路灯自动控制系统实验报告.docx
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路灯自动控制系统实验报告
分布式计算机网络测控技术
613399105
路灯自动控制系统实验报告
学院：
信息工程学院
XX：
****
学号：
****
同组成员：
*****
指导教师：
****
完成时间：
2021年7月10日
第一章绪论
1.路灯自动控制系统研究背景
1.1研究背景
随着时代的开展，城市现代化建立步伐不断加快，对城市道路照明及城市亮化工程需求也更大，而能源的供需矛盾也越来越突出，节电节能、绿色照明的要求越来越迫切，越来越高。
现在再采用那些传统的手控、钟控城市照明系统的方法已不能满足要求。
如何充分利用高科技手段解决上述矛盾也就成为当前照明控制领域一个新的和紧要的课题。
城市路灯照明是人们日常生活中必不可少的公共设施。
路灯照明耗电量约占总耗电量的15%，全国各地无不面对电力紧X带来的各种问题。
面对供电紧X形势，路灯巡查对于市政部门来讲是一项需要消耗大量人力的工作，各种临时应急节电措施被广泛采用：
夜晚间隔关灯、调整路灯开关的时间、在用电紧X的日子里关闭景观照明、号召居民在用电顶峰时关闭空调、公共设施和写字楼等空调温度调高一度等等，当用电顶峰过后，这些措施可能就被束之高阁，明年的用电顶峰降临，一切又会重新开场。
这样的节电措施，在缓解用电紧X的同时，却带来资源的浪费和对人们日常生活的负面影响。
缓解用电紧X的最正确和有效的方法是对用电实施智能化管理，减少浪费，使我们的每一度电都能物尽其用！
启用先进路灯监控系统，可以对城市的路灯实施统一启闭，对夜间照明系统和路灯的实时监控和管理，确保高效稳定，全天候运行，控制不必要的“全夜灯照明〞，有效节约电能消耗。
对于城市公共照明系统来说，采用智能化的管理系统是实现能源节约、减少资源浪费、满足人们生活要求、显示现代化城市靓丽风景的科学解决方案。
1.2路灯控制系统的研究现状
目前，市场上普遍采用的路灯控制技术主要有以下三类：
①人工干预控制；②时钟控制；③DDS独立控制技术。
控制技术特点：
1人工干预控制
在道路照明设施建立之初，按照需要的照明方式施工建立以实现路灯的隔一亮一等特殊照明模式。
在需要开启/关闭路灯时派出人员操作控制开关来实现对路灯的控制。
优点：
具有一定的应变能力。
缺点：
管理难度大、平安系数低、工作量，不能检测整个线路路灯的工作状况。
2时钟控制
其原理是将原人工控制开关更换为时钟控制器，由此实现一般状况下的路灯自动控制。
优点：
一般状况下可免除人干预，工作量降低，本钱较低。
缺点：
应变能力较差，如果将时钟控制器设置在每天19：
00开启次日08：
00关闭，那么无论在任何季节以及任何气象条件与能见度的情况下都将死板的按照预定时间工作。
3DDS独立控制技术
其原理是在每个路灯的线路上加装控制检测器，并采用无线或有线的方式与控制主机相连再采用有线或无线的方式与控制系统连接，以此来实现对路灯的开关控制或定时开关控制。
并可实现预设的工作模式〔如隔一亮一等〕，以及对路灯故障准确侦测并报告。
优点：
高程度自动化，高应变能力，提供多样的工作模式，并可检测路灯故障。
缺点：
造价高昂，施工难度大：
要在每盏路灯下安装独立的控制器施工难度可想而知，由此又使得工程造价过高。
1.3研究目的及意义
目前，我国路灯控制系统面对着如下几个问题：
①控制落后
开关灯方式落后：
当前路灯控制，还停留在手动、光控、钟控方式。
受季节、天气和人为因素影响，自动化管理水平低，经常该亮时不亮，该灭时不灭，极易造成极大的能源浪费，增加了财政负担。
②操控不便调节操控能力缺乏，无法远程修改开关灯时间，不能根据实际情况（天气突变,重大事件,节日）及时校时和修改开关灯时间。
4灯况不明
不具备路灯状况监测?
现有的照明设施管理工作主要采用人工巡查模式，不仅工作量大,还浪费人力、物力、财力。
故障依据主要来源于巡视人员上报和市民投诉，缺乏主动性、及时性和可靠性，不能实时、准确、全面地监控全城的路灯运行状况，缺乏有效的故障预警机制。
5设施被盗
不具备设施防盗监测，城市路灯覆盖面积大，管理手段落后，无法准确发现电缆盗割、灯头被盗和断路，一旦出现以上情况，势必给政府带来巨大的经济损失，同时影响市民的正常生活。
这些问题造成了管理部门的困扰，制约了路灯建立的开展。
城市路灯控制系统的目的是：
解决当前路灯控制问题，使系统具备监控具备远程性、监控具备实时性、单灯管控能力、集中管控能力，群灯和线路、数据监测管理能力等功能。
2.课程设计的目的
本次设计的目的就是在掌握传感器的根本应用，利用数据采集卡采集传感器采集到的数据，传送至上位机中进展处理，并且能够联系其他元件设计出成品，进展理论与实际的结合，从而实现对整个模拟路灯自动系统的控制，提高应用计算机软件的有关设计能力，提高分析、解决实际问题的能力。
3.课程设计的要求
〔1〕采用光敏传感器检测环境亮度；
〔2〕当环境光线亮度高时，自动切断电灯电源；当亮度低于一定阈值时，电源自动接通；
〔3〕为平安起见，可以采用发光二极管或者数码管替代实际电灯。
〔4〕开发上位机软件，可以远程监控路灯的状态。
4.本文的主要内容
本文设计并开发了一个基于数据采集卡的路灯模拟控制系统，主要内容包括以下几个局部：
〔1〕系统各个功能模块硬件电路的设计与实现，包括：
传感器接入与信号调理模块，光电隔离模块，数据采集模块，继电器控制模拟路灯模块。
〔2〕系统上位机软件的设计与实现，主要功能为显示当前路灯的亮灭状态，并可以显示当前光敏的参数，加以辅助判断。
第二章系统硬件设计与实现
1.系统硬件总体设计
系统硬件总体可分为4个局部，即：
传感器接入模块，光电隔离模块，数据采集模块，继电器控制模拟路灯模块。
系统硬件构造如下列图2-1所示：
图2-1系统硬件构造图
2.光敏传感器接入模块
电路中，光控触发器电路由光敏电阻器R、电阻器R1、R2组成。
在白天，光敏电阻器RG受光照而呈低阻状态，9014处于截止状态，从而控制路灯点亮。
当光照度逐渐减弱，光敏电阻RC的阻值逐渐增大反向电流较大，9014导通，从而路灯熄灭。
R1
R2R2
AD620
电源GND
R2光敏R
图2-2光敏传感模块电路图
这局部电路主要用来检测当前环境光的强度，通过光敏二极管的阻值的变化导致电路电压的变化，将采集到的电压信号通过数据采集卡传输到上位机软件中，利用设置好的阈值判断灯是否应该亮灭。
光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在构造上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
3.继电器控制路灯模拟模块
图2-3路灯控制模块电路图
这局部电路主要是利用电磁式继电器实现对路灯亮灭的控制，采用软件驱动继电器，用继电器控制。
电磁式继电器按吸引线圈的电流种类可分为：
交流电磁继电器和直流电磁继电器。
按继电器反映的参数可分为：
中间继电器、电流继电器、电压继电器。
1.电磁式继电器的构造与工作原理
电磁式继电器的构造及工作原理与接触器相似，电磁继电器是由缠绕于铁心的线圈的“电磁铁局部〞，安装于铁片上的可动触点与固定触点组合而成的“触点局部〞，共同结合构成的。
当电流流过线圈，铁心变成电磁铁。
可动铁片被吸引，受到向下的力的作用。
可动触点也向下方移动，与固定触点接触构成闭合电路。
当线圈中无电流流动，铁心不再变成电磁铁。
可动铁片不再受到吸引，由于返回弹簧的作用，受到向上方的力的作用。
可动触点也向上方移动，于是与固定触点脱离接触而使电路断开。
〔a〕电磁式继电器外观图 〔b〕电磁式继电器原理构造图
〔c〕电磁式继电器动作原理示意图1 〔d〕动作原理示意图2
图2-4电磁式继电器的原理构造
2.中间继电器〔文字符号KA〕
中间继电器是将一个输入信号变成一个或多个输出信号的继电器，它的输入信号为线圈的通电或断电，它的输出信号是触头的动作，不同动作状态的触头分别将信号传给几个元件或回路。
中间继电器与接触器所不同的是中间继电器的触头对数较多，并且没有主、辅之分，各对触头允许通过的电流大小是一样的，其额定电流约为5A。
NPN晶体管驱动时：
当晶体管T1基极被输入高电平时，晶体管饱和导通，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，触点RL1吸合。
当晶体管T1基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点RL1断开。
继电器驱动线圈是个电感，在掉电瞬间会产生巨大的感生电动势，如果没有泄放电路这个感生电动势会直接加载驱动电路上，损坏驱动电路。
二极管并联在线圈上就是给感生电动势形成一个泄放回路。
4.数据采集卡
根本参数：
12位AD精度，250KS/s采样频率
单端16路/差分8路
AD缓存：
16K字FIFO存储器
AD量程：
±10V，±5V，0~10V
12位DA精度
4路模拟量输出
DA量程：
±10V，±5V，0~5V，0~10V
16路DI/DO
软件支持：
VC、VB、C++Builder、Delphi、Labview、LabWindows/CVI、组态软件等语言的平台驱动简易例如程序〔了解板卡的工作流程，包括板卡的各种初始化设置，数据的读取〕高级演示程序〔包括波形显示、连续不连续大容量存盘、高级数据分析等功能〕工程级源代码开放，可直接编译通过。
第三章上位机软件的设计与实现
1.系统软件总体设计
本次课设的软件重点在数据采集模块设计与实现。
图3-1系统构造流程图
数据采集卡有16个数字量输入输出通道和16个模拟量输入通道。
本软件数据采集为一个模块，即是光敏电路输出；输出控制也是一个模块，即是控制继电器开关。
2.系统软件详细设计
数据采集的步骤如下：
安装板卡和板卡驱动程序。
使用VC的MFC向导，建立一个基于对话框的工程。
添加相应函数及事件响应，界面如下：
图3-2上位机软件界面
光敏开启事件响应函数：
开启定时器1；
停顿光敏事件响应函数：
关闭定时器1；
重点在于定时器响应函数：
if（nIDEvent==1）//定时器1的响应
{
intn=0;
HANDLEhDevice;//设备对象句柄
intDeviceLgcID;//物理设备ID号（由板上JP1决定）
BOOLbReturn;//函数的返回值
intnReadSizeWords;//每次读取AD数据个数
LONGnRetWords;//实际读取的数据个数
intnChannelCount=0;//采样通道数
WORDADBuffer[32768];//接收AD数据的缓冲区
WORDADData;
floatVolt;//将AD原始数据转换为电压值
intnRemainder=0;
USB2832_PARA_ADADPara;//初始化AD的参数构造
ADPara.FirstChannel=n;//首通道0
ADPara.LastChannel=n;//末通道3
ADPara.InputRange=1;//量程选择
ADPara.Gains=USB2832_GAINS_1MULT;//使用1倍增益
ADPara.GroundingMode=USB2832_GNDMODE_SE;//单端方式
nChannelCount=ADPara.LastChannel-ADPara.FirstChannel+1;//采样通道数
DeviceLgcID=0;//设备ID号,假设系统中只有一个USB2832设备，即DeviceLgcID=0;
hDevice=USB2832_CreateDevice（DeviceLgcID）;//创立设备对象
if（hDevice==INVALID_HANDLE_VALUE）
{
printf（"CreateDeviceError\n"）;
return;
}
bReturn=USB2832_InitDeviceAD（hDevice,&ADPara）;//初始化AD
if（!
bReturn）
{
printf（"USB2832_InitDeviceADError\n"）;
}
nReadSizeWords=128;//读取数据的大小
printf（"请等待，您可以按任意键退出，但请不要直接关闭窗口强制退出...\n"）;
if（!
USB2832_ReadDeviceAD（hDevice,ADBuffer,nReadSizeWords,&nRetWords））
//读取AD转换数据
{
printf（"ReadDeviceADError...\n"）;
}
intnChannel=ADPara.FirstChannel;
for（intIndex=0;Index<4;Index++）//总共显示64个点的AD数据
{
ADData=ADBuffer[Index]&0x1FFF;
Volt=（float）（（10000.00/8192）*ADData-5000.00）;//将AD数据转换为电压值
if（nChannel==0）
{
m_data.Format（"%8.2f",Volt）;
UpdateData（FALSE）;
NumberProcess（）;
StationJudge（）;
}
}//多点数据换算显示
USB2832_ReleaseDeviceAD（hDevice）;//释放AD，停顿AD数据转换
USB2832_ReleaseDevice（hDevice）;//释放设备对象
}
Else//定时器2的响应
{
intn=18;
HANDLEhDevice;//设备对象句柄
intDeviceLgcID;//物理设备ID号（由板上JP1决定）
BOOLbReturn;//函数的返回值
intnReadSizeWords;//每次读取AD数据个数
LONGnRetWords;//实际读取的数据个数
intnChannelCount=0;//采样通道数
WORDADBuffer[32768];//接收AD数据的缓冲区
WORDADData;
floatVolt;//将AD原始数据转换为电压值
intnRemainder=0;
USB2832_PARA_ADADPara;//初始化AD的参数构造
ADPara.FirstChannel=n;//首通道0
ADPara.LastChannel=n;//末通道3
ADPara.InputRange=1;//量程选择
ADPara.Gains=USB2832_GAINS_1MULT;//使用1倍增益
ADPara.GroundingMode=USB2832_GNDMODE_SE;//单端方式
nChannelCount=ADPara.LastChannel-ADPara.FirstChannel+1;//采样通道数
DeviceLgcID=0;//设备ID号,假设系统中只有一个USB2832设备，即DeviceLgcID=0;
hDevice=USB2832_CreateDevice（DeviceLgcID）;//创立设备对象
if（hDevice==INVALID_HANDLE_VALUE）
{
printf（"CreateDeviceError\n"）;
return;
}
bReturn=USB2832_InitDeviceAD（hDevice,&ADPara）;//初始化AD
if（!
bReturn）
{
printf（"USB2832_InitDeviceADError\n"）;
}
nReadSizeWords=128;//读取数据的大小
printf（"请等待，您可以按任意键退出，但请不要直接关闭窗口强制退出...\n"）;
if（!
USB2832_ReadDeviceAD（hDevice,ADBuffer,nReadSizeWords,&nRetWords））
//读取AD转换数据
{
printf（"ReadDeviceADError...\n"）;
}
intnChannel=ADPara.FirstChannel;
for（intIndex=0;Index<4;Index++）//总共显示64个点的AD数据
{
ADData=ADBuffer[Index]&0x1FFF;
Volt=（float）（（10000.00/8192）*ADData-5000.00）;//将AD数据转换为电压值
if（nChannel==18）
{
m_hotdata.Format（"%8.2f",Volt）;
UpdateData（FALSE）;
NumberProcess（）;
StationJudge（）;
}
}//多点数据换算显示
USB2832_ReleaseDeviceAD（hDevice）;//释放AD，停顿AD数据转换
USB2832_ReleaseDevice（hDevice）;//释放设备对象
}
///////数据处理
voidCLightDlg:
:
NumberProcess（）
{
HANDLEhDevice;
intDeviceLgcID=0;
hDevice=USB2832_CreateDevice（DeviceLgcID）;
if（hDevice==INVALID_HANDLE_VALUE）
{
MessageBox（"CreateDeviceError...\n"）;
return;
}
UpdateData（TRUE）;
Data=atof（m_data）;
HotData=atof（m_hotdata）;
if（Data{
bDOSts[1]=1;
bDOSts[0]=0;
USB2832_SetDeviceDO（hDevice,bDOSts）;
if（HotData{
bDOSts[1]=0;
if（flag==0）
bDOSts[0]=1;
USB2832_SetDeviceDO（hDevice,bDOSts）;
}
}
else
{
bDOSts[1]=0;
bDOSts[0]=0;
USB2832_SetDeviceDO（hDevice,bDOSts）;
}
}
/////指示灯状态改变
voidCLightDlg:
:
StationJudge（）
{
UpdateData（TRUE）;
CBitmapbmp;
bmp.LoadBitmap（IDB_BITMAP1）;
CBitmapbmp2;
bmp2.LoadBitmap（IDB_BITMAP2）;
if（bDOSts[1]==1）//接口DO0
{
m_bitmap.SetBitmap（（HBITMAP）bmp）;//绿色位图
}else
{
m_bitmap.SetBitmap（（HBITMAP）bmp2）;//红色位图
}
bmp.Detach（）;
UpdateData（FALSE）;
}
图3-3路灯状态显示
第四章心得体会
这次课程设计我主要做的是电路焊接局部的工作。
在这次课程设计之前，一直没想过这次的课程设计内容是这些题。
当教师布置课程设计任务时，我听着就感觉一点头绪都没有。
以前从来没有做过这一类的设计，也没有想过要做这些，一点头绪都没有。
但是，在两位教师的仔细讲解后，慢慢感觉到该怎么做了。
在器件买回来之后，便和同组同学一起开场研究要怎么设计电路，怎么焊板子。
首先把电路图按教师讲解的画好，然后按照电路图把各个器件一一焊到板子上去。
对于我们来说，器件都是陌生的东西。
从来没有接触过。
只好一个一个的从网上查具体的接口、功能和用法。
另外，由于是第一次焊板子，感觉很多线路都走的很累赘。
虽然在过程中想到了利用排线接口去连接电源等线路，但是，接口设计得太多，感觉还是很复杂，连接起来很费力。
板子初步完成后，开场连接到上位机软件上测试，一直没能到达想要的效果。
只好开场一个一个模块的测试检查。
花了很长时间，线路改了一次又一次。
令我们感到很快乐的是，我们做好了，而且在各组之中，是较早做好的组之一，虽然我们做成的东西很简单，也没有到达徐教师所说的加高电压的效果。
但在徐教师看我们板子时对我们的一点点的赞赏，让我们感到很快乐。
毕竟这是我们第一次做的板子。
同时，教师也给我解决了电源利用以及电压值设置上的一些帮助，让我们的作品看起来简洁的很多。
总结一下，我们遇到的问题大概有下面这几点：
1、第一次做这类课设，什么都不懂，器件不认识，板子不知道怎么焊。
2、线路走的很累赘，很起来很凌乱，其他人都不能很清楚地看懂板子的内容和连接方法。
3、由于考试周有考试对造成的时间紧X，实验实现的内容过于简单，没能做到教师后来说的加热敏电阻以及采用220V电压的内容没有做到。
这次课设的收获很大，不止是有了很一次焊接电路的经历，也对课堂内容以及许多电子元件的用法有了深刻的理解。
另外，也锻炼了自己的动手能力。
最后，感谢两位教师课程设计过程中对我们的耐心指导，帮助我们解决了很多很棘手的问题。
参考文献
[1]X云生，祝晓红，王静.?
网络控制系统?
XX大学2003
[2]李世平.?
PC计算机控制技术及应用?
XX电子科技大学，2003
[3]吴坚?
计算机控制系统?
.XX理工大学,2002
附录
图1实物图-1
图2实物图-2
图3实物图-3
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