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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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。

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

Keywords:

ElectricWaterHeater；TemperatureControl；LabVIEW；DataAcquisition

第一章引言

一.1电热水器简介

热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器。

目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。

就中国的具体情况而言，由于太阳能热水器的使用受天气原因的限制，使用范围狭窄；燃气热水器由于以石油、天然气为燃料，而燃料供应量又难以满足人们日益增长的需求，且不利于环境；而电热水器却具有无污染、安全、保温时间长、使用方便等优点，所以，随着人民生活水平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，它的使用得到不断普及。

根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长期以来占有优势的燃气热水器。

该中心预计，在城市电网更大范围改造和城市住房市场大规模启动的带动下，今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长的势头。

一.2电热水器的分类

根据水流方式的不同，电热水器可分为储水式和即热式（快速式）两种类型。

储水式电热水器的优点是不必分室安装、不会产生有害气体、调温方便。

但是储水式热水器在使用前需要预热，一次使用的量有限。

同时，储水式热水器的体积较大、占用空间较多，不太适合面积小的家庭使用。

顾名思义，即热式电热水器就是利用电热管、电热棒、玻璃管或塑料管加热，即开即热，无需预热和保温。

从安全性方面看，即热式电热水器采用非金属加热体、水电隔离技术、漏电保护装置、接地保护等基本措施，使用安全系数比较高。

而在体积上由于没了水箱部分，外形可以设计得小巧精致，比较适合在小空间使用。

但是即热式电热水器的额定功率较高，一般需要5000瓦以上才能保证使用。

   而按照水路控制方式的不同，电热水器还可以分为前制式和后制式。

前制式电热水器水温和水量的控制方式是靠装在冷水进口端（即前端）的冷水阀门进行控制的，在热水出口端不设置阀门。

而后制式电热水器则是靠装在热水出口的热水阀门来进行控制的，后制式电热水器具有安装和使用方便等优点，是电热水器的发展方向。

第二章电热水器温度控制方案选择与设计

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。

二.1基于单片机的电热水器温度控制系统

目前最常用的基于单片机的电热水器温度自动调节电路是以AT89C2051单片机为核心的，由多谐振荡器、温度设定电路、单片机、设定温度显示电路、执行机构等几部分组成。

本系统的工作原理是：

如图2.1所示，接通电源后，多谐振荡器产生电脉冲由

输入单片机，先使TR0=1，

变为高电平后T0开始计数，

变为低电平后停止计数，把计数值（TH0、TL0）与预先放置在“温度表”中的与一定的脉冲宽度对应的计数值（TH0、TL0的值）相比较就可转化为温度。

单片机的计数器Tl设定为8位常数自动装入工作方式，其初值TL1=255，每按一下按钮S，T1中断一次，计数值加1（计数初值为32H=20℃），超过99℃后自动恢复为20℃。

比较测得的水温与设定的温度，如果前者小于后者，则令P3.7输出低电平，三极管T3导通，通过光耦使T4也导通，继电器J得电，触点J闭合，电热丝接通对水加热，红色提示灯Dl亮；如果前者大于后者则令P3.7输出高电平，T3、T4截止，继电器失电，触点J断开，停止加热，加热指示灯Dl不亮。

单片机通过从P1.0一P1.6输出段码，从P3.0、P3.1输出位码对设定的两位温度值进行循环扫描显示。

如果把从Tl输入的设定温度用的脉冲接入外部中断

（P3.3）将引起中断，中断服务程序可对与水温对应的电脉冲宽度的计数值（TH0、TL0）进行测量并显示，记下其数值后便可制定“温度表”（与一定温度对应的TH0、TL0值并存放于程序存储器中的表），将“温度表”固化于程序存储器中，这样实现温度的自动测量与显示。

图2.1基于单片机的电热水器温度控制系统

由单片机构成的电热水器温度控制器具有多功能、安全、适用性强等特点，与同类的电热水器相比还具有节能的优点，因此将具有较强的竞争力。

二.2基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统

另外一种电热水器温度智能控制系统是基于虚拟仪器的温度控制系统。

随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器因其强大的性价比优势得到了广泛的应用。

随着一些新的PC技术和数据采集技术逐渐应用到虚拟仪器中，虚拟仪器技术也有了一些新的进展。

“软件就是仪器”是虚拟仪器带给仪器工业的一次革命，作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性、通俗性、可视性、可扩展性和升级性等优点，能为用户带来极大的利益。

基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统必然会给现代电热水器智能温度控制领域带来一片新天地。

本文研究的就是基于虚拟仪器的电热水器温度控制系统。

第三章虚拟仪器介绍

3.1虚拟仪器的概念

虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）的研究始于美国的斯坦福大学和马里兰大学，由1986年美国国家仪器公司（NationalInstrument，NI）开发的LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）首先实现。

虚拟仪器的出现，克服了以硬件为主的传统仪器的功能只能由厂家定义而用户难以改变的缺陷。

迄今，虚拟仪器尚无公认的定义，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。

就功能而言，虚拟仪器是基于计算机的仪器，仪器工作时通过操纵位于计算机屏幕虚拟面板上的“按钮”来完成检测或者控制任务。

与以硬件为主的传统仪器不同，在虚拟仪器中数据采集和信号调理控制、信号处理以及结果显示等主要通过软件实现。

虚拟仪器中的“虚”即软件化，“虚拟”主要表现在两个方面：

其一是虚拟的仪器面板。

操纵该仪器的开关、按钮等并不是实际的物理器件，而是位于计算机屏幕上控制面板上的“控件”；其二是由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）。

虚拟仪器中的信号分析和处理等功能不是由传统仪器中的硬件电路来实现，而是通过软件来实现。

以上两点是虚拟仪器的必备要素。

虚拟仪器并不“虚”，它是“真实”的仪器，和传统仪器一样，可用来完成检测和控制任务。

在测量环节中，并不是所有的部分都能“虚拟”，即软件化，例如传感器、A/D转换装置就不能软件化。

虚拟仪器的本质是利用现有的计算机加上特殊设计的仪器硬件和专用软件形成既有普通仪器的基本功能又有一般仪器所没有的特殊功能的高档低价的新型仪器。

它是利用计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能。

虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器，组织仪器系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。

虚拟仪器以透明的方式把计算机资源（如微处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号处理等）的测量控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口。

虚拟仪器实质上是软硬结合、虚实结合的产物，它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

3.2虚拟仪器的结构及组成

一套完整的虚拟仪器系统的结构一般来说分为四层：

（1）测试管理层

用户使用虚拟仪器生产厂商开发的应用程序，组成自己的一套测试仪器。

这是虚拟仪器的优点之一，它可以方便地使用户根据自己的需要，自己的风格建立自己的测试仪器。

（2）应用（程序）开发层

由生产商提供的软件开发工具，如NI（NATIONALINSTRUMENTS）公司的LabVIEW软件，LabWindows/CVI软件。

用户可以用这类软件进行深层开发，以扩展仪器原有的功能。

（3）仪器驱动层

由生产商开发，针对不同类型的仪器有不同的驱动程序接口。

为给用户提供方便、易用的仪器驱动程序，泰克公司、惠普公司和美国国家仪器公司等35家国际上最大的仪器公司成立了VXIplug&play系统联盟，并推出VISA（Virtu-alInstrumentSoftwareArchitecture）标准。

（4）I/O总线驱动层

由生产商开发，用于将不同类型的实际仪器通过相同标准的总线连接起来形成一套完整的测试系统，如得到广泛应用的VXI（开放式测量系统）总线系统。

一个完整的虚拟仪器主要由高效的软件、模块化的I/O硬件以及用于集成的软硬件平台组成。

3.2.1虚拟仪器的硬件组成

任何一台仪器无非由三大部分组成，信号的采集、数据的处理、结果的输出。

虚拟仪器也不例外，它也是按照“信号的调理与采集-----数据的分析与处理-----结果的输出与显示”的结构模式来建立通用仪器硬件平台的。

虚拟仪器硬件系统包括计算机硬件平台和测试功能硬件。

硬件技术的核心是接口总线技术，其关键就是在掌握构成虚拟测控系统各种内外总线的构成标准、通信方式的基础上，设计与测控对象相连的各种接口板卡，完成数据采集、信号调理与传输、数据通信、数据处理等功能。

硬件接口电路与计算机一起构成了虚拟仪器的硬件。

计算机是虚拟仪器的核心，主要完成数据处理和结果的显示。

硬件接口电路主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换。

根据构成虚拟仪器的接口总线不同，主要可分为如下几种构成方案，按照构成虚拟仪器的接口总线不同，可分为PC-DAQ、GPIB、RS232/RS422、VXI、PXI等。

虚拟仪器的硬件构成框图如图3.1所示。

图3.1虚拟仪器的硬件构成框图

（1）基于数据采集卡的虚拟仪器，它是以信号调理电路、数据采集卡（dataacquisition，DAQ）及PC机为仪器硬件平台，采用PCI（peripheralcomponentinterconnect）或ISA（in-dustrialstandardarchitecture）计算机本身的总线，将DAQ直接插入PC机的相应标准的总线扩展插槽即可，因此，这种虚拟仪器又叫PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器。

PC-DAQ为采集卡，由过去的16位标准ISA总线发展到32位的PCI总线插卡，易于构成个人仪器系统，但需打开主机箱直接与ISA、PCI总线连接，没有定义仪器系统所需的总线。

（2）基于通用接口总线GPIB（generalpurposeinterfacebus）接口的虚拟仪器，它是以GPIB接口仪器、GPIB接口卡及PC机为仪器硬件平台，GPIB为通用接口总线的简称，是一种并行方式的外总线，它实质上是通过计算机对传统仪器的功能扩展和延伸，目前，许多市售的台式仪器大多装有GPIB接口。

GPIB仪器具有独立的仪器操作界面，可以脱离计算机使用，也可以通过标准GPIB电缆连接计算机实施程序控制。

（3）基于串行口仪器的虚拟仪器，它是由Serial标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台的，它包括符合RS-232/RS422标准的PLC（programlogiccontroller）和单片机系统。

（4）基于VXI仪器的虚拟仪器，它是以VXI（VMEbusextensionforinstrumentation）标准总线仪器模块及PC机为仪器硬件平台的，由主机箱、控制器和仪器模块构成。

其中，控制器安装在零号槽中，称为零槽控制器。

VXI控制器包括嵌入式PC控制、嵌入式工作站控制器和外置工作站控制器，可根据测试功能的不同要求来选用。

VXI是工业标准总线VME的扩展，是一种完全开放的、模块化仪器总线标准的虚拟仪器开发平台，其可靠性、人机交互性能、测试速度优越，但价格较为昂贵。

（5）基于PXI仪器的虚拟仪器，它是以PXI（PCIexten-sionforinstrumentation）标准总线仪器模块及PC机为仪器硬件平台，PXI总线方式是在PCI总线内核技术上增加了参考时钟技术规范和要求形成的。

标准的PXI模块化仪器系统有8个插槽，还可与CompactPCI交互操作，可与GPIB或VXI集成，组成大规模、多用途系统。

PXI是PCI总线在仪器领域的扩展，以PCI总线为基础，利用了丰富的PCI模板资源和PC软件工具及开发环境，数据传输率可达132MB/s，应用软件开发与VXI一样。

PXI实现了VISA虚拟仪器软件体系，不仅能够控制PXI模块，也能控制VXI、GPIB及串行接口器件，还可以通过采用标准的PCI-PCI桥接器提高扩展槽数量，有利于系统集成。

它的最大优势在于价格低廉，并且PXI与主流PC技术完全兼容，在许多测试领域，由PC组建的系统与PXI系统可以相互替代。

（6）基于现场总线设备的虚拟仪器，它是以Fieldbus标准总线仪器及PC机为仪器硬件平台的。

上述的几种方案中，GPIB，VXI，PXI方案主要适合构成大型高精度集成测试系统；PCI—DAQ/PCI、串行口方案主要适合构成普及型的廉价测试系统；现场总线方案主要适合构成大规模的网络测试系统，如测试任务需要，也可将上述几种方案结合构成混合测试系统。

3.2.2虚拟仪器的软件组成

虚拟仪器系统的核心是软件技术，软件开发环境是其重要的组成部分。

虚拟仪器的软件从底层到顶层包括三部分：

VISA库、仪器驱动程序、应用软件。

（1）VISA（VirtualInstrumentationSoftwareArchitec-ture）库。

VISA库实质就是标准的I/O函数库及其相关规范的总称，它驻留在计算机系统中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，用来实现对仪器的控制。

（2）仪器驱动程序。

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序集合，是应用程序实现仪器控制的桥梁。

每个仪器都有自己的仪器驱动程序，由仪器厂商提供。

（3）应用软件。

应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的操作界面、丰富的数据分析和处理功能，来完成自动测试任务。

虚拟仪器必须具有强大的人机交互界面设计能力，易于实现各种复杂的仪器面板，还必须具有数据可视化分析能力，能提供丰富的仪器和总线接口的硬件驱动程序使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。

目前，虚拟仪器的软件开发平台主要有VisualC++，VisualBasic，以及HP公司的VEE和NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。

美国NI公司是虚拟仪器技术的领导者，LabVIEW就是其推出的一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境，是目前国际上唯一的基于数据流的编译型图形化编程语言，是一种优秀的虚拟仪器软件开发平台。

它不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。

LabVIEW中编写的源程序，很接近程序流程图。

所以，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了。

LabVIEW图形编程语言中的基本编程单元是VI（VinualInstrument，虚拟仪器），VI包括三个部分：

前面板（Frontpanel）、框图程序（BlockDiagram）和图标（Icon）连接器（Connector）。

前面板既接受来自框图程序的指令，又是用户与程序代码发生联系的窗口。

这个窗口模拟真实仪表的前面板，用于设置输入和观察输出，输入量称为控件（Controls），输出量称为指示器（Indicators）。

当把一个控件或指示器放到前面板上时，框图中相应地放置一个端子（Terminals），这个端子不能随意被删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。

用户可以使用多种图标，如旋钮、开关、按钮、图表、文本框、图形等，使前面板易看易懂。

我们可以把它想象为传统仪器的面板，面板上自然会有表头，按纽，拨盘等各种元件。

前面板的设计准则是：

（1）按照VPP规范设计前面板，使前面板具有标准化、开放性、可移植性。

（2）根据测试要求确定仪器功能。

根据测试任务确定仪器前面板具体测试、测量功能，开关、控制等设置要求。

（3）用面向对象的设计方法设计前面板。

按照面向对象的设计思想，一个虚拟仪器集成系统由多个虚拟仪器组成，每个虚拟仪器均由前面板控制。

前面板由大量的虚拟控件组成。

用户可以根据测试需要，通过界面方便的设置信号源的各项参数，选择不同的测试频段及频率步进，并将结果数据以图表的形式显示。

每一个VI程序的前面板都对应着一段框图程序。

框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。

也可以把它想象为传统仪器机箱里用来实现仪器功能的零部件。

所有VI源程序的框图都是由节点（Nodes）、端子、图框和连线（Wires）四种元素构成。

其中，端子被用来同程序前面板的控件和指示器传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。

编制框图程序时，从功能模板中选择需要的节点图标或图框，将之置于窗口面板上适当的位置，然后用连线连接它们及框图中的端子即可。

在彩色监视器上，每种数据类型以不同的颜色和线形强调显示。

3.3虚拟仪器总线技术

目前VI使用的总线技术主要有以下几种。

3.3.1DAQ总线方式的虚拟仪器

DAQ指的是基于计算机标准总线（如ISA、PCI等）的内置功能插卡，它更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。

利用DAQ可以方便快捷地组建虚拟仪器，实现“一机多型”和“一机多用”。

在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的发展，DAQ的采样速率已达1Gb/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O、模拟I/O、计数器/定时器等通道。

DAQ虚拟仪器既具有高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。

对大多数用户来说，这种方案不但实用，而且具有很高的性能价格比，是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。

下面以基于PCI总线和USB总线的多功能虚拟仪器的实现为例，介绍DAQ型虚拟仪器的结构。

（1）基于PCI总线的多功能虚拟仪器

PCI总线是一种独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传输率高达132MB/s~264MB/s，PCI总线技术用无限读写突发方式，可在一瞬间发送大量数据。

PCI总线上的外围设备可以和CPU并行工作，因此PCI总线得到了广泛的应用。

这种方式借助于插入PC机和工控机内的高速数据采集卡与专用的软件相结合，将它们安装在一台运行的PC机上，可构成一个功能强大的数字虚拟仪器，完成测试任务。

另外，通过改变应用程序，即界面程序设计可实现不同功能的虚拟仪器，如虚拟数字示波器，虚拟频谱分析仪等。

其工作原理是：

由主机启动程序，发出按时间步进的频率控制字送入信号源电路，产生频率随时间在1MHz～70MHz范围内变化的恒幅正弦波模拟信号。

信号通过高速数据采集卡采样的数字信号，经PCI总线送入计算机内，通过LabVIEW软件模块对信号进行分析、处理，从而实现虚拟仪器的功能。

这种仪器价格便宜，因个人计算机数量非常庞大，因此用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室，目前仍有强大的生命力。

这种类型的虚拟仪器充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但它也具有一定的缺点：

由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入时都需要打开机箱，操作不方便；并且测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机