基于LABVIEW的智能路灯.docx
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基于LABVIEW的智能路灯
随着经济的发展，汽车数量的不断增加，阴天夜晚雾霾天严重影响行车安全,及时照明的智能路灯成为重要的课题。
为此，设计了由光敏电阻传感器和PC机组成的智能路灯，包括硬件电路的设计、LABVIEW的软件设计；实现了光照强度的测量，通过设置不同的阈值，进行路灯的智能控制，且能在前面板显示实时电压;通过采集卡，实现了上位机对下位机的控制，便于远程监控路灯的亮灭。
通过实验表明，该本装置可应用于公路的照明，也可用于隧道的照明。
关键词LabVIEW路灯控制myDAQ采集卡
本科毕业设计说明书（论文）
毕业设计说明书（论文）外文摘要
TitleIntelligentlightingcontrolsystem
Abstract
Withthedevelopmentofeconomy,theincreasingnumberofcars,cloudynighthazedaysseriouslyaffecttrafficsafety,intelligentstreetlamplightinghasbecomeanimportantissueinatimelymanner・Therefore,thedesignofintelligentstreetlampiscomposedofphotosensitiveresistancesensorandthePCmachine,includingsoftwaredesign,hardwarecircuitofLABVIEW;realizelightintensitymeasurement，bysettingthethreshold,theintelligentcontrolofstreetlamps,andinthefrontpaneldisplayreal-timevoltage;throughtheacquisitioncard,toachieveahostmachineonthelowercomputercontrol,easytomonitorandcontrolbrightlightsout・Throughtheexperiment,thedevicecanbeusedinroadlighting,canalsobeusedfortunnellighting・
KeywordsLabVIEWstreetlampcontrolmyDAQacquisitioncard
目次
1引言1
1.1设计背景1
1.2设计意义2
1.3章节安排3
2总体设计3
2.1设计要求3
2.2设计思路3
3智能路灯控制系统的硬件设计3
3.1受控制的LED灯模块3
3.2光检测模块4
3.3数据采集卡6
4软件设计9
4.1虚拟仪器介绍9
4.2LABVIEW的特点及功能11
4.3LABVIEW的应用20
5智能路灯控制调试结果21
5.1运行状态一21
5.2运行状态二21
5.3运行状态三22
结论22
致谢错误!
未定义书签。
参考文献23
1引言
1.1设计背景
伴随着我国城市的发展、经济的繁荣和社会的进步以及人们提高生活水平及环境质量的要求，城市道路照明和城市的夜景照明己经成为城市规划、建设和管理中的一项十分重要工作。
城市道路照明是方便城市居民必需的生活条件，而城市的夜景照明是美化城市形象、鼓舞民心、振奋精神的一项十分有意义的工作。
近几年來，全国许多大城市、共至一些中小城市的各级领导，都格外重视道路照明和夜景照明工作。
城市亮化作为形象工程的重要组成部分，越來越被政府所重视，大量的资金投入进行建设和改造，使得我们的城市夜晚变得灯火辉煌，绚丽多彩，但问题也随之而来，能耗的逐年攀升，由此产生的某些问题亦逐渐显露出來，如城市路灯的维护量增大，带來人员不足；维护费用增加，社会成本过高，电费支出过多，财政承担相对困难；光污染现象严重……这些问题的产生无疑给当地的路灯管理部门的各方面工作带来很大的压力，急切加以解决。
尤其是在当前环境条件每况愈下的形势下，低碳、节能、环保越來越收到人们的重视。
旧式的控制系统存在功耗大，公共资源得不到充分应用，效率低等消极影响。
近儿十年来，基于LABVIEW的智能路灯控制系统对城市路灯系统进行全面的升级,不仅实现了智能控制，而且降低了运行成本。
因此，智能路灯控制系统的推广，可以改变城建系统企业传统的管理服务方式，提高服务效率，并对提高城市形象起到了极大的推动作用。
虚拟仪器技术如今是利用具有高性能的模块化硬件，同时结合高效灵活的软件來完成各种测试、测量和自动化的应用。
其推出以来至今，涉及到应用工程师和來自世界各地的科学家们己经利用图形化开发工具，更形象模拟出产品设计周期的各个方面，由此使产品的质量得到了大幅度的改善、产品投放市场的时间得到了缩减，同时产品的开发及其生产效率也得到了提高。
使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。
虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要。
随着计算机技术的飞速发展，虚拟仪器技术也在数据釆集、自动测试和仪器控制领域中发挥其重要作用，对测试系统和测量控制的设计方法有着促进并推动的作用，同时深刻影响了技术的实现。
“软件即仪器”是虚拟仪器理念的核心思想，从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和I/O部件来构建虚拟仪器⑴。
I/O部件可以是独立仪器、模块化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。
鉴于虚拟仪器的诸多性能，将用LabVIEW來完成一个智能路灯系统设计。
此系统不仅编程简单、方便灵活、具有可靠性较高的性能，而且成本低、具有良好的经济效益。
1.2设计意义
路灯节能系统产生的直接及间接的社会经济效益是巨大的。
a）我们可以通过直观的计算來判断：
单从电费支出上可以看出，采用智能路灯节能控制设备后，以最低节电率计算，每年可节省大量的财政支出；
b）路灯控制系统技术的提升，乂可大大降低全市路灯的维护量，缩减运行维护成本,节约财政支出。
c）倘若全国路灯管理部门都能积极釆用新技术的话，除了节约大量电费和维护资金以外，同时还可节约大批的原煤等资源，更有利于环境保护，既节约了能源乂落实了国家可持续发展的方针政策。
高科技技术节能产品的应用如果能够在我国城市路灯行业得以全面推广和应用，那么它所创造巨大的社会效益及其产生的深远影响都是不可估量的。
1・3章节安排
本系统主要工作包括光敏电阻的选型、各模块硬件电路的设计和上位机LABVIEW的编程。
第一章为引言。
第二章说明了本装置的功能及整体设计方案，介绍了系统功能和整体框架图。
第三章说明了整个系统中的硬件电路设计。
第四章说明了整个系统中的软件设计，包括LABVIEW软件。
第五章说明了系统的三个运行状态。
2总体设计
2.1设计要求
设计一个由计算机控制的智能路灯控制器，可以对室内外的光强度进行检测，如果外界灯光过低，智能路灯自行进行调节。
当是夜晚的时候，路灯全开，当是阴天的时候,路灯只开一小部分，当是晴天的时候，路灯全部熄灭。
2.2设计思路
本次设计的题目是智能路灯控制系统。
要求实现以路灯为控制对象，完成软件和硬件的设计，利用光敏传感器,实现路灯的亮灭功能。
其中硬件电路部分主要包括以下部分:
受控制的LED部分、光检测电路部分、信号采集卡，设计的总体框图如图2.1。
上位机LJ釆集卡LJ下位机
图2.1总体框图
3智能路灯控制系统的硬件设计
3.1受控制的LED灯模块
本科毕业设计说明书（论文）第4页共28页
本次设计中共使用了12个高亮红LED灯，采用共阳接法如图3.1,以免采集卡的I/O端口无法驱动LED灯或者使LED灯亮度过低。
图3.1采用共阳接法
选取发光二极管的压降为2v,工作电流为20mA。
压降不要太小，以免亮度过低。
串
联电阻R二（5-2）v/20ma二150Q功率P二5v*20ma二0.1W。
3.2光检测模块
3.2.1光敏电阻简介
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
图3.2光敏电阻工作原理图
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电
光敏电阻
阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光
的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1〜10M欧，在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有儿百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4〜0.76）Um的响应很接近，只要人眼可感受的光都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控。
3.2.2光敏电阻参数
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
a）紫外光敏电阻器：
对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
b）红外光敏电阻器：
主要有硫化铅、硏化铅、硒化铅。
钏化锢等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测，红外通信等国防、科学研究。
图3.3光敏电阻实物图
c）可见光光敏电阻器：
包括硒、硫化镉、硒化镉、硏化镉、币巾化镣、硅、緒、硫化锌光敏电阻器等。
主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面，如图3.3所示。
光敏电阻的主要参数是：
a）光电流、亮电阻。
光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。
b）暗电流、暗电阻。
光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。
外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。
c）灵敏度。
灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。
d）光谱响应。
光谱响应乂称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。
若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。
e）光照特性。
光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。
从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。
若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。
在大多数情况下，该特性为非线性。
f）伏安特性曲线。
伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件來说，其光电流随外加电压的增大而增大。
g）温度系数。
光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。
h）额定功率。
额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率当温度升高时，其消耗的功率就降低。
3.2.3光敏电阻的应用
本设计釆用光敏电阻。
光敏电阻传感器对外界光线最敏感，用來检测外界周围环境光线的亮度，模块在光线不足时输出高电平，光线亮度超过设定值时输出低电平。
利用光敏电阻传感器输出信号干净，波形好，驱动能力强。
本设计中利用光敏电阻与一普通电阻串联，当白天有光照时，电阻很小，输出高电平，夜晚无光照时，电阻增大，输出低电平。
3.3数据采集卡
3.3.1数据采集的概念及应用
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/变送器己经集成了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釆集。
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。
3.3.2选择数据采集设备时的考虑因素
a）通道数
b）总线
c）带宽是否足够数据传输速度的需求
d）最高米样率
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
3.3.3NlmyDAQ
图3.5外部接线图
其中①NImyDAQ,②USB线缆，③LED灯，④20位螺栓端子连接器，⑤音频线缆,
图3.6信号连接图
a）模拟输入（AI）
在通用模式下，测量信号范围为±10V,如图3.7所示。
在音频模式下，两个通道分别表示左右立体声信号输入。
模拟输入用于NIELVISmx示波器、动态信号分析器和Bode分析仪。
b）模拟输出（A0）
在通用模式下，生成信号范围为±10Vo
在音频模式下，两个通道分别表示左右立体声信号输出。
模拟输出用于NIELVISmx函数发生器、随机波形生成器和Bode分析仪。
c）数字输入/输出（DI0）
NImyDAQ带有8个DI0数据线。
每条数据线为一个可编程函数接口（PFI）,表示其可被配置为通用软件定时数字输入或输出，或可用作数字计数器的特殊函数输入或输出。
图3.7myDAQ的差分输入方式
d）电源
NImyDAQ有3个可供使用的电源。
+15V和・15V可用于电源模拟组件。
例如，运算放大器和线性稳压器。
+5V可用于电源数字组件。
例如，逻辑设备。
4软件设计
4.1虚拟仪器介
4.1.1虚拟仪器的概念
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，这种仪器功能也越來越强，己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⑵。
虚拟仪器是利用硬件來完成信号采集和处理，利用计算机软件來实现复杂计算，利用计算机的显示器模拟传统的控制面板，以多种形式输出检测结果，从而完成所需的各种功能。
虚拟仪器中的“虚拟”有以下两个层面的含义。
a）虚拟的控制面板
传统仪器通过设置在面板上的各种“控件”來完成一些简单的操作，如通过开关、控件、显示器等实现仪器的“通”“断”。
传统仪器面板上的“控件”都是实物，而且是用手动和触摸屏进行操作，而虚拟仪器面板上的各种“控件”，它们的外形与实物和
VIDevelopmentSoftware
图4.1传统仪器和模拟仪器
传统仪器“控件”相像的图标，实际功能通过相应的软件程序來实现，如图4.1所示。
b）虚拟的测量与分析
传统的仪器是通过设计具体的模拟或数字电路实现仪器的测量。
而虚拟仪器是利用软件程序实现这些功能。
可见虚拟仪器是由计算机硬件资源和用于数据分析的以及通信的测控系统，是一种由计算机操作的模块化仪器系统。
4.1.2虚拟仪器的结构和硬件
虚拟仪器系统包括仪器硬件和软件两大部分。
仪器硬件是计算机的外围电路，与计算机一起构成了虚拟仪器系统的硬件环境，是应用软件的基础；应用软件则是虚拟仪器的核心，在最基本硬件确定后，软件通过不同功能模块构成仪器，赋予系统特有的功能,以实现不同的测量功能。
目前市场上提供的模块化硬件产品也非常丰富，比如，总线类型支持PCI、PXI、USB和1394总线等，产品总类也从数据釆集、信号调理、震动、视觉、仪器控制、运动、分布式I/O到CAN接口等工业通信等⑶。
按照硬件接口的不同，虚拟仪器可分为基于PC总线、GPIB总线、VXI总线和PXI总线的4种标准体系结构。
4.1.3虚拟仪器的特点和优势
虚拟仪器技术利用高性能的模块化，结合高效的软件完成各种测试和自动化的应用。
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。
与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下四个特点。
a）性能高
b）扩张性强
c）开发时间少
d）无缝集成
4.2LABVIEW的特点及功能
4.2.1LABVIEW的特点
LABVIEW是一种图形化的编程语言，它被广泛应用于工业界和实验室研究，视为一个采集和仪器控制软件。
LABVIEW集成与满足GPIB、VXI、RS232和RS485协议的硬件及数据釆集卡的全部功能。
它还内设了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
本科毕业设计说明书（论文）第11页共28页这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以建立自己的虚拟仪器。
其图形化的界面使得编程及使用过程都很方便。
图形化的程序语言，乂称为“G”语言，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的是流程图，它尽可能利用了技术人员和工程师所熟悉的专业术语，所以说LABVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强用户构建自己的科学和工程系统的能力，提供实现仪器编程和数据釆集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计并实现仪器系统时，可以提高工作效率。
LABVIEW的出现大大提高了虚拟仪器的开发效率，降低了对开发人员要求，LABVIEW所提供的交互式的图形化开发环境彻底颠覆了以往“一种开发工具拥有强大开发功能的同时不可能简单易用”的思想。
4.2.2LABVIEW的功能
LABVIEW结合了简单易用的图形式开发环境与强大的G编程语言，提供了一个非常直接的编程环境。
LABVIEW具有专为大型应用开发、集体开发及应用配置设计的附加开发工具，包括应用程序生产器、代码源控制及复杂矩阵运算等工具。
LABVIEW不仅仅是一种编程语言，还是一种用于测量和自动化的特定应用程序开发环境，一种用來快速设计工业原型和应用程序的高度交互式的开发环境。
同时，LABVIEW还实现了对FPGA等硬件的支持，实际上也是一个硬件设计工具。
测量和自动化程序在处理与通用程序一样的问题，同时还要处理额外的问题。
4.3LABVIEW的应用
4.3.1LABVIEW开发环境
a）双击桌面LABVIEW图标，点开的就是LABVIEW的开发环境，如图4.1所示。
图4.2LABVIEW开发界面
在file中，点击新建VI,新建一个前面板，如图4.3为LABVIEW新建的前面板。
图4.3LABVIEW的前面板
b）数据类型：
数值型、布尔型、字符串型、与路径枚举型、簇、数组、波形数据、
时间标识、变体此次使用的就是布尔型数组控件，如图4.4为布尔控件面板。
图4.4为布尔控件面板
显示控件：
在函数面板中有数字显示控件和波形图表显示控件，本次设计中就用到用來显示一维数组的波形图表。
图4.5波形图表控件
c）程序结构
LabVIEW中的循环结构主要通过while和for循环实现。
这两种循环结构、语句、功能基本相同，但使用上会有些不同。
for循环须先进行循环次数的确定，循环一定次数后自动不进行循环；而while循环则不用确定循环次数，只需要确定退出循环的条件。
本次课程设计中不能预先确定循环的次数，所以就用到了while循环。
while循环是LabVIEW最基本的结构之一,和C语言中的while循环和do…wh订e循环相类似。
While循环可以从程序框图中的【结构】子选板中创建，砧ile循环包括两个端口：
条件端口、重复端口，如下图4.6所示。
本次论文设计中用停止按钮连接条件端口，当按下按钮时循环停止。
重复端II条件端口
/In］詁\
重复端口1为■■■条件端口输入的是布尔变量，它用
当前循坏的次于判断循环在什么条件下停止执
数图4.6Whlie循环结构行。
当每次循环结束时，便会检测
输入端接收到的布尔值并判断是否继续执行循环。
右击端1丨，选择【真（T）时停止】或【真（T）时继续】,可以切换其使用状态。
图4.7平铺式顺序结构
LabVIEW是图形化的编程语言，程序的执行顺序是基本数据的流向的，也即，数据的连接即指定了程序的执行顺序，没有数据线连接的不同程序块是并行执行的，所以一般情况下不用顺序结构，但在某些特殊时候，如果一定指定某儿段程序执行的先后顺序,则要用到顺序结构。
本次设计使用的是平铺是顺序结构。
如图4.7所示。
条件结构也是LabVIEW最基本的结构之一，类似于基于文本编程语言的switch语句或者if・・・then・・・else语句。
条件结构可以从【结构】子选板中创建，条件结构包含选择端口和选择标签控制端口，如下图4.8所示。
选择器标签
选择端II
图4.8条件结构
在条件结构中，选择端口相当于switch语句中的“表达式”，框图表示符相当于“表达式n”。
编程过程中，将外部控制条件连接到选择端口上，程序运行的时候其端口会判断送來的控制条件，指引选择结构去执行相应框架里的内容。
在本程序中的控制条件
为从规定范围并强制转换的“范围内？
”端口输出的判断值。
选择端口的外部控制条件的数据有整型、字符串型、布尔型和枚举型。
其接线可任意放在框图左边的某一位置。
如果其数据为布尔型，那么这个结构包含真和假两个分支,这是该软件所默认的选择框架类型。
若为其它类型则可以随意使用分支的个数。
要注意的是，在使用条件结构的时候，控制条件的数据类型要和选择标签中的类型一样，如果不一致的话，LabVIEW显示出现错误，与此同时选择器中的字体的颜色也会变为红色。
本次课程设计中，当各组条件为真时，将执行其框图的程序。
每个条件结构里的程序基本相同。
4.3.2myDAQ使用介绍
myDAQ是本次设计所使用的釆集卡，它的硬件上章己经介绍。
a）软件准备
驱动程序NI的数据釆集设备釆用统一的驱动NI-DAQmx（NI-ELVISmx驱动己包含NI-DAQmx,因此可只安装NI-ELVISmx）更换设备时相同的程序儿乎无需修改开发环境本设计釆用NILabVIEW,安装顺序：
先安装开发环境再安装设备驱动程序（即
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