基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)—調(diào)壓方案畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)調(diào)壓方案學(xué)生姓名： 學(xué) 號：專 業(yè)： 班 級：指導(dǎo)教師： 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)調(diào)壓方案摘 要電熱水器是指用電加熱的熱水器。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(fèi)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。本文采用美國ni公司的圖形化編程語言labview8.2設(shè)計(jì)了一個基于增量pid算式的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。熱電阻pt100采集到的熱水溫度信號通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為能被pci-6221數(shù)據(jù)采集卡接受的0-10v的電壓

2、信號，然后通過板卡pci-6221的模擬輸入端ai0輸入到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的labview程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后產(chǎn)生脈沖信號輸出到pci-6221的數(shù)字輸出口p0.0上，去控制可控硅的通斷，繼而控制電熱水器的加熱過程。關(guān)鍵詞：電熱水器；溫度控制；labview；數(shù)據(jù)采集卡virtual device-based electric water heater temperature control system-pressure adjustment planabstractelectric water heater is a water heater using electrici

3、ty to heat water. currently, with improving life of people, peoples environmental protection and safety consciousness increasing and developing of the electric power industry of china, electric water heater is becoming more and more popular among consumers and its use is popularizing increasingly. c

4、urrently, its main development direction is safety, energy efficiency, multi-purpose and intelligence.the thesis designs a pid algorithmic-based temperature control system for electric water heater by using labview8.2. the basic operating principle of the system is as follows: the temperature signal

5、 that is collected by a thermal resistance pt100 is converted into the 0-10v voltage signal which is acceptable for a board through conditioning circuit, which is inputted into a computer by using simulative input port ai0 of the board pci-6221. the labview program operating on the computer generate

6、s one pulse to be outputted to the digital output port p0.0 of pci-6221 by analyzing and processing the inputted data to control the connection with controllable silicon chip and to further control the heating process of electric water heater. key words: electric water heater；temperature control ；la

7、bview；data acquisition第一章 引言熱水器是一種可供洗手間、廚房、浴室使用的家用電器。隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對電熱水器的要求逐漸趨于智能化和數(shù)字化。安全、節(jié)能、多功能、智能化、數(shù)字化是其主要發(fā)展方向。目前市面上的電熱水器的智能溫度控制系統(tǒng)主要有兩種：一種是基于單片機(jī)，還有一種是基于虛擬儀器。本文研究的就是基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。所謂虛擬儀器(virtual instrument)，實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的融功能強(qiáng)大的應(yīng)用軟件、高性能的模塊化硬件及驅(qū)動軟件于一體的自動化測試儀器系統(tǒng)。靈活高效的軟件能創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的

8、系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應(yīng)用的需求。第二章 基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本文研究的基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對電熱水器溫度的數(shù)據(jù)采集與自動控制，其系統(tǒng)整體方框圖如圖2.1所示。它主要由溫度測量及調(diào)理電路、溫度控制電路、一塊基于pci總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡pci-6221及相應(yīng)的軟件組成。圖2.1 電熱水器溫度控制系統(tǒng)整體方框圖2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)的硬件電路圖如附錄a所示，本圖主要包括溫度測量及調(diào)理電路，溫度控制電路，一個過零檢測電路。現(xiàn)分別介紹如下。2.1.1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

9、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。本系統(tǒng)采用鉑熱電阻pt100做為溫度傳感器。信號調(diào)理的作用是對溫度傳感器的輸出信號進(jìn)行濾波和放大以滿足數(shù)據(jù)采集卡a/d輸入端電氣參數(shù)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。（2） 選用高精度低漂移運(yùn)算放大器op07構(gòu)成運(yùn)算放大電路。（3） 測量電路采用恒流源供電。圖2.2即為溫度信號調(diào)理電路的電路圖。如圖2.2中rt即為鉑熱電阻pt100。r1，r 2，r 3即為引線電阻。 圖2.2 溫度信號調(diào)理電路2.1.2 溫度控制電路本系統(tǒng)溫度控制電路的

10、硬件電路主要由隔離光耦、觸發(fā)器及晶閘管等單元構(gòu)成。本設(shè)計(jì)選擇的是調(diào)壓方案。把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便的調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。 圖2.3中的晶閘管vt1和vt2也可以用一個雙向晶閘管代替。加在控制極g上的觸發(fā)脈沖的大小或時間改變時，就能改變其導(dǎo)通電流的大小。如圖2.3，在交流電源u1的的正半周和負(fù)半周，分別對vt1和vt2的開通角進(jìn)行控制就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。調(diào)壓方案波形圖如圖2.4所示。在本設(shè)計(jì)中可以通過式（2.1）把導(dǎo)通角轉(zhuǎn)換成控制時間t1，式（2.1）中，u0 為pid運(yùn)算輸出的電壓值，um為pid輸出的

11、最大值。 （2.1）圖2.3 調(diào)壓方案電路圖圖2.4 調(diào)壓方案波形圖為了讓用戶在使用時不必?fù)?dān)心由于外電路原因或誤操作引發(fā)計(jì)算機(jī)部件和采集卡的燒壞，通常需要在采集卡和強(qiáng)電設(shè)備之間設(shè)置電隔離，這里選用moc3041。溫度控制電路硬件電路圖如圖2.5所示，其中rl為電阻絲，moc3041為光耦，z0409mf為可控硅，數(shù)據(jù)采集卡為ni公司的pci-6221數(shù)據(jù)采集卡，p0.0為數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字輸出端，dgnd為數(shù)據(jù)采集卡的接地端。圖2.5 溫度控制電路2.1.3過零檢測電路過零檢測電路的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)當(dāng)50hz的交流電壓通過零點(diǎn)時取出其脈沖。本設(shè)計(jì)采用2個光電耦合實(shí)現(xiàn)過零控制。其工作原理如圖2.6所

12、示。在導(dǎo)通期間v0端輸出低電平，只有在交流電源過零的瞬間，2個二極管均截止，v0端輸出高電平，因此v0端得到周期為10ms的脈沖信號。圖2.6 過零檢測電路2.1.4 數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是向被測電路和元器件傳送所需的數(shù)據(jù)信號和控制信號，同時又接收并處理來自被檢對象的狀態(tài)信號。此外，它還完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲。本系統(tǒng)在綜合考慮各方面技術(shù)指標(biāo)的情況下，選用ni公司的pci-6221型數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)硬件的核心部分。pci-6221型數(shù)據(jù)采集卡支持單極性和雙極性兩種模擬信號的輸入，信號輸入范圍分別為-10v+10v和0v20v。它提供16路16位的模擬輸入通道；2路16位的模擬輸出通道；

13、24線的ttl型數(shù)字i/o及32位定時計(jì)數(shù)器等多種功能。2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有兩大模塊組成：溫度信號采集模塊、pid控制模塊。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。本文也采用pid控制。在模擬控制系統(tǒng)中，pid算法的表達(dá)式如式（4-2）所示： （2-2）由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計(jì)算控制量，因此對式（2-2）進(jìn)行離散處理得： （2-3）式中：ki=積分系數(shù)； kd=微分系數(shù)；式（2-3）叫做增量pid控制算式。由于加入積分調(diào)節(jié)作用后

14、會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢，所以在實(shí)際應(yīng)用中往往采用積分分離以提高響應(yīng)速度。在式（2-3）的積分項(xiàng)中引進(jìn)kl，得到式（2-4），當(dāng)pid運(yùn)算偏差e（k）大于積分分離值時，kl=0，pid不進(jìn)行積分項(xiàng)運(yùn)算，防止發(fā)生積分飽和現(xiàn)象。當(dāng)pid運(yùn)算偏差e（k）小于積分分離值時，kl=1，引進(jìn)積分作用，以消除系統(tǒng)靜差。 （2-4）本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要包括溫度信號采集，pid運(yùn)算及溫度顯示三部分。 其虛擬儀器前面板如圖2.7所示，程序框圖如附錄b所示。圖2.7 虛擬儀器前面板設(shè)計(jì)（一）溫度信號采集部分設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集過程程序框圖如圖2.8所示，此程序框圖即完成上述各參數(shù)的設(shè)定。圖2.8 數(shù)據(jù)采集程序框圖（

15、二）pid運(yùn)算部分的設(shè)計(jì)圖2.9即為pid運(yùn)算部分的程序框圖，本設(shè)計(jì)選擇用公式節(jié)點(diǎn)編寫pid運(yùn)算部分，且選擇式（2-4）引進(jìn)積分分離的增量型pid控制算式。圖2.9 pid運(yùn)算程序框圖（三）溫度顯示部分的設(shè)計(jì)圖2.7中的溫度顯示部分主要用于溫度的設(shè)定值，當(dāng)前值，還有控制量的顯示。pid控制系統(tǒng)運(yùn)行前，應(yīng)先整定pid參數(shù)使之大小適度。本設(shè)計(jì)pid控制參數(shù)直接在控制面板進(jìn)行整定，如圖2.7中的pid參數(shù)設(shè)定就是用于pid的比例系數(shù)kp，積分時間ti，微分時間td等參數(shù)的整定。整定好pid三個參數(shù)后傳給pid控制系統(tǒng)，便能控制采集的當(dāng)前溫度信號去逼近設(shè)定溫度值，達(dá)到控制溫度的目的。第三章 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

16、由于實(shí)驗(yàn)條件有限，在考慮滿足硬件需求的情況下，筆者在設(shè)計(jì)后期編寫了一個電熱水器溫度雙位控制系統(tǒng)作為后期實(shí)驗(yàn)。其前面板如圖3.1所示。圖3.1 電熱水器雙位控制系統(tǒng)前面板本系統(tǒng)工作原理為：由圖3.1所示的前面板的雙位控制參數(shù)設(shè)定設(shè)定溫度的上限和下限，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)溫度小于設(shè)定的溫度下限時，加熱棒開始工作，直到溫度大于設(shè)定的溫度上限時，加熱棒停止工作，當(dāng)溫度降到溫度下限的時候，加熱棒再次開始工作。如此往復(fù)，把實(shí)際溫度控制在所設(shè)定的溫度上限和溫度下限之間。電熱水器雙位控制系統(tǒng)控制流程圖如圖3.2所示。圖3.2 電熱水器雙位控制系統(tǒng)控制流程圖本系統(tǒng)傳感器選擇鉑電阻pt100；調(diào)理模塊選擇scc-rt

17、d01。本系統(tǒng)的工作過程是：傳感器pt100檢測到的溫度信號由調(diào)理模塊scc-rtd01調(diào)理成能被板卡pci-6221接收的0-10v的電壓信號，然后由板卡把此信號傳入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的labview程序?qū)斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后通過板卡的數(shù)字通道p0.0把處理結(jié)果輸出給ssr-（jgx-10f）去控制通電電路的通斷，當(dāng)p0.0有高電平輸出的時候，可以驅(qū)動ssr-（jgx-10f）輸出端導(dǎo)通，接通220v的交流電源，使加熱棒開始工作，反之，則加熱棒停止工作。 在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)連線圖如圖3.3所示。圖3.3 系統(tǒng)連線圖本系統(tǒng)labview程序框圖附錄c所示。在實(shí)際測量中，由于溫度有滯后

18、，實(shí)際溫度曲線如圖3.4所示，溫度被控制在70至80攝氏度之間，雖然有誤差，但能夠滿足實(shí)際需要。圖3.4 實(shí)際溫度曲線圖第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)經(jīng)過將近四個月的努力，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)：基于虛擬儀器的電熱水器溫度控制系統(tǒng)。通過這一階段的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，我得到了很多收獲，學(xué)到了很多新知識。首先，通過本次設(shè)計(jì)，我對虛擬儀器及l(fā)abview編程有了一定的了解?，F(xiàn)在市場上已經(jīng)有許多的智能儀表，而隨著技術(shù)的日益成熟，虛擬儀器以它的優(yōu)勢必將在以后的工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要的地位，本次設(shè)計(jì)將對我今后的學(xué)習(xí)與工作打下一定的基礎(chǔ)。其次，通過本次設(shè)計(jì)，我對大學(xué)四年所學(xué)的課程和理論知識進(jìn)行了鞏固和總結(jié)，學(xué)會了visio、prote

19、l等軟件的使用，并進(jìn)行了一些實(shí)踐，不但培養(yǎng)了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)和動手的能力，同時也是走向工作崗位前的一次熱身。再次，在與指導(dǎo)老師的接觸與交流和做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我掌握了一定的學(xué)習(xí)方法，提高了自學(xué)能力和獨(dú)立思考問題解決問題的能力。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我深深地體會到了課堂中所學(xué)知識的局限性，而外面的世界是多么的廣闊。雖然我們即將大學(xué)畢業(yè)，但以后的求學(xué)路還很長，以后在工作中更應(yīng)該努力學(xué)習(xí)，使自己成為一個對社會有貢獻(xiàn)的人。參考文獻(xiàn)1雷建龍at89c2051單片機(jī)控制的電熱水器水溫自動調(diào)節(jié)器j，中國儀器儀表，20038 2伍治海，吉順祥基于虛擬儀器的測試儀器應(yīng)用研究j，儀表技術(shù)，2007103甄冒發(fā)labwiew7.1在pid控制系統(tǒng)