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1、 编号 毕业论文题 目公共场所分布式节能监控系统-监控软件设计学生姓名 学 号25系 部电子工程学院专 业应用电子班 级 指导教师 顾问教师二一二年六月摘 要分布式节能监控装置在每个公共场所房间设置一个节能控制器，能对本房间的电器设备进行自动控制和管理。每个房间的节能控制器能通过电网，将电器设备的工作状态传送到监控中心，在没有人或人已离开时，自动切断供电，减少电能的浪费，达到开源节流的目的。同时该系统也可以通过电网将各个房间场所的情况集中监控，进行远程控制。本项目中上、下机位分工明确，作为下位机核心心器件的单片机往往只负责数据的采集和通信，而上位机通常以基于图形界面的Windows系统为操作平
2、台。项目中采用图形化的编程语言LabVIEW,实现了对所采集信号的分析处理、显示和控制等功能，充分利用计算机的运算、存储和显示功能。关键词： 虚拟仪器 节能控制器 载波通讯 串口通信目 录摘 要I第一章 绪论11.1引言11.2虚拟仪器的概述11.2.1软件对虚拟仪器的重要性11.2.2虚拟仪器的重要组成部分LabVIEW软件21.3 LabVIEW 及最新版本LabVIEW 2010简介31.3.1 LabVIEW 2010新特征3第二章 总体框图42.1节能监控装置系统结构图42.2节能控制器工作原理52.3节能控制器电器设备52.4方案设计6第三章 VISA VI和函数73.1什么是VI
3、SA VI和函数73.2 VISA VI和函数在具体范例中的使用7第四章 项目中监控软件的串口程序114.1主程序114.2子程序12第五章 硬件电路的设计与调试155.1电源电路155.2单片机最小系统电路155.3开关检测电路155.4输出驱动电路165.5热释电电路的调试165.6载波通讯模块电路175.7PC与单片机串口通信程序设计185.2软件调试19第六章 总结与展望236.1二级标题236.2二级标题23致 谢24参考文献25附录1 XXXXXX27附录2 BBBBB28第一章 绪论1.1引言随着社会经济和科学技术的发展，能源问题已经成为社会经济发展的一个瓶颈，并且能源的过量使用
4、会增加碳排量，提高温室效应，影响人类生存环境，因此节约能源，特别是杜绝浪费能源已成为全社会的共识。但能源的浪费情况不容乐观，特别是学校等一些公共场所（教室、办公室），由于各种原因造成照明灯、风扇、空调等电器设备在人离开时没有及时关闭，有的甚至“长明灯”、“昼夜电扇”和“24小时温室”，造成能源的白白浪费，要克服这种状况一方面需要加强人员的节能意识，另一方面安排专人巡查。这需要投入一定的人力和物力，有时并不能完全杜绝，由于学校教室、办公室较多，分散广，又分属于不同的部分，人工管理效率不高。为改变目前公共场所用电模式的现状，我们计划设计一个电子产品：分布式节能监控装置，来控制办公场所电器设备的供电
5、。1.2虚拟仪器的概述 虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机得出现使仪器的计算机化成为了可能。在仪器计算机化领域中，NI公司走在了前列，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和长期的、系统的和有效的研究开发使得NI公司公认的权威。虚拟仪器（virtual instrument）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的方向。粗略的说，这种结合有两种方式。一种方式是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所
6、谓的只能化仪器。随着计算机功能的日益强大，目前已经出现含有嵌入式系统的仪器。另一种方式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。虚拟仪器主要是指这种方式。正文部分1.2.1软件对虚拟仪器的重要性每一个虚拟仪器都建立在灵活和强大的软件之上，它是通过具有创新精神的工程师或科学家应用所在领域的专业知识来自定义测量和控制应用来实现。虚拟仪器软件可以划分成几种不同的类别。大部分人马上想到就是应用软件层。这是为建立一个应用所需的首要开发环境。它所包含的软件诸如LabVIEW、NI LabWindows/CVI（ANSI C）和NI Measurement Studio（Vi
7、sual Studio 编程语言）。在此之上是测试执行层，一个集成了应用程序层开发的所有功能并提供系统范围数据管理的环境。下一层通常被忽略但是对于维持软件开发效率却十分重要。测量和控制服务层包括与所有硬件通信的驱动。它必须能存取和保存硬件功能和性能，也必须是可交互操作的它必须与所有其他的驱动和可能成为解决方案一部分的众多模块化I/O类型协同工作。1.2.2虚拟仪器的重要组成部分LabVIEW软件LabVIEW是虚拟仪器的重要部分因为它提供了一个易于使用的应用程序开发环境，专门为工程师和科学家而设计。LabVIEW提供了许多强大的特性使得它与广泛的硬件和其他软件轻松连接。这一易于使用和其他特性提
8、供了虚拟仪器软件开发环境所需的灵活性。结果就是用户定义的界面和用户定义的应用程序功能。LabVIEW提供的众多强大特性之一就是图形化编程环境。利用LabVIEW，工程师和科学家可以通过在计算机屏幕上创建一个图形化的用户界面设计自定义的虚拟仪器。通过计算机屏幕，他们可以： 操作仪器程序 控制所选择的硬件 分析所采集的数据 显示结果他们可以使用旋钮、按钮、表盘和图表自定义LabVIEW用户界面，或者前面板，从而仿效传统仪器的控制面板、创建自定义的测试面板或者可视化地表示过程控制和操作。图12.LabVIEW虚拟仪器包括用户界面和应用程序逻辑通过连接图标来创建方块图（对于工程师和科学家来说是自然设计
9、符号）即可决定虚拟仪器的行为。利用图形化编程，工程师和科学家可以比通常的编程语言更快地开发系统，同时保持了创建各种应用程序所需的灵活性。LabVIEW是一个开放式环境，它包含了即时使用的库，从串行总线、以太网和GPIB通信到运动控制，数据采集和图像采集。1.3 LabVIEW 及最新版本LabVIEW 2010简介与 C 和 BASIC 一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结
10、果、单步执行等等，便于程序的调试。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。目前LabVIEW最新版软件已经于2010年8月更新到LabVIEW 2010版本。1.3.1 LabVIEW 2010新特征1.代码编辑器凭借新型后端编译器技术和自定义代码优化, 将运行代码的
11、速度加快20%2.反馈驱动借助基于用户反馈的14种新功能, 提高开发效率。3.通过网络读写数据流使用新型网络流API, 连续读写LabVIEW应用程序之间的数据流4.无需编译代码即可保存VI通过将已编译目标从实际LabVIEW源代码中分离, 简化源代码管理5.子VI内嵌使用该新型执行选件, 消除与子VI调用相关的开销, 从而提高应用性能6.可将图形数据导出至Excel只需单击右键, 就能将数据轻松导出至Microsoft Excel7.基于Web的硬件配置通过类似路由的配置体验, 设置并维护远程硬件8.导入外部FPGA IP将Xilinx内核生成器 (CORE Generator) DSP I
12、P导入LabVIEW, 轻松实现FPGA开发9.查找并安装仪器驱动通过轻松查找并安装10,000多个经认证的仪器驱动程序, 缩短首次测量的时间10.项目库打包功能通过将源代码封装至配有打包的项目库的单一文件内, 简化代码部署和发布第二章 总体框图2.1节能监控装置系统结构图节能监控装置系统结构图如图3所示。每个公共场所房间（教室、办公室等）设置一个节能控制器，能对本房间的电器设备进行自动控制和管理。每个房间的节能控制器能通过电网，将电器设备的工作状态传送到监控中心，每个房间的电器设备也可由监控中心远程控制。图3 节能监控装置系统结构图2.2节能控制器工作原理图4为节能控制器控制电器设备的示意图
13、。与传统电器设备控制不同，虽然每个（组）都有一个开关和其对应，但不直接控制设备，开关信息仅送给控制器，由控制器检测到开关闭合，同时控制器通过人体感应器检测现场是否有人，只有满足两个条件，即某设备的开关是闭合，感应器又检测检测到有人，才给对应的设备接通工作电源。这样，即使人离开了，忘记关开关，控制器也能自动切断电源，达到节能目的。控制器还可以根据特殊设备的不同特点，采用延时关断（如空调等，不能频繁启动和停止）。 图4节能控制器控制电器设备的示意图2.3节能控制器电器设备节能控制器主要有单片机、开关检测、输出驱动、感应检测、载波通信等组成。如图5所示，节能控制器选择低功耗电子器件，以降低控制器本身
14、的能耗。控制器中的核心控制芯片采用AT89S51单片机，电灯等电器设备供电由单片机控制小型继电器接通交流电源，人体感应器采用热释电传感器，载波模块选用专用的电力载波芯片设计。控制器预留12路设备控制电路，以备不同场合应用。图5节能控制器的原理框图2.4方案设计节能控制器的核心部分是电力载波模块和单片机的模块之间的配合，方案上可以有三种，第一种选用电力载波芯片LM1893或ST7538，外围电路复杂，成本较高；第二种使用RS-485总线，一对双绞线就能实现多节点联网，构成分布式系统。但是如果在工程中需要更长的通信距离，超出RS-485接口能够提供的可靠传送数据范围时，单一的RS-485通信控制芯
15、片就无法完成了。第三种是采用载波模块BWP08,BWP08模块通信稳定可靠，外围电路简单，因而采用第三种方案。第三章 VISA VI和函数3.1什么是VISA VI和函数仪器I/O VI和函数可与GPIB、串行、模块、PXI及其它类型的仪器进行交互。仪器I/O VI和函数包括GPIB函数、VISA VI和函数、串口VI和函数、仪器驱动程序VI。VISA VI和函数用于对使用VISA的仪器编程。3.1.1VISA VI和函数的组成部分及其作用VISA读取：从VISA资源名称指定的设备或接口中读取指定数量的字节，并使数据返回至读取缓冲区VISA读取STB：从VISA资源名称指定的基于消息的设备中读
16、取服务请求状态字节。VISA设备清零：对设备的输入和输出缓冲区进行清零VISA写入：使写入缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口VISA置触发有效：依据接口类型置软件或硬件的触发有效。对于软件触发，Default(0)是唯一有效协议。对于VXI硬件触发，Default(0)与Sync(5)等效。对于PXI触发，PXI:保留(6)和PXI:未保留(7)是有效的协议高级VISA VI和函数：高级VISA VI和函数用于完成高级VISA任务。本项目中还要用到VISA 串口配置，它主要是使VISA资源名称指定的串口按特定设置初始化。3.2 VISA VI和函数在具体范例中的使用范例：基本串行
17、写入和读取基本串口读取和写入范例可实现串口读取、串口写入或者串口读写操作。用户可在前面板选择操作（读取或写入）。如果选择全部，VI将写入数据并读取数据，然后关闭开放给端口的VISA会话句柄。该VI将等待直到端口接收到指定的字节数。基本串行写入和读取的前面板如下图示：基本串行写入和读取程序前面板操作步骤：1) 选择串行资源并配置参数（波特率、数据位、奇偶、停止位和流控制）。2) 选择需执行的操作。3) 连接串口至设备。如未发现可用设备，请按以下任一方式执行环回测试。在RS-232线缆中短路引脚2和3，或者在RS-485/422线缆中短路引脚4和8以及引脚5和9。4) 运行VI并查看读取的数据。（
18、如果已执行环回测试，“读取字符串”将匹配“写入字符串”。）注：串口的参数组必须匹配连接仪器或设备的参数。在本范例中，待读取字节参数可指定串口读取的字节数。如端口字节超过指定的字节数，超出部分将不会被读取。如果指定读取的字节数超过实际字节数，可能返回超时错误。基本串行写入和读取程序总程序框图在程序框图中，“配置串口VI”可用于设置配置参数。前面板显示的控件可用于配置基本参数，如波特率、数据位和奇偶。常量可配置其它用户无需设置的参数。“VISA配置串口VI”打开VISA句柄并配置端口后，该VI会将VISA资源名称传递至其它VI以便执行相关操作。“VISA写入”函数将发送一个命令至串行设备，“VIS
19、A读取”函数将返回基于该命令的数据。“VISA关闭”函数可关闭该串行设备的引用。关闭引用十分重要，否则可能导致VISA无法通过端口和协议进行通信。第四章 项目中监控软件的串口程序4.1主程序串口程序前面板操作步骤：打开程序并运行，根据查看的房间，鼠标打击房间号即可，然后你所要看的房间里电器的状态情况就会自动跳出来。主程序程序框图主程序框图中利用VISA VI和函数将从串口传上来的数据进行分析，两个房间的电器状态能跳出来，主要利用了时间结构的值改变功能，只要前面板“301房间”和“209房间”两个布尔量的真假值改变就会触发结构执行各自的子程序。4.2子程序子程序：301房间前面板子程序：301房
20、间的程序框图子程序：219房间前面板子程序：301房间的程序框图说明：两个子程序的程序框图基本相同，他们的作用都是将由单片机传上来的八位二进制数据数组利用LabVIEW 2010中的索引数组对每一个位上的布尔量用布尔灯和开关进行显示。第五章 硬件电路的设计与调试5.1电源电路本项目工作电源需要两种电源+5V和+12V，采用桥式整流、电容滤波电路和三端集成稳压器件7812和7805，具体电路如图5-1所示：图5-1电源电路5.2单片机最小系统电路本项目采用AT89S51 单片机，51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030PF，51单片机最小系统电容值
21、越大需要的复位时间越短，本电路中电容采用20PF。51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在本电路中采用11.0592 MHz。具体电路如图5-2所示：图5-2单片机最小系统电路5.3PC与单片机串口通信设计本项目中上、下机位分工明确，作为下位机核心心器件的单片机往往只负责数据的采集和通信，而上位机通常以基于图形界面的Windows系统为操作平台。为便于查询和保存数据，还需要数据库的支持，这种应用的核心是数据通信，它包括单片机上位机之间、客户端和服务器之音以及客户端之间的通信，而单片机和上位之间数据通信则是整个系统的基础。单片机和PC的通信是通过单片机的串口和PC
22、串中之间的硬件连接实现的。PC与单片机串口通信程序设计硬件线路如图5-9所示。图5-3 PC与单片机串口通信程序设计硬件线路5.3.1PC串口及其各引脚功能串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口。通常意义的串口就是指电脑主机后面的COM口，电脑串口引脚一般就是9针和25针两类。目前使用得最普遍的就是9针的串口，如下图所示：图5-3串口垂直视图各引脚功能：1 载波检测(DCD)2 接受数据(RXD)3 发出数据(TXD)4 数据终端准备好(DTR)5 信号地线(SG) 6 数据准备好(DSR)7 请求发送(RTS)8 清除发送(CTS)9 振铃指示(R
23、I)。5.3.2单片机串口通信及工作过程串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且也能实现电脑对单片机的控制，比如你可以把写入单片机的数据码显示在电脑上，如可以使用一个按键，当按下它时使某一个字母如：AA，通过单片机的串口将它发送到电脑上显示，起到仿真器的某些功效。工作过程：串行口的发送过程由指令MOV SBUF，A启动，即CPU由一条写发送缓冲器的指令把数据（字符）写入串行口的发送缓冲器SBUF（发）中，再由硬件电路自动在字符的始、末加上起始位（低电平）、停止位（高电平）及其它控制位（如奇偶位等），然后在移位脉冲SHIFT的控制下，低位在前，高位在后，从TXD
24、端（方式0除外）一位位地向外发送。 串行口的接收与否受制于允许接收位REN的状态，当REN被软件置“1”后，允许接收器接收。接收端RXD一位位地接收数据，直到收到一个完整的字符数据后，控制电路进行最后一次移位，自动去掉启始位，使接收中断标志RI置“1”，并向CPU申请中断。CPU响应中断，用一条指令（MOV A，SBUF）把接收缓冲器SBUF（收）的内容读入累加器。5.3.2 RS232C串口通信及接线方法（三线制）MCS-51内部含有一个可编程全双工串行通信接口，具有UART的全部功能。该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。51单片机有一个全双工的串行通讯
25、口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。图5-3单片机和PC通信连接图5.4软件调试正文部分第六章 总结与展望6.1二级标题正文部分6.2二
26、级标题正文部分致 谢在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师*（副教授）表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！。在论文工作中，遇到了。，一直得到*老师的亲切关怀和悉心指导，使我。*老师以其渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘。再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 值此论文完成之际，谨向*老师致以最崇高的谢意!。在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!特别感谢我的师兄*、*、*，以及师姐*、*对
27、我的学习和生活所提供的大力支持和关心!还要感谢一直关心帮助我成长的室友*、*！。在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人给予我的全力支持！最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!参考文献u 学术期刊格式：序号第一作者，第二作者，第三作者等题名学术期刊刊名出版年份卷号（期号）起页止页例：1. 高景德,王祥珩.交流电机的多回路理论J.清华大学学报,1987,27(1):18(完整的)2. 高景德,王祥珩.交流电机的多回路理论J.清华大学学报,1987 (1):18(缺卷的)3. Chen S,Billing S A,Cowan C F,et al.Practical ide
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