由于具有絕對的技術優(yōu)勢，被廣泛應用于電子、機械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研、軍事、教育等各個領域。 (5) 經(jīng)濟性好，易于組建成更為復雜的測試系統(tǒng) 虛擬儀器是基于軟件體系結(jié)構(gòu)的，傳統(tǒng)儀器是基于硬件體系結(jié)構(gòu)的，用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，可以節(jié)約大量的購買和維護成本。當組建自己的虛擬儀器時，利用源代碼庫，用戶可以很方便地實現(xiàn)、修改儀器的各種測控、通信功能 ,讓用戶可以充分發(fā)揮自己的能力和想象力。 (2) 虛擬儀器進一步突出了 “軟件即儀器 ”的概念 虛擬儀器利用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的某些硬件，利用軟件實現(xiàn)硬件的功能，詮釋了 “軟件即儀器 ”的概念。虛擬儀器具有模塊化、標準化、積木化、系列化的軟件和硬件平臺，是一個完全開放的系統(tǒng)，它具有下列一些技術特點 [6]。 (2)與傳統(tǒng)儀器通過硬件來實現(xiàn)測控功能不同，虛擬儀器通過軟件編程，來實現(xiàn)與實物一樣的測控功能。在要實現(xiàn)的功能方面，虛擬儀器的前面板上的控件和傳統(tǒng)的儀器控件沒有什么區(qū)別；在外形上，兩類控件非常相像；在原理上，傳統(tǒng)儀器控件的操作對應著相應物理過程，如按鍵觸點的碰觸，而虛 擬儀器控件的操作對應著相應的軟件程序。 虛擬儀器中的 “虛擬 ”有兩個方面的含義 [5]，分別表現(xiàn)在： (1) 虛擬的儀器前面板。虛擬儀器技術給了用戶一個充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間。隨著當代科學技術的迅猛發(fā)展，人們對測量儀器不斷提出新的要求，虛擬儀器更能適應這種要求，它推動著傳統(tǒng)儀器朝著虛擬化、模塊化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的電子儀器的主體為硬件，虛擬儀器的出現(xiàn)突破了這種模式。軟件的設計任務主要有：采集數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示、打印， PWM 波控制信號的輸出，通 信功能的實現(xiàn)等。 本設計要做的工作 根據(jù)電加熱爐大慣性、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，功率控制器件選用雙向可控硅。 目前在這一領域內(nèi) ，使用較為廣泛或者說首選的虛擬儀器開發(fā)軟件是美國NI 公司的 LabVIEW。像在軟件領域中一樣，虛擬儀器開始采用面向?qū)ο蠹夹g，在構(gòu)建虛擬儀器時，它把用戶需要知道的東西封裝起來，使得編程更加簡便高效。儀器的發(fā)展離不開技術的進步，插入式的計算機數(shù)據(jù)采集卡和 VXI 總線標準的確立這兩大硬件技術進步，促使儀器的結(jié)構(gòu)得以開放，使得由用戶定義儀器功能和由供應商定義儀器功能的區(qū)別得以消除。通過 RS232C 和 GPIB 總線，用戶就可以將傳統(tǒng)儀器與計算機連接起來，就可以實現(xiàn)使用計 算機來進行儀器的控制了。其發(fā)展大致可分為如下三個階段 [3]。 1986 年，虛擬儀器的概念在美國 NI 公司誕生。第二種方式，把儀器載入計算機中，以計算機硬件及其操作系統(tǒng)為平臺，實現(xiàn)儀器的各種功能。第一種方式，把計算 機載入儀器第一章 緒論 3 中，智能化的儀器就是采用這種方式。目前，儀器技術發(fā)展的一個重要方向是將儀器與計算機緊密結(jié)合。 虛擬儀器 (Virtual Instrumention)是基于計算機的儀器，它根據(jù)儀器的需求，組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 伴隨著計算機技術、通信技術、微電子技術、軟件技術的迅速發(fā)展，測量領域內(nèi)不斷涌現(xiàn)出新的測量理論、測量方法和新 的儀器結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)儀器的概念越來越受到新技術新思想的挑戰(zhàn)。所以，也有人將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法引入到加熱爐溫控系統(tǒng)中。隨著計算機技術的發(fā)展 ，將單片機與計算機相結(jié)合，以單片機作為下位機，以計算機作為上位機，已成為設計者普遍采用方法。采用可控硅作為功率控制元件，調(diào)功方式主要有可控硅移相調(diào)壓和雙向可控硅過零調(diào)功 [2]。目前，對于加熱爐溫控系統(tǒng)的設計大多是由單片機作為控制單元的 ,經(jīng)過 PID 算法，由單片機控制功率控制元件，進而達到溫控目的。 電加熱爐隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平的提高，已經(jīng)在冶金、化工、機械等各類工業(yè)控制中得到了廣泛應 用，并且在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的低位。低溫爐的工作溫度在 650℃ 以下，中溫爐的第一章 緒論 2 工作溫度為 650～ 1000℃ ，高溫爐的工作溫度 1000℃ 以上。不同結(jié)構(gòu)的電阻爐的加熱功率大不相同，低功率的不足一千瓦，大功率的可達數(shù)千千瓦。到 20 世紀 20 年代，伴隨著鎳鉻合金的發(fā)明及廣泛應用，在工業(yè)領域，電阻爐已得到了廣泛的普及。在機械工業(yè)中，電阻爐主要用于金屬鍛壓前加熱、釬焊、金屬熱處理加熱、玻璃陶瓷焙燒和退火、粉末冶金燒結(jié)、砂型和油漆膜層的干燥、低熔點金屬熔化等工 序 [1]。本課題采用 NI 公司的虛擬儀器開發(fā)軟件，開發(fā)設計 出一款低溫加熱爐溫控系統(tǒng)。美國 NI 公司順應時代發(fā)展，適時提出虛擬儀器概念。因此，優(yōu)良且可靠的加熱爐溫控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中是十分必要的。溫度控制不好，將給企業(yè)帶來不可彌補的損失。由于這類對象使用方便，可以通過調(diào)節(jié)輸出功率來控制溫度，進而得到較好的控制性能，故在冶金、機械、化工等領域中得到了廣泛的應用。 關鍵詞： 虛擬儀器， LabVIEW，溫控系統(tǒng)，過零調(diào)功， PWM Abstract II Abstract The task of this paper is to design a temperature control system based on virtual instrument of the the requirements of the furnace temperature is stable at 80℃ , allowed error of 177。 本論文首先按照上述設計方案設計了硬件電路，接著進行系統(tǒng)軟件的設計。 本論文采用美國 NI 公司虛擬儀器開發(fā)軟件 開發(fā)出一套低溫電加熱爐溫度控制系統(tǒng)。中 文 摘 要 I 摘 要 本論文要做的課題是基于虛擬儀器的加熱爐溫控系統(tǒng)設計，要求加熱爐溫度穩(wěn)定在 80℃ ，允許有 177。1 ℃ 的誤差。系統(tǒng)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(zhuǎn)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(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