068基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统调压方案.docx

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068基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统调压方案

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：

基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统—调压方案

学生姓名：

戴宗娥

学号：

200440503107

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控04-1班

指导教师：

李文涛教授

基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统——调压方案

摘要

电热水器是指用电加热的热水器。

随着人民生活水平和环保安全意识的不断提高和我国电力工业的不断发展，电热水器越来越受到消费者的青睐，电热水器的使用得到不断普及。

目前，安全、节能、多功能、智能化是其主要发展方向。

本文采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW8.2设计了一个基于增量PID算式的电热水器温度控制系统。

热电阻Pt100采集到的热水温度信号通过调理电路转换为能被PCI-6221数据采集卡接受的0-10V的电压信号，然后通过板卡PCI-6221的模拟输入端AI0输入到计算机，在计算机上运行的LabVIEW程序对输入的数据进行分析处理后产生脉冲信号输出到PCI-6221的数字输出口P0.0上，去控制可控硅的通断，继而控制电热水器的加热过程。

关键词：

电热水器；温度控制；LabVIEW；数据采集卡

VirtualDevice-BasedElectricWaterHeaterTemperatureControlSystem-PressureAdjustmentPlan

Abstract

Electricwaterheaterisawaterheaterusingelectricitytoheatwater.Currently,withimprovinglifeofpeople,people’senvironmentalprotectionandsafetyconsciousnessincreasinganddevelopingoftheelectricpowerindustryofChina,electricwaterheaterisbecomingmoreandmorepopularamongconsumersanditsuseispopularizingincreasingly.Currently,itsmaindevelopmentdirectionissafety,energyefficiency,multi-purposeandintelligence.

ThethesisdesignsaPIDalgorithmic-basedtemperaturecontrolsystemforelectricwaterheaterbyusingLabVIEW8.2.Thebasicoperatingprincipleofthesystemisasfollows:

thetemperaturesignalthatiscollectedbyathermalresistancePt100isconvertedintothe0-10Vvoltagesignalwhichisacceptableforaboardthroughconditioningcircuit,whichisinputtedintoacomputerbyusingsimulativeinputportAI0oftheboardPCI-6221.TheLabVIEWprogramoperatingonthecomputergeneratesonepulsetobeoutputtedtothedigitaloutputportP0.0ofPCI-6221byanalyzingandprocessingtheinputteddatatocontroltheconnectionwithcontrollablesiliconchipandtofurthercontroltheheatingprocessofelectricwaterheater.

Keywords:

ElectricWaterHeater；TemperatureControl；LabVIEW；DataAcquisition

第一章引言

热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器。

随着人们生活质量的提高，人们对电热水器的要求逐渐趋于智能化和数字化。

安全、节能、多功能、智能化、数字化是其主要发展方向。

目前市面上的电热水器的智能温度控制系统主要有两种：

一种是基于单片机，还有一种是基于虚拟仪器。

本文研究的就是基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统。

所谓虚拟仪器（VirtualInstrument），实际上就是一种基于计算机的融功能强大的应用软件、高性能的模块化硬件及驱动软件于一体的自动化测试仪器系统。

灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。

第二章基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统的设计

本文研究的基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统主要是实现对电热水器温度的数据采集与自动控制，其系统整体方框图如图2.1所示。

它主要由温度测量及调理电路、温度控制电路、一块基于PCI总线的多功能数据采集卡PCI-6221及相应的软件组成。

图2.1电热水器温度控制系统整体方框图

2.1系统硬件设计

基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统的硬件电路图如附录A所示，本图主要包括温度测量及调理电路，温度控制电路，一个过零检测电路。

现分别介绍如下。

2.1.1温度测量及调理电路

温度测量及调理电路主要由温度传感器和信号调理两部分组成，用于对电热水器温度的检测及信号调理。

本系统采用铂热电阻Pt100做为温度传感器。

信号调理的作用是对温度传感器的输出信号进行滤波和放大以满足数据采集卡A/D输入端电气参数要求。

温度的测量和控制主要取决于温度测量精度，因此，为了保证精度，从硬件采用了三个方面的措施：

（1）测量中传感器的连接采用三线制方法。

（2）选用高精度低漂移运算放大器OP07构成运算放大电路。

（3）测量电路采用恒流源供电。

图2.2即为温度信号调理电路的电路图。

如图2.2中Rt即为铂热电阻Pt100。

r1，r2，r3即为引线电阻。

图2.2温度信号调理电路

2.1.2温度控制电路

本系统温度控制电路的硬件电路主要由隔离光耦、触发器及晶闸管等单元构成。

本设计选择的是调压方案。

把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便的调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。

图2.3中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。

加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小。

如图2.3，在交流电源U1的的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角α进行控制就可以调节输出电压。

调压方案波形图如图2.4所示。

在本设计中可以通过式（2.1）把导通角α转换成控制时间T1，式（2.1）中，U0为PID运算输出的电压值，Um为PID输出的最大值。

（2.1）

图2.3调压方案电路图

图2.4调压方案波形图

为了让用户在使用时不必担心由于外电路原因或误操作引发计算机部件和采集卡的烧坏，通常需要在采集卡和强电设备之间设置电隔离，这里选用MOC3041。

温度控制电路硬件电路图如图2.5所示，其中RL为电阻丝，MOC3041为光耦，Z0409MF为可控硅，数据采集卡为NI公司的PCI-6221数据采集卡，P0.0为数据采集卡的数字输出端，DGND为数据采集卡的接地端。

图2.5温度控制电路

2.1.3过零检测电路

过零检测电路的最终目标是实现当50HZ的交流电压通过零点时取出其脉冲。

本设计采用2个光电耦合实现过零控制。

其工作原理如图2.6所示。

在导通期间V0端输出低电平，只有在交流电源过零的瞬间，2个二极管均截止，V0端输出高电平，因此V0端得到周期为10ms的脉冲信号。

图2.6过零检测电路

2.1.4数据采集卡

数据采集卡的主要功能是向被测电路和元器件传送所需的数据信号和控制信号，同时又接收并处理来自被检对象的状态信号。

此外，它还完成数据的转换和存储。

本系统在综合考虑各方面技术指标的情况下，选用NI公司的PCI-6221型数据采集卡作为系统硬件的核心部分。

PCI-6221型数据采集卡支持单极性和双极性两种模拟信号的输入，信号输入范围分别为-10V—+10V和0V—20V。

它提供16路16位的模拟输入通道；2路16位的模拟输出通道；24线的TTL型数字I/O及32位定时计数器等多种功能。

2.2系统软件设计

本系统软件设计主要有两大模块组成：

温度信号采集模块、PID控制模块。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

本文也采用PID控制。

在模拟控制系统中，PID算法的表达式如式（4-2）所示：

（2-2）

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此对式（2-2）进行离散处理得：

（2-3）

式中：

KI=

——积分系数；

KD=

——微分系数；

式（2-3）叫做增量PID控制算式。

由于加入积分调节作用后会使系统稳定性下降，动态响应变慢，所以在实际应用中往往采用积分分离以提高响应速度。

在式（2-3）的积分项中引进KL，得到式（2-4），当PID运算偏差E（k）大于积分分离值时，KL=0，PID不进行积分项运算，防止发生积分饱和现象。

当PID运算偏差E（k）小于积分分离值时，KL=1，引进积分作用，以消除系统静差。

（2-4）

本设计的软件设计主要包括温度信号采集，PID运算及温度显示三部分。

其虚拟仪器前面板如图2.7所示，程序框图如附录B所示。

图2.7虚拟仪器前面板设计

（一）温度信号采集部分设计

数据采集过程程序框图如图2.8所示，此程序框图即完成上述各参数的设定。

图2.8数据采集程序框图

（二）PID运算部分的设计

图2.9即为PID运算部分的程序框图，本设计选择用公式节点编写PID运算部分，且选择式（2-4）引进积分分离的增量型PID控制算式。

图2.9PID运算程序框图

（三）温度显示部分的设计

图2.7中的温度显示部分主要用于温度的设定值，当前值，还有控制量的显示。

PID控制系统运行前，应先整定PID参数使之大小适度。

本设计PID控制参数直接在控制面板进行整定，如图2.7中的PID参数设定就是用于PID的比例系数Kp，积分时间Ti，微分时间Td等参数的整定。

整定好PID三个参数后传给PID控制系统，便能控制采集的当前温度信号去逼近设定温度值，达到控制温度的目的。

第三章实验与调试

由于实验条件有限，在考虑满足硬件需求的情况下，笔者在设计后期编写了一个电热水器温度双位控制系统作为后期实验。

其前面板如图3.1所示。

图3.1电热水器双位控制系统前面板

本系统工作原理为：

由图3.1所示的前面板的双位控制参数设定设定温度的上限和下限，在实际运行中，当温度小于设定的温度下限时，加热棒开始工作，直到温度大于设定的温度上限时，加热棒停止工作，当温度降到温度下限的时候，加热棒再次开始工作。

如此往复，把实际温度控制在所设定的温度上限和温度下限之间。

电热水器双位控制系统控制流程图如图3.2所示。

图3.2电热水器双位控制系统控制流程图

本系统传感器选择铂电阻Pt100；调理模块选择SCC-RTD01。

本系统的工作过程是：

传感器Pt100检测到的温度信号由调理模块SCC-RTD01调理成能被板卡PCI-6221接收的0-10V的电压信号，然后由板卡把此信号传入计算机，在计算机上运行的LabVIEW程序对输入的数据进行分析处理，然后通过板卡的数字通道P0.0把处理结果输出给SSR-（JGX-10F）去控制通电电路的通断，当P0.0有高电平输出的时候，可以驱动SSR-（JGX-10F）输出端导通，接通220V的交流电源，使加热棒开始工作，反之，则加热棒停止工作。

在本设计中，系统连线图如图3.3所示。

图3.3系统连线图

本系统LabVIEW程序框图附录C所示。

在实际测量中，由于温度有滞后，实际温度曲线如图3.4所示，温度被控制在70至80摄氏度之间，虽然有误差，但能够满足实际需要。

图3.4实际温度曲线图

第四章设计总结

经过将近四个月的努力，我顺利完成了毕业设计：

基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统。

通过这一阶段的学习和实践，我得到了很多收获，学到了很多新知识。

首先，通过本次设计，我对虚拟仪器及LabVIEW编程有了一定的了解。

现在市场上已经有许多的智能仪表，而随着技术的日益成熟，虚拟仪器以它的优势必将在以后的工业生产中占据重要的地位，本次设计将对我今后的学习与工作打下一定的基础。

其次，通过本次设计，我对大学四年所学的课程和理论知识进行了巩固和总结，学会了Visio、Protel等软件的使用，并进行了一些实践，不但培养了自己独立设计和动手的能力，同时也是走向工作岗位前的一次热身。

再次，在与指导老师的接触与交流和做毕业设计的过程中，我掌握了一定的学习方法，提高了自学能力和独立思考问题解决问题的能力。

在这次毕业设计中，我深深地体会到了课堂中所学知识的局限性，而外面的世界是多么的广阔。

虽然我们即将大学毕业，但以后的求学路还很长，以后在工作中更应该努力学习，使自己成为一个对社会有贡献的人。

参考文献

1．雷建龙．AT89C2051单片机控制的电热水器水温自动调节器[J]，中国仪器仪表，2003．8

2．伍治海，吉顺祥．基于虚拟仪器的测试仪器应用研究[J]，仪表技术，2007．10

3．甄冒发．LabWIEW7.1在PID控制系统的应用[J]，自动化与仪器仪表，2007．4

4．廖开俊，刘志飞．虚拟仪器技术综述[J]，国外电子测量技术，2006．2

5．施寿生．虚拟仪器技术与科技创新[J]，品胜科技，2007．6

6．周鲜成．单片机在电热水器中的应用[J]，常德师范学院学报，2000．4

7．蒋新文，杨三序．基于虚拟仪器技术的测控系统[J]，微计算机信息，2007．12

8．张林，李秀娟．基于虚拟仪器技术的温度控制系统设计[J]，工业控制计算机，2007．3

9．张爽，岳晓峰．基于虚拟仪器技术的信号处理[J]，机械工程与自动化，2006．2

附录A系统硬件电路图

附录B基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统程序框图

附录C电热水器温度双位控制系统程序框图

致谢

经过一个学期的学习和工作，本次设计已经接近尾声，在设计中我得到很多人的支持和帮助，在此表示真诚的感谢。

首先感谢学校、学院给我这样一次宝贵的机会，使我能在大学四年级下半学期，做这个有意义的毕业设计。

其次要感谢我的指导老师李文涛老师。

在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，设计方案的确定和修改，中期报告，后期详细设计，实验调试等整个过程中都给予我悉心的指导，当我在设计中遇到问题的时候，李老师总是从百忙中抽出宝贵的时间帮助我解决，并严格要求我，为我这次毕业设计的顺利完成奠定了坚实的基础。

更重要的是，在这个过程中，我从李老师身上学到了严谨，负责任等等很多做人的道理，这些都让我受益终身。

在此，我对李老师衷心的说一声谢谢。

在本次设计中，其他老师和同学也给我提出了宝贵的意见并给予我很大的帮助，在此对他们说声非常感谢！