Labview课程设计家居防盗系统.docx

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Labview课程设计家居防盗系统

设计任务书

题目：

基于Labview的家居防盗系统设计

要求：

（1）实现NIELVIS硬件实验平台上的家居防盗系统设计。

（2）将Labview和NIELVIS为硬件实验平台相结合应用。

（3）电压在不同的范围内引起不同的报警现象，在相应阈值范围内触发屋檐的红色警报触发。

（4）利用电阻阻值大小变化决定了那个门或者窗户的开闭。

摘要

本设计是基于Labview的家居防盗系统设计。

随着测控技术和网计算机技术的高速发展及人们家居理念的变化与提升,如何建立一个高效率、低成本、易扩展的家居防盗系统已成为人关注的焦点。

虚拟仪器强调“软件就是仪器”，软件平台界面操作简单,实验效率和数据测试精度高,且测试成本低，成为人们的选择之一。

本课程设计中，主要实现对电气物理量的智能控制采用虚拟仪器技术，数据采集并测得电压，基于数据采集以及labview仿真，通过软硬件与计算机的结合,实现了测量的自动化并提供可分析数据。

以LabView为软件开发平台,以NIELVIS为硬件实验平台，实现的数据采集和处理,该系统能够实时采集电压信号,通过对信号的处理,实现对空调、门窗和窗帘的控制,并发出警报。

关键词：

防盗系统，labview，数据采集

第1章绪论

随着社会经济水平的发展，人们工作和生活方式的不断变化，家居防盗对于家庭财产安全变得越来越重要。

电子技术和计算机自动控制技术的快速发展，防盗系统不断臻于自动化、智能化。

本课程设计了一种基于现代微电子和以计算机为基础的labview家居防盗系统。

报警系统主要由硬件部分和软件部分组成，以家用PC为主控机，以LabVIEW为软件开发平台，以NIELVIS为硬件实验平台，设计了一套自动化家居防盗系统基本目标。

本系统上位机软件采用LabVIEW进行编写，同其它编程语言相比LabVIEW采用图形语言进行编程，使编程更灵活、方便，降低开发难度，缩短开发周期，并可以根据用户的需要对系统做出快速的更改，实现对家居信息的自动化监控。

第2章系统总体设计

2.1设计平台

该家居报警系统设计是基于数据采集通过软硬件与计算机的结合,实现了测量的自动化并提供可分析数据以及labview仿真。

以LabView为软件开发平台,以NIELVIS为硬件实验平台的设计。

2.2系统的框架设计

本设计是为家庭设计一个防盗自动警报系统，该系统根据开关的状态模拟门或窗户的开闭。

如果警报系统处于激活状态，则当检测到某个开关门状态变化，触发相应的警报。

在阈值函数后控制前端面板上的信号显示那一扇门或窗户开闭状态。

在该系统中，每扇门或窗户只需要两根导线来连接到警报系统中。

而在智能系统中，回路则只需要一根导线就可以了，每个按钮开关将控制相应电阻的短路或者开路，使测量的电压在相应的阈值范围内。

最终电压的大小决定了那个们或者窗户会被打开。

图2.1家居防盗系统原理图

第3章软件设计

3.1虚拟仪器介绍

虚拟仪器是美国国家仪器公司1986年提出的概念，是现代计算机技术和仪器技术深层次的产物，是计算机辅助测试领域的一项重要技术。

虚拟仪器的出现是测量仪器领域的一个突破，它彻底改变了传统的仪器观，从根本上更新了测量仪器的概念，带给了人们一个全新的仪器观念。

虚拟仪器是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，一种将计算机装入仪器，其典型的例子就是智能仪器。

随着计算机功能的日益强大以及体积的日趋缩小，这种仪器功能也越来越强，已经出现含嵌入式的仪器。

另一种是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

3.2前面板设计

单击Run运行程序。

如果NIELVISII连接好了并处于ON状态，而且原型板具有电源供电，则原型板上的动作将会显示在LabVIEW的前端面板上。

每一个开关都映射到一个特定的窗户或门上。

如果某个窗户或门打开状态，则输入端口显示为黑色。

任何打开的门或窗户都将通过屋檐槽触发红色警报。

要终止程序，单击AlarmOff前面板的滑动开关。

3.3程序框图设计

对DAQ助手编程，使之以1000S/s的速率连续5读取100个电压值。

从数据簇（蓝/白线）中选择电压数值。

Mean.vi将计算这组读取的平均值。

并将其传送到电压触发阶梯中。

一旦电压落入两个限制值之间（橘色方框），相应的状态就将显示在前面板上。

限制选为两个相邻触发电压的中间值。

当任一扇门或窗户被打开时，4-1输入的OR函数将触发警报。

该设计智能检测到第一个被打开的们或者窗户。

如果在限制阶梯中增加几个梯级，将可以多个打开或关闭状态。

3.3.1创建NI-DAQmx任务

按照下列步骤，可以创建并配置一个从DAQ设备读取电压的任务。

方案1：

利用DAQ助手

1.打开一个新建的空白VI。

2.在程序框图中，打开函数选板并选择Express»输入，显示输入选板。

3.选择输入选板上的“DAQ助手”ExpressVI，如左图所示。

将该ExpressVI放置到程序框图上。

打开DAQ助手，显示新建Express任务对话框。

4.单击采集信号»模拟输入，显示模拟输入选项。

5.选择电压创建一个新的电压模拟输入任务。

对话框将列出各个已安装的DAQ设备的通道。

列表中通道的数量取决于DAQ设备的实际通道数量。

6.在支持物理通道列表中，选择仪器与信号连接的物理通道（如ai0）并单击完成按钮。

“DAQ助手”将打开一个新对话框，如图5.6所示。

对话框显示选中完成任务的通道的配置选项。

7.在设置选项卡的信号输入范围部分，将最大值和最小值分别设为10和-10。

8.在配置选项卡的定时设置部分，从采集模式下拉菜单中选择N采样。

9.在待读取采样文本框中输入1000

图3.1创建NI-DAQmx图

3.3.2比较函数

依据上限和下限，确定x是否在指定的范围内，还可选择将值强制转换至范围内。

只在比较元素模式下进行强制转换。

如所有输入都是时间标识值，该函数接受时间标识。

用户可更改函数的比较模式。

本设计是通过该比较函数，确定电压是否在相应阈值内，进行电压比较控制门或窗的开闭状态。

图3.2比较函数图

3.3.3均值趋势VI

数值运算是Labview中最基本的功能之一；Labview的图形化编辑语言方便、简单的使数值运算更加直观和形象。

本设计主要采用Labview的WHile结构，将动态数据类型转换成可与其他VI和函数配合使用的数值、布尔、波形和数组数据类型，以计算DAQ电压数据值的的中央趋势。

图3.3均值趋势VI

第4章硬件设计

4.1数据采集卡

4.1.1数据采集的应用及概念

数据采集（DataAcquisition,简称DAQ），自动从布置于工厂、实验室、现场的传感器、设备等收集获取数据的过程，如图3.4所示。

狭义的数据采集主要是模拟输入（AI），其目的是为了测量某种电信号或物理信号，如电压、电流、温度、压力、加速度、声强等。

广义的数据采集还包括模拟输出、数字I/O等。

例如,目前市面上的多功能数据采集设备通常包括模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/定时器等功能，如NI的M系列多功能DAQ卡。

现在一些传感器/变送器已经集成了A/D转换功能，直接通过数字接口读取数据，从而不需要模拟输入采集。

数据采集的应用十分广泛，几乎涵盖所有工程专业和科学研究方向。

电子、电气、机械、车辆工程、海洋工程、环境、化工、生物医学、土木工程、能源电力、高能物理。

图4.1信号采集流程

4.1.2选择数据采集设备时的考虑因素 

a）通道数 

b）b）总线 

c）带宽是否足够数据传输速度的需求 

d）最高采样率 

e）根据乃奎斯特定律，采样率应为最高频率分量的两倍以上，实上最好能做到5-10倍 

f）分辨率 

g）够用就好，不一定越高越好

4.2NIELVIS的硬件连接与配置

本实验主要基于NIELVIS多功能教学实验平台和NIDAQ硬件实践平台完成。

Pre-Lab检查NIELVIS的硬件连接与配置

1.检查ELVIS工作台的电源已经连接并打开，并且已经通过USB线缆连接至PC机。

2.通过开始>>所有程序>>NationalInstruments>>Measurement&Automation打开NIMeasurement&AutomationExplorer（以后简称MAX，这是一个可以管理所有系统中的NI设备硬件资源并进行相关配置和自检的一个软件，随任何NI驱动程序会安装在PC中）。

3.在MAX中单击“设备和接口”，检查是否能找到NIELVISII+（取决于实验室配置,有可能找到的是NIELVISII，不带加号），如果连接正常，应该前面的板卡符号应该显示为绿色。

可以单击右键选择“自检”对设备进行自检。

检查设备名是否已经是像下图一样显示为“Dev1”，如果不是的话，点击右键可以将设备重命名为“Dev1”。

图4.2NIELVIS的硬件连接与配置图

4.3硬件电路分析

硬件电路组成器件由一个采集板卡，一个5V的电源U，一个0.5k的电阻R1，一个1k的电阻R2，一个2k的电阻R3（由两个1k的电阻串联形成），两个4.7k的电阻R0和R4及12根导线组合而成。

其中0.5k的电阻R1表示后门，1k的电阻R2表示车库门，2k的电阻R3表示后窗，4.7k的电阻R4表示前门，4.7k的电阻R0表示保护电阻，起保护电路作用。

当按钮开关均未按下时，电阻R0~4均有电压（没有短路现象），所以输出电压为：

U0=U*（R1+R2+R3+R4）/（R0+R1+R2+R3+R4）=3.1782V4-1

当按钮开关1按下时（即关闭后门），电阻R1所在支路短路，电流从按键开关1经过，所以R1没有电压存在（即电压为0）：

U1=U*（R2+R3+R4）/（R0+R2+R3+R4）=3.1048V4-2

当按钮开关2按下时（即关闭车库门），电阻R2所在支路短路，电流从按键开关2经过，所以R2没有电压存在（即电压为0）：

U2=U*（R1+R3+R4）/（R0+R1+R3+R4）=3.0252V4-3

当按钮开关2按下时（即关闭后窗），电阻R3所在支路短路，电流从按键开关3经过，所以R3没有电压存在（即电压为0）：

U3=U*（R1+R2+R4）/（R0+R1+R2+R4）=2.844V4-4

当按钮开关4按下时（即关闭前门），电阻R4所在支路短路，电流从按键开关4经过，所以R4没有电压存在（即电压为0）：

U4=U*（R1+R2+R3）/（R0+R1+R2+R3）=2.134V4-5

图4.3硬件电路图

4.3.1按钮开关

按键开关共有四个引脚，本实验使用其中两个引脚，要求：

两个引脚在按键开关在未按下时处于断开状态的，且按键按下时处于导通状态。

按钮开关引脚的具体接法：

（1）将万用表调制蜂鸣档；

（2）在开关没有按下时，测量任意两个引脚，若有蜂鸣声，则所测的两个引脚为导通状态。

结果为处于对角线的两个引脚处于导通状态；

（3）将按键按下，，测量任意两个引脚，若有蜂鸣声，则所测的两个引脚为导通状态。

结果为任意两个引脚均处于导通状态；

（4）将按键开关与相关电阻并联，将开关未按下时处于断开状态的两个引脚介入电路，则按键按下时，按键开关相并联的电阻电路处于短路状态。

图4.4按钮开关

4.3.2实际硬件模块

以LabView为软件开发平台,以NIELVIS为硬件实验平台，实现的数据采集和处理,该系统能够实时采集电压信号,通过对信号的处理,实现对空调、门窗和窗帘的控制,并发出警报。

实际硬件模块连接图如下：

图4.4实际硬件模块连接图

第5章家居防盗系统调试结果

5.1前门开关状态图

Mean.vi将计算这组读取的平均值。

并将其传送到电压触发阶梯中。

一旦电压落入两个限制值之间（橘色方框），相应的状态就将显示在前面板上。

前端面板前门开关状态显示界面：

图5.1前门开状态图

当限制选为2V-2.7V时，前门状态为开。

图5.2前门关状态图

当限制不在2V-2.7V时，前门状态为关。

5.2后窗开关状态图

前端面板后窗开关状态显示界面：

图5.3后窗开状态图

当限制选为2.7V-2.9V时，后窗状态为开。

图5.4后窗关状态图

当限制选不在2.7V-2.9V时，后窗状态为关。

5.1车库门开关状态图

前端面板车库门开关状态显示界面：

图5.5车库门开状态图

当限制选为2.9V-3.0V时，车库门状态为开。

图5.6车库门关状态图

当限制不在2.9V-3.0V时，车库门状态为关。

5.4后门开关状态图

前端面板后门开关状态显示界面：

图5.7后门开状态图

当限制选为3.0V-3.12V时，后门状态为开。

图5.8后门关状态图

当限制不在3.0V-3.12V时，后门状态为关。

结论

对于这次的课程研究设计，我觉得受益匪浅。

我做的是智能家居防盗系统的设计，与我们的平常生活关联很大，我们人外出时，家中容易被小偷或不法分子进入，该设计基于Labview实现智能家居防盗，在相应阈值范围内开相应门或者窗，触发警报，保证了实时的安全性。

在此次要运用的是LabVIEW软件也没怎么学过，对它一点也不了解更别说要去用了，拿到的时候都不知道怎么做。

但通过问导师主要学习哪些书，并下载了LabVIEW软件，通过理论与实际相结合，先练习参考书上的一些练习题，掌握了软件的一些基本元件与结构再进一步设计课题。

最终把课程设计按时完成。

对于此次的设计，我们觉得还可以在设计的基础之上有待改进，可以在原基础之上加上一个LED灯显示，在实际电路相应传感器（门或者窗户）开时，相应的等就亮，实现的模块更简单，更直观。

本设计我们思考了也与很多不足，一个是按钮的选择接触效果不理想，相应的电阻选择不是很理想，导致电压阈值过于接近，使相应的传感器（门或者窗户）开闭时过于接近，其他门或者窗户也有相应的接触不良。

参考文献

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[5]林静，林振宇等.labview虚拟仪器程序设计[M]人民邮电出版社，2010

[6]杨乐平，李海涛，肖相生等.labview程序设计与应用[M].北京电子工业出版社，2008

[7]程学庆.labview图形化编程与实例应用[M].中国铁道出版社，2012

[8]刘君化，基于labview的虚拟仪器设计[M].电子工业出版社，2014

附录

附录1：

Labview前面板设计界面

附录2：

Labview程序框图设计界面