摘 要

随着人们生活水平的提高， 环保意识也随着环境的恶劣变得越来越重要。相比于燃烧加热，感应加热电源的高效性、无污染性越来越受到工业生产的重视。通过对生产实地的考察，发现很多的工厂仍然使用燃烧加热，造成的污染使当地的环境愈加恶劣。因此，感应加热电源的推广，收到各界人士的关注，随之而来，对感应加热电源的监控系统的设计也愈加急迫，尤其对大功率是感应加热电源的监控，对生产安全极为重要。针对这一现象，本次设计提出了一种大功率感应加热电源监控系统的设计。

本次设计主要分为两部分：电量数据采集电路与上位机监测界面设计。在电量数据采集电路中，通过传感器对感应加热电源的电压、电流、频率信号进行采集，通过A/D转换电路，送入单片机，在液晶屏上显示采集的电量，并且通过串口通信电路，将下位机数据送到上位机中，对于过大的电压、电流，单片机会进行越限报警。在上位机监测界面的设计中，设计了用户登录界面，实时数据查看界面以及历史数据查询界面。监测系统的设计对工业生产的安全有重大意义。

在本次设计中，主要完成了下位机数据采集电路和上位机监测界面的设计，并进行了系统下位机和上位机的调试。

关键词：感应加热电源；电量数据采集；上位机监测；越限报警

ABSTRACT

With the improvement of people's living standards, environmental awareness has become more and more important with the harsh environment. Compared with combustion heating, the efficiency and non-polluting of induction heating power supply are increasingly valued by industrial production. Through the inspection of the production site, it was found that many factories still use combustion heating, and the pollution caused makes the local environment worse. Therefore, the promotion of induction heating power has received the attention of people from all walks of life, and the design of the monitoring system for induction heating power supply has become more urgent. Especially for the monitoring of high-power induction heating power supply, it is extremely important for production safety. In response to this phenomenon, this design proposes a design of a high-power induction heating power supply monitoring system.

This design is mainly divided into two parts: the power data acquisition circuit and the host computer monitoring interface design. In the power data acquisition circuit, the voltage, current, and frequency signals of the induction heating power source are collected by the sensor, and are sent to the single-chip microcomputer through the AD conversion circuit, and the collected power is displayed on the liquid crystal screen, and through the serial communication circuit, the lower computer data is sent to the upper computer. For excessive voltage and current, the MCU will perform over-limit alarm. In the design of the upper computer monitoring interface, the user login interface, real-time data viewing interface and historical data query interface are designed. The design of the monitoring system is of great significance to the safety of industrial production.

In this design, the design of the lower computer data acquisition circuit and the upper computer monitoring interface was completed, and the system lower computer and the upper computer were debugged.

Key Words: induction heating power；power data collection；Host computer monitoring；Over-limit alarm

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.2国内外研究现状分析 1

1.3系统设计的主要内容 2

第2章 总体方案选择 3

2.1系统设计要求 3

2.2方案设计 3

2.3微处理器选择与论证 4

2.4监控系统开发环境选择与论证 4

2.5系统整体设计方案的选择 5

第3章 电量采集系统的设计 6

3.1电量采集电路 6

3.1.1传感器的选择 6

3.1.2电压采集电路 6

3.1.3电流采集电路 7

3.1.4频率采集电路 7

3.2 A/D转换电路 8

3.2.1 ADC0809的工作原理 8

3.2.2 ADC0809与单片机的接口电路 9

3.3单片机及外围电路 10

3.4液晶显示电路 12

3.4.1 LM016L液晶模块的引脚图 12

3.4.2 LM016L与AT89C51并行硬件接口电路 13

3.5键盘电路 13

3.6报警电路 14

3.7串行通信电路 15

3.8下位机系统软件设计 16

3.8.1 下位机电路的软件设计 17

3.8.1数据传输软件设计 17

3.8.2液晶显示软件设计 18

第4章 能量监测系统设计 20

4.1数据库 20

4.2 LabVIEW与数据库的连接 20

4.3 LabVIEW编写程序的步骤 23

4.3.1前面板 23

4.3.2程序框图 23

4.4监测界面设计 25

4.4.1用户登录界面的设计 25

4.4.2能量监测界面的设计 27

4.4.3历史数据查询界面的设计 29

第5章 系统调试 31

5.1电量采集系统的调试 31

5.2能量监测系统的调试 32

5.2.1用户登陆界面的调试 32

5.2.2实时数据监测界面的调试 33

5.2.3历史数据查询界面的调试 33

第6章 总结与展望 34

6.1总结 34

6.2展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

感应加热电源的加热效率高，且无污染，已经受到越来越多的关注。目前，感应加热电源的发展迅速，在越来越多的生产现场使用到感应加热电源。在国内，感应加热电源的使用越来越广泛，对于感应加热电源的要求也越来越高，因此，感应加热电源监测系统的设计也越来越重要。但由于电网电压时常会出现波动，产品的品质难以保障。本次设计介绍了一种对大功率加热感应电源的监控方案，不仅可以对加热电源的电压、电流、频率、功率和能量进行监测，还可以将其显示在人机交互界面，更方便工作人员查看电源的状态，当加热电源的能量到达设定值时进行越线报警。这种设计使得生产过程更为安全，也更方便。

1.2国内外研究现状分析

感应加热技术是利用电磁感应原理实现对工件的加热，它的加热效率很高且无污染，相比于燃烧加热慢，效率低，而且污染很严重，感应加热技术已成为工业生产过程的新“宠儿”，因此在国内外的发展很迅速^[1]。在过去，电力电子器件发展的缓慢，感应加热所需要的电力电子器件并不能满足要求，电力电子器件的发展，对感应加热技术起到了很大的促进作用，现如今已形成了一种固定的形式—AC/DC/AC模式。由此，感应加热电源也发展快速，在工业现场，感应加热电源由电网供电，经过一系列的整流滤波逆变将变成一定频率的交流电，给加热线圈供电^[2]。电磁感应加热电源系统的结构图如图1.1所示。

图1.1 电磁感应加热电源系统结构图

我国感应加热技术应用在工业生产中开始于50年代，到了60年代，由于晶闸管的广泛应用，开始出现了晶闸管中频电源，此后，感应加热电源开始广泛使用，到现在为止，中频感应加热电源已经占领了一部份市场，而且在以后的发展中，感应加热电源会朝着更高效，更安全的方向发展。在高频领域，像20KHz的感应加热电源在九十年代已由浙江大学研制成功。如今，高频感应加热电源在我国也使用的较为广泛^[3]。

目前，国外的感应加热技术是领先于国内的，国外的感应加热电源的频率可达到百兆瓦，加热效率更高，速度更快，主要用于大型工件的加热。在国外，以晶闸管中频电源为代表的感应加热电源的已经完全取代了发电机组合，广泛应用在工业的生产。在高频领域，国外正在由电子管振荡器向固态电源过渡^[4]。

1.3系统设计的主要内容

本次课程设计要求设计一种功率为600KW，频率为40KHz的感应加热电源的能量监控系统，实现电源电量如电压、电流、频率采集，电量参数数据处理，功率与能量的计算和控制、上位机人机交互等功能。

本次系统设计主要内容如下：

（1）系统硬件电路如电压传感器、电流传感器、传感器的测量电路、电压电流频率数据采集系统、微处理器选、人机接口、通信电路、功率控制电路的选型与设计；

（2）下位机软件如数据采集、数据处理、键盘/显示程序、参数设置、控制算法、通信等程序设计；

（3）上位机人机交互界面的设计，实现电量参数的显示等功能；

第2章 总体方案选择

2.1系统设计要求

本次毕业设计的对象为大功率感应加热电源，要求对功率为600KW，频率为40KHz的大功率感应加热电源进行电量采集与监控。工业用电的相电压一般为380V，根据计算公式，感应电源的负载电阻一般都比较小，阻值在30左右，可以得出电流的值在140A左右。对于电压、电流，可以用电压、电流传感器直接采集；对于频率，利用电压过零比较器得到方波，将此方波信号输入单片机进行计数。通过串口通信，将数据通过串口送入上位机中，在上位机中监测电量情况。

2.2方案设计

本次系统方案设计如下：

（1）电量数据的采集。以单片机为核心，通过电压电流传感器对电源的电压电流信号进行模拟量的采集，通过AD转换电路，将电量模拟信号转换成数字信号，送入单片机，在单片机中进行功率及能量的计算。对于频率信号的采集，利用频率采样电路，将频率信号送入单片机。硬件电路框图如图2.1所示。

图2.1 电量采集电路框图

（2）电量的液晶显示。对于送入单片机的电压、电流和频率信号在液晶显示屏上进行显示。

（3）串口通信电路的设计。实现下位机与上位机的通讯，将采集的数据送至上位机。

（4）基于LabVIEW实现数据交互界面。利用LabVIEW软件开发监控系统，设计监控界面，实现电压，电流，频率，能量，功率参数的显示。

2.3微处理器选择与论证

要实现对电源电量的采集，必须要选择合适的微处理器，以便于设计人员进行电路设计及编程，便于功率及能量的积算。目前来说，便于能量计算的器件有很多，也可以在现场测量电压，电流量进行计算，我选择以下两种器件进行具体阐述。

（1）CPLD（复杂可编程逻辑器件）

CPLD（复杂可编程逻辑器件）属于大规模集成电路的范围，编程灵活，设计人员可以根据自己的需要设计合适的电路。CPLD的编程语言有很多种，例如梯形图，也可以用VHDL来编写。CPLD的特点有很多，例如对编程人员的经验要求不是很高，而且可以实现很多电路设计，在数字电路市场的应用很广泛，是如今数字电路中不可缺少的一部分。

（2）单片机

单片机作为控制器其中的一种，是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。单片机相当于一个小型计算机，通过单片机，可以实现各样的功能，而且编程也是较为灵活，为设计人员学习和设计电路提供了很大的便利。单片机的编程语言有汇编语言，C语言等，较CPLD相比，其结构简单，灵巧，对于实物电路的搭建也极为方便。对于现阶段的学生来说，单片机的使用更为熟悉和广泛^[5]。

2.4监控系统开发环境选择与论证

（1）LabVIEW软件

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它集成了利用满足 GPIB、VXI、RS-232和 RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能，与数据库的连接很方便。利用LabVIEW编写的程序称为VI，一个完整的VI是由前面板和程序控制框图组成。它的编程语言是图形化语言，称为“G”语言，“G”语言编程灵活，给予编程人员极大的便利。它的功能强大而且灵活，利用图形化编程语言设计的界面生动有趣。同时，在LabVIEW的编程环境中，对于常规串口通信的设计，利用VISA这个控件就足够，因此，本次设计LabVIEW是个很好的选择^[6]。

（2）VB软件

Visual Basic（简称VB），是微软公司公司开发的一种通用的基于对象的程序设计语言，VB来源于BASIC语言，拥有图形用户界面和快速程序应用开发系统，很方便能够连接数据库。利用VB来进行界面的设计也比较方便，在VB中，一个用户界面由对象构成，而窗体和控件构成了对象，用户只需要明白这些对象能完成什么功能，就可以很轻易设计出界面^[7]。但随着越来越多监控软件的产生，VB的效率低，状态控制不如函数式语言，代码可读性、程序可维护性不如LabVIEW方便。

2.5系统整体设计方案的选择

图2.2 系统整体设计框图

通过对微处理器和监控环境方案的比较，最终系统设计的方案如图2.2所示。整个系统以单片机为核心，通过霍尔电压、电流传感器以及频率采样电路对感应加热电源的电压、电流及频率进行采集，通过AD转换电路送入单片机，通过编程，计算功率及能量，通过键盘控制，将电压、电流及频率在液晶显示屏上显示，再通过串口通信电路，将五个数据量送入上位机中进行监测。

第3章 电量采集系统的设计

3.1电量采集电路

3.1.1传感器的选择

传感器的定义是指能够感受被测信号，并将被测信号转换为电信号的器件。在本次设计中需要用到的是霍尔传感器。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，它有高可靠性，高精度，强抗干扰能力，响应速度快，对于信号的测量也极为方便，因此很适合此次设计。

根据感应加热电源的功率和频率，可以得出本次设计要采集的电压、电流及频率的大小，电压为380V，电流为140A，频率40KHz，所以本次设计霍尔电压传感器选择HV25-P，该传感器的测量电压范围在0~500V，额定输入有效值为10mA，电源电压为15V；霍尔电流传感器型号为HKA-F1，该传感器的电流测量范围为0~600A，电源电压同样为15V，其额定输入电流为200A，额定输出电压为4V。频率的采集是利用电压过零比较器^[8]，将正弦波信号转换为同频率的方波信号，然后传输至单片机，对频率计数。

3.1.2电压采集电路

图3.1 电压信号调理电路

霍尔电压采集电路如图3.1所示，电压信号从port1与port2端口输入，因为HV25-P电压传感器额定输入有效值为10mA，为测量准确，接入一个50K的电阻，OUT端为输出端，M端输出的信号是电流信号，ADC0809只能对电压信号采集，因此要加一个采样电阻，输出端电压信号进入AD转换电路，最终送入单片机中。

3.1.3电流采集电路

图3.2 电流信号调理电路

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：