基于LabVIEW的液位测控系统设计说明Word格式文档下载.docx
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2.3.1第一级数据放大器7
2.3.2第二级放大器8
2.4整体电路8
3.2.1固态继电器SSR14
3.2.2交流型SSR的工作原理14
3.2.3SSR的注意事项16
4.1.1数据采集卡的主要性能指标19
4.1.2数据采集卡（DAQ）的组成20
4.1.3NIUSB-6008数据采集卡20
4.2图形化虚拟仪器开发平台—LabVIEW22
4.3程序模块化设计概述23
4.4液位测控程序设计24
4.4.1系统软件需求24
4.4.2LabVIEW前面版设计25
4.4.2LabVIEW后面板程序设计26
4.5软件调试步骤及其调试27
5.3PID控制的局限性及新方法的探求33
附录43
1.74LS74推荐工作条件43
2.电路板设计步骤44
3.NIUSB-6008/6009的I/O连接器44
第一章绪论
1.1课题背景
检测和控制是人类认识世界和改造世界的重要任务，而测控系统则是实现这些任务的工具和手段。
测控系统在国民经济各领域的应用越来越广泛，如输油输气测控系统、城市公共事业测控系统等，同时，它还涉及人类生活的方方面面，因此，测控系统是人类生活、生产、科学研究等必不可少的工具和手段。
虚拟仪器VI（VisualInstrument）正在成为当今世界流行的一种一起构成方案，它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统。
工业液位控制中,常常用到液位控制。
在这些控制中，最重要的参数是液位，因此有必要对液位控制进行自动的、实时的监控。
液位测控是工程实践中常见的问题，在民航各领域有着广泛的应用。
液位测控系统作为测控系统中一支，在大量的书籍中都有着较为详细的介绍，本文正是在前人的探索和指导下，顺应计算机技术的迅猛发展，将二者有机的结合起来，设计出简易的液位计算机测控系统。
1.2系统组成
液位测控系统结构示意图如图1-1所示。
由图1-1可见，液位测控系统主要由机械部分和计算机测控部分组成。
机械部分由水箱、水容器和进/出水阀所组成。
出水阀门和入水阀门用的是非线性的电磁阀，只有通和断两种工作状态，用来在实验过程中自动或手动向容器内加水和放水。
计算机测控部分由压力传感器、数据放大器、NIUSB-6008数据采集卡、进出水阀控制板、计算机及其运行于其上的软件系统所组成。
数据采集卡用来进行A/D转换和数字信号的输入输出，计算机及运行于其上的软件系统负责实
时显示和控制液位高度。
传感器
图1-1液位测控系统结构示意图
1.3系统工作原理
系统工作原理简述如下：
系统使用压力传感器，把水压信号转变成为一个毫伏级的微弱电信号。
这个电信号的大小就反映了液位的高度，将这个信号进行两级放大，得到计算机采集系统可用的电压信号，通过运算还原为液位高度，在运行界面上以数字和曲线的方式直观显示出液位的变化情况。
液位控制是通过将采集的液位高度与界面上设定的液位高度进行比较，形成负反馈，由计算机发出数字信号来控制入水阀和出水阀的通断，使实际液位达到设定液位的高度。
1.4本文的主要内容
根据系统设计要求，论文内容如下：
第二章重点介绍液位测量部分，包括传感器、液位测量电路的结构和工作原理；
第三章介绍液位控制回路相关内容；
第四章介绍计算机液位测控系统，重点介绍软件程序设计，它是本文的核心部分；
第五章为系统线性控制改进方案。
第二章传感器及信号调理
该部分主要包括数据采集技术概述，传感器，输入信号的分析、调理。
2.1数据采集
2.1.1数据采集技术
在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。
它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。
各种类型信号采集的难易程度差别很大。
实际采集时，噪声也可能带来一些麻烦。
数据采集时，有一些基本原理要注意，还有更多的实际的问题要解决。
2.1.2数据的采样
假设现在对一个模拟信号x（t）每隔△t时间采样一次。
时间间隔△t被称为采样间隔或者采样周期。
它的倒数l/△t被称为采样频率，单位是采样数/每秒。
t＝0，△t，2△t，3△t……等等，x（t）的数值就被称为采样值。
所有x（0），x（△t），x（2△t）都是采样值。
这样信号x（t）可以用一组分散的采样值来表示：
{x（0），x（△t），x（2△t），x（3△t），…，x（k△t），…}（2-1）
图2.1显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。
采样间隔是△t，注意，采样点在时域上是离散的。
图2.1模拟信号采样图
如果对信号x（t）采集N个采样点，那么x（t）就可以用下面这个数列表示：
X={x[0]，x[l]，x[2]，x[3]，…，x[N－l]}（2-2）
这个数列被称为信号x（t）的数字化显示或者采样显示。
这个数列中仅仅
用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或△t）的信息。
所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x（t）的频率。
根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。
反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。
理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，但实际上工程中选用5-10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。
2.2传感器
2.2.1传感器的选用
测量的压力的方法众多，所以可使用的传感器也多种多样，但考虑技术成本等诸多因素，主流多为压阻式和压电式压力传感器，压电式传感器因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。
实际情况下无法达到，不能进行静态测量。
所以选用压阻式传感器。
压阻式压力传感器是基于半导体材料（单晶硅）的压阻效制成的传感器。
图2-2压阻式压力传感器结构原理图
本文所使用的传感器结构如图2-2所示，有外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。
核心器件是一个周边固定支撑的硅敏感膜片即硅压阻芯片，又名硅杯，上面用扩散掺杂法做成四个相等的硅应变电阻条，经整镀金属电极及连线接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。
膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔。
采用硅杯结构的好处在于使硅膜片与固定支撑环构成一体，即可提高灵敏度，减少非线性误差和滞后，又便于集成化和批量化生产，降低了成本，圆形硅杯最常采用，工艺成熟，P型硅的压阻系数比N型硅的值高，因此选P型电阻条有利于提高敏感器件的灵敏度且温度系数小，也易制造。
通常选用N型硅膜片，在其上扩散P型杂质，形成应变电阻条。
压阻式传感器的主要特点是高精度、高频响、高灵敏度、小体积。
2.2.2.压阻式压力传感器的基本原理
将上述介绍的传感器高压腔置于容器底部，低压腔与外界大气相连，引线接入电路中，当容器中注入水后，膜片受到水压的影响，发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，而前后两次的压差就是液位底部的压力。
通过Pa＝
GH，可以计算得出液位的高度。
2.2.3.传感器存在的问题及其解决方法
由于制造、温度对半导体的显著影响等原因，传感器的电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响了传感器的准确性。
而减少与补偿误差的措施主要有：
1.为恒电压供电电桥附加三极管；
2.零点温度补偿；
3.灵敏度温度补偿。
具体内容如下所述：
1.附加三极管：
在恒电压工作情况下，当传感器上的外加电压为Vi时，桥路输出电压
.温度对半导体压力传感器量程的影响与温度对β的影响相同。
利用三极管的基极、发射极间电压降VBE大约-1.8mv/℃的温度系数,将温度对量程的影响抵消掉。
图2-3附加三极管电路
对图2-3而言，需保证三极管部分工作在2.5V电压下，它可以大致抵消电桥在5V电压下的温度误差。
2.温度漂移及其补偿
图2-4温度补偿电路图
温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移，如图2-4所示，若串联电阻RS可起到电路调零作用,而并联电阻RP可起到电路补偿作用。
零漂：
扩散电阻值随温度变化；
灵敏度漂移：
压阻系数随温度变化；
零位漂移：
串、并联电阻；
灵敏度温漂：
串并联二极管。
在本系统中，传感器工作在5V的电压下，在水位为零时，输出值Vo=-8.16mv,满量程水位5m时，输出值Vo=39.97mv,为了保证传感器的正常运行，本传感器两端需加+5V电压，并使连入的三极管工作在+2.5V的条件下，以便抵消较为准确的抵消电桥电路的误差。
2.3信号调理电路
一般来说，放大器的输入信号都比较微弱，为毫伏级的或者微伏级，其输入的功率一般在1mV以下，为了使信号能够推动其负载正常工作，必须采用多级放大电路对所输入的微弱信号进行放大，这样才可能在放大电路的输出端形成负载能够正常工作的电压值或者足够的功率。
一般是在放大电路的前面一些级胶泥性电压放大，从而将微弱的输入电压放大到足够大的程度，接下来再由此电压来推动功率放大级级进行功率放大，从而便可以得到负载能够正常进行工作必须的电压和功率。
由上小节知，传感器输出信号Vo比较微弱，达不到A/D转换0~5V的其本要求，且幅值很小，无法进行相应的记录和显示。
故此输出信号需要进行数据放大和信号调节，即传感器输出信号需要信号调理电路的调节。
本文的信号调理电路由第一级数据放大器和第二级数据放大器两部分组成。
前者实现信号的放大，后者实现信号的调节。
图2-5三运放高共膜抑制比放大电路
2.3.1第一级数据放大器
采用如图2-5所示的并联差分输入仪用放大器，又名三运放高共模抑制比放大电路作为第一级数据放大器。
电路中，由两个性能一致的同相放大器A1,A2并联构成平衡对称差动输入级，输入级的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在
两端互相抵消，因而电路具有良
好的共模抑制能力，又不需要外部电阻匹配。
取R1=R2以消除A1、A2偏置电流的影响。
若将
为可调电阻，则电路具有增益调节能力。
构成双端输入单端输出的输出级，进一步抑制共模信号，因此其选择具有高共模抑制比。
本运放提供的增益为Av=
（2-3）
2.3.2第二级放大器
在2.1节提到，当水位为零时，Vo=-8.16mv，经第一级数据放大器放大，它将是一个很大负值，而本系统要求在水位为零时，输出数值应为0V，故本系统加入一个可调节反向放大器见图2-3，来调节初始的负值。
图2-6.反向运算放大器
由图2-4知：
Uo=
（2-4）
Ui′为R5处输出的电压。
通过调节R5的触头来改变Ui′,使输出值为0V。
2.4整体电路
分别将测量放大、反向放大器、差动放大器按一定的顺序组合起来即得到本硬件电路系统的原理图，具体电路图见下图所示：
图2-7总体电路框图
元件参数推理如下：
水位在0~70cm变化时，传感器输出的电压为-8.16mv~39.97mv。
若此信号不经放大直接调节使其初始输出为0V，则输出电压范围为0V~48.13mv。
为使电路输出5V的电压，放大器的增益应为：
（2-5）
考虑到压力传感器的分散性，放大器的增益应当取70~150倍。
由于一次性放大百倍，轻微的干扰都容易造成放大后的信号失真，所以在第一级数据放大器中，先使用A1，A2组成的双端输入/输出差动放大器放大Av=9~13倍，此放大器的优点在于信号从两个同向段输入，使输入阻抗高达10M以上，易于测量微弱信号。
然后使用A3放大器放大10倍，A3的优点是采用差动输入，在运放参数和电阻严格对称时，电路具有很高的共模抑制能力和低
温漂。
公式部分如下：
（2-6）
（2-7）
（2-8）
取R1=2KΩ，R1′=1KΩ,R2=R4=12KΩ,R3=R5=4.7KΩ,Rf1=Rf2=47KΩ。
为了保证第二级数据放大器有高的输入电阻并且便于调节，设置
R6=R7=Rf3=Rf4,R8=10k。
第三章液位控制回路
液位控制是通过将采集的液位高度与界面上设定的液位比较，形成负反馈，由计算机发出数字信号来控制出水阀和入水阀通断。
使实际液位达到设定液位的高度。
本部分的职能是执行计算机输出的信号，调节水箱的液位，使其达到给定的液位值。
一般较常用的硬件为电磁阀控制板和电磁阀门。
其中电磁阀控制板控制电磁阀的‘关’和‘断’，为本章的核心部件。
它包括固态继电器（SSR）、六反向器74LS04和插座，其结构图如图3-1所示：
图3-1液位控制系统原理图
3.1基本组件及原理特性
液位测控系统中硬件系统的控制部分由六反向器（74LS04）、固态继电器、电磁阀等组成，其中74LS04与固态继电器组成控制板，电磁阀作为出入水的控制开关使用。
系统根据液位测量情况，通过计算机自动控制入水阀和出水阀，使当前液位达到设置液位。
也可手动控制入水和出水。
以下将对控制部分的主要组件进行分析。
3.1.1六反向器（74LS04）
74LS04的外引线排列如图3-2；
图3-274LS04引线图
74LS04共有14个引脚，‘7’端口接地，‘14’端口接高电平，剩余的‘1’，‘3’，‘5’，‘9’，‘11’，‘13’为六个非门的输入端，‘2’，‘4’，‘6’，‘8’，‘10’，‘12’为六个非门的输出端，在工程实践中具有广泛的应用。
由以上分析可知系统工作原理如下:
当控制板接收到端口控制信号时，74LS04的一端口为‘1’，74LS04的二端口则为‘0’，此时SSR的输入端加入了一定的控制信号，由图可知，其控制SSR的输出端处于通态，电磁阀导通；
当控制板无端口控制信号接入时，74LS04的一端口为‘0’，74LS04的二端口则为‘1’，此时SSR的输入端加入了一定的控制信号，由图可知，其控制SSR的输出端处于断态，电磁阀关闭。
当工作电压过高时，继电器自动断开，起到一定的保护作用。
极限参数：
电源电压.....................7V
输入电压.....................7V
工作环境温度：
74LS04.............0～70℃
贮存温度..............-65～150℃
3.1.2电磁阀
在本系统中所使用的控制开关为两个膜片电磁阀是二位通常式自动阀门，该阀在系统中的工作情况为电磁阀接通电源时，阀门开启，介质流通（在本系统中介质为水）;
当电磁阀断电后，阀门关闭，介质中断。
其使用环境：
1.应垂直安装在环境温度为-30度到+40度，相对湿度小于98%的场地。
周围环境影响对干燥，不宜出现滴水见水的情况同时注意进出阀不可装反。
2.要保证电压在额定电压的正负15%范围内波动，频率在额定值的正负5%内波动。
阀的前后压差为0.38Kgf/cm2
电磁阀控制板
电磁阀控制板控制电磁阀的接通和断开。
其主要有固态继电器SSR和74LS04
下图为一种典型的电磁阀门示意图：
图3-3电磁阀门示意图
3.2继电器
继电器室根据一定得信号（电流、电压、时间和速度等物理量）变化来接通或分断小电流电路的自动控制电器。
继电器一般不直接控制主电路，而是通过接触器或其他电器来对主电路进行控制。
继电器的种类很多，但是根据其工作原理不同可分为电磁继电器盒固态继电器两大类。
3.2.1固态继电器SSR
在本系统中，将使用固态继电器。
固态继电器（SOLIDSTATERELAYS），简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件（如开关三极管、双向可控硅等半导体器件）的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”，为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。
为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器。
当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。
整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能。
其封装形式也与传统电磁继电器基本相同，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。
由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以它较之电磁继电器具有工作可靠、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点。
3.2.2交流型SSR的工作原理
SSR按使用场合可以分交流型和直流型，本系统选用交流型。
交流型SSR有两个输入端、两个输出端，即为四端器件。
工作时，只要在
输入端加上一定的控制信号，便可控制输出端的通与断。
而中间的耦合电路由于使用了光电耦合器，故既有控制信号的输入和输出端间的耦合功能，又能在电气上断开输入和输出端间的直接连接，起到良好的绝缘隔离作用。
同时，由于输入端的负载是发光二极管，这使的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，故在使用中可直接与计算机输出口相接，受到0与1的逻辑电平控制。
交流型SSR的一个重要特点是过零触发技术,其中开关电路是由触发电路触发驱动的。
但是，若开关电路不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网。
为此特设过零控制电路，用以保证触发电路在有输入信号和开关器件两端电压值过零的瞬间触发开关器件，实现通断操作，杜绝了开关器件带电动作所产生的干扰和污染。
所谓过零是指当加入控制信号后，交流电压过零的瞬间，SSR为通态；
而当断开控制信号后，SSR要待交流电的正半周与负半周的交界点（零电位）时，SSR才为断态。
图3-4交流型SSR的工作原理图
交流型SSR的另一个重要特点是以吸收回路来实现瞬间过电压的保护。
由图可知，当反峰电压大于双向晶闸管允许的峰值电压时，若无瞬间过电压保护措施，有可能损坏SSR，因此在交流电源输入端并接RC浪涌吸收回路及在SSR输出端并接非线形的压敏电阻，实施保护功能。
典型SSR电路图如图3-5：
图3-5交流型SSR典型电路图
图中的VPC是一个以光控可控硅为输出器件的光电耦合器。
它除了传递控制信号外，还具有隔离功能。
光控可控硅依靠VD1－VD4通过整流从交流电源取得正向工作电压，使它在交流正、负两个半周内均处在待触发状态。
R1和C1并联后接于可控硅的控制极，以削弱干扰的影响。
过零检测环节由R2、R3和晶体管V构成。
这里所谓的“零”并非指
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