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1．系统设计1．1系统总体设计方案设计框图如下所示：图1系统总体设计框图1．2单元电路方案的论证与选择硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。1．2．1温度信号采集电路的论证与选择方案：本系统中我们采用MF58型高精度负温度系数热敏电阻器及其外围电路，组成温度信号采集电路。相比较方案一，方案二后续电路较复杂，且需进行温度标定，但由于此方案能够较好的体现物理思想，通过实验标定温度，可以使我们更好的理解模拟信号与数字信号的转化，故我们采用了此方案。MF58型高精度负温度系数热敏电阻器有许多优点：稳定性好，可靠性高；阻值范围宽：0.1-1000K；阻值精度高；由于玻璃封装，可在高温和高温等恶劣环境下使用；体积小、重量轻、结构坚固，便于自动化安装（在印制线路板上）；热感应速度快、灵敏度高。故我们采用此温敏元件。1．2．2温度控制接口电路的论证与选择我们采用频压转化电路将频率信号转化成电压信号，进而控制加热与降温电路工作。选用集成式频率／电压转换器LM2907，配以外加电路，能将经PC机处理后输出的频率信号转换为直流电压信号，电压信号控制继电器（相当于开关）工作从而使电路联通，电风扇或加热丝工作。在一定范围内，LM2907的频率和电压转换可成线性关系，可以实现电热丝加热功率和LabVIEW操作平台温度信号采集电路温度控制接口电路继电器控制与加热电路继电器控制与降温电路风扇转速的连续可调。由于技术原因，我们未能实现这项功能，预留此项功能，可以作为功能扩展。1．2．3加热与降温电路的论证与选择由数据选择器与两片LM2907（后接功率放大电路）分别连接加热和降温电路，实现加热功率与风扇转速的连续可调，如1.2.2所述。原理图如下：图2加热功率与风扇转速的连续可调电路原理图1．3软件设计1.3.1主程序流程图频压转换电路LM2907频压转换电路LM2907数据选择器功率放大电路功率放大电路升温电路降温电路计算机图3主程序流程图1.3.2PID算法读取从声卡输入的正弦电压，经过处理得到该正弦电压的有效值将有效电压值按照电压——温度函数关系，转换成实时温度T将实时温度T与目标温度Tr相减得到温度差E，再取出历次E的值，经过PID算法的处理，计算出需要控制加热丝加热t秒钟将实时温度等相关信息显示到前面板，并写入记录文件中控制声卡输出t秒正弦波，从而控制加热丝加热t秒。延时，直到下次循环的开始。循环周期为10秒钟。判断是否停止或者出错系统的结束操作，包括关闭文件、关闭声卡输入、关闭声卡输出、出错处理系统初始化设置，包括创建文件初始化、声卡输入初始化、声卡输出初始化NYPID算法是本程序中的核心部分。我们采用PID模糊控制技术,通过Pvar、Ivar、Dvar（比例、积分、微分）三方面的结合调整形成一个模糊控制来解决惯性温度误差问题。其原理如下：本系统的温度控制器的电热元件之一是发热丝。发热丝通过电流加热时，内部温度都很高。当容器内温度升高至设定温度时，温度控制器会发出信号停止加热。但这时发热丝的温度会高于设定温度，发热丝还将会对被加热的器件进行加热，即使温度控制器发出信号停止加热，被加热器件的温度还往往继续上升几度，然后才开始下降。当下降到设定温度的下限时，温度控制器又开始发出加热的信号，开始加热，但发热丝要把温度传递到被加热器件需要一定的时候，这就要视发热丝与被加热器件之间的介质情况而定。通常开始重新加热时，温度继续下降几度。所以，传统的定点开关控制温度会有正负误差几度的现象，但这不是温度控制器本身的问题，而是整个热系统的结构性问题，使温度控制器控温产生一种惯性温度误差。增量式PID算法的输出量为ΔUn=Kp[(en-en-1)+(T/Ti)en+(Td/T)(en-2*en-1+en-2)]式中，en、en-1、en-2分别为第n次、n-1次和n-2次的偏差值，Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分系数和微分系数，T为采样周期。计算机每隔固定时间T将现场温度与用户设定目标温度的差值带入增量式PID算法公式，由公式输出量决定PWM方波的占空比，后续加热电路根据此PWM方波的占空比决定加热功率。现场温度与目标温度的偏差大则占空比大，加热电路的加热功率大，使温度的实测值与设定值的偏差迅速减少；反之，二者的偏差小则占空比减小，加热电路加热功率减少，直至目标值与实测值相等，达到自动控制的目的。PID参数的选择是实验成败的关键，它决定了温度控制的准确度。数字PID调节器参数的整定可以仿照模拟PID调节器参数整定的各种方法，根据工艺对控制性能的要求，决定调节器的参数。各个参数对系统性能的影响如下：①比例系数P对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P太大时，系统会趋于不稳定；P太小，又会使系统的动作缓慢。P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。②积分控制I对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降，I小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。③微分控制D对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较大，调节时间较短；D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。1.3.3前面板与虚拟仪器框图图4前面板样图图5源程序（一）图6源程序（二）2．单元电路设计2．1温度信号采集电路信号发生器与热敏电阻串联，提供交流信号。热敏电阻阻值随温度改变，流经电阻的交流电流有效值保持恒定，由欧姆定律可知，电阻两端的电压亦随之改变。经电压跟随器（降低信号输出阻抗）输出后，通过声卡采集数据。电路图如下所示。加入电压跟随器可以对前后级电路起到“隔离”作用。电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态。极端一点去理解，当输入阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响，使前、后级电路之间互不影响。R34K7R110KQ1NPNtRT1THERMISTOR+12+5+-R2RES2V1UiUo图7温度信号采集电路2．2温度控制接口电路（频压转换电路）LM2907为集成式频率／电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号，后接加热、降温电路。TACH+1TACH-11IN-10IN+4CHPUMP2CPO3COL8EMIT5NC6NC7NC13NC14U1LM2907N(14)C11000pR2100KN1N1UoUoR1200C20.47uFR310KFiUo+12图8温度控制接口电路（频压转换电路）2．3继电器控制与加热电路输出信号经电流放大后控制继电器工作，继电器起开关作用，12V电源单独供电，实现“电器隔离”。R3HeaterK1RELAY-SPDTQ18050R11KR55K1D11N4007Con1+12图9继电器控制与加热电路2．4继电器控制与降温电路原理同升温电路。R4FANK2RELAY-SPDTQ28050R21KR65K1D21N4007Con2+12图10继电器控制与降温电路3．系统测试3.1使用的仪器仪表PC机直流电源DT－2058数字万用表信号发生器温度计3.2PID算法参数测定Kp351.3865Ti-2.65849Td0.0001773.3温度定标系统硬件连接好后，放在特定容器中，运行程序，用温度计测量容器内温度，每隔2℃记录一次温度值及其相应频率值。曲线拟和后，温度标定。参考文献[1]LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计，侯国屏等[2]LABVIEW高级程序设计，杨乐平李海涛等[3]LABVIEW讲义（上册）（下册）山东大学物理与微电子学院[4]微型计算机控制技术，潘新民王燕芳，电子工业出版社[5]微机原理及软硬件接口技术，杨书华霍孟友主编王捷何辉华栋编[6]Windows环境下软硬件接口技术，李圣怡戴一帆王宪平等编著