【正文】 通過這樣一個(gè)過程，使我更深一步地了解加深了對本課程設(shè)計(jì)所需知識的學(xué)習(xí)，基本掌握了 光電池、照度計(jì)、虛擬儀器 的各種知識。 其次，感謝所有授過我課的老師，無論是基礎(chǔ)課老師還 是專業(yè)課老師。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁 33 致 謝 經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一個(gè)本科的 畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有盛老 師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。現(xiàn)在有了這次經(jīng)歷，才深刻領(lǐng)悟到了其中的不易。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段日子里，真正體會(huì)到了把所學(xué)習(xí)的專業(yè)理論知識運(yùn)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中的不易。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁 31 本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行了數(shù)據(jù)的處理，對于采集來的信號由于誤差等原因，常常都不是線性的，而我們需要的是線性的數(shù)據(jù)，由此對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化很有必要，本章 的數(shù)據(jù) 用最小二乘法進(jìn)行直線擬合 ，求出最佳的擬合直線。 51 iii xy= =229。 1170 453700 表 53 計(jì)算表 2 51 ii x= =229。 （ 55） 5151iiTiiiyB X Yxy==輊犏犏犏==犏犏犏臌229。231。 247。231。231。231。 247。247。= = ?231。 247。 247。247。231。231。231。231。 247。247。247。247。 令第 i個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與理論直線上的相應(yīng)值之間的偏差為： ii v = y ( )ia b x+ （ 52） 最小二乘法理論直線的擬合原則就是使 5 21i i=229。 （ 2） 調(diào)節(jié)白熾燈亮度旋鈕 ， 使亮度由小到大逐漸變化 ，并記錄標(biāo)準(zhǔn)照度計(jì) 示數(shù) 和光電池的電壓輸出值 （ 多組 ) 。也很好的學(xué)習(xí)了一個(gè)大型完整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)數(shù)據(jù)流過框圖連線時(shí)，可以使用探針工具檢查 VI 運(yùn)行時(shí)的即時(shí)數(shù)據(jù)。 斷點(diǎn)與探針 有時(shí)需要在 VI 的某個(gè)位置設(shè)置斷點(diǎn)，來看清楚程序執(zhí)行情況。單擊單步執(zhí)行按鈕，程序即可按單步執(zhí)行，即執(zhí)行完當(dāng)前節(jié)點(diǎn)后前進(jìn)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。執(zhí)行加亮?xí)r，對結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)采用在連線上移動(dòng)的氣泡加以形象表示。 如下面 圖 410運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤， 當(dāng)運(yùn)行 VI 時(shí)，彈出的錯(cuò)誤列表，點(diǎn)擊顯示警告選項(xiàng)就可知道錯(cuò)誤出在哪里了。最后結(jié)果如圖 47： 圖 47 自動(dòng)標(biāo)定程序圖 照度及電壓顯示設(shè)計(jì)：要求數(shù)據(jù)通過 線性擬合 進(jìn)行擬定。 圖 43 前面版視圖 3 前面板經(jīng)過工具面板進(jìn)行修飾，最后效果如圖 44： 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁 22 圖 44 修飾后 效果圖 后面板的設(shè)計(jì) 首先創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)采集的框圖，在新建里選擇：基于模板→ DAQ→→確定，創(chuàng)建一個(gè)如 圖 45 所示的數(shù)據(jù)采集框圖： 圖 45 數(shù)據(jù)采集程序圖 設(shè)置數(shù)據(jù)采集屬性，步驟如下：點(diǎn)擊 屬性→ →北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁 23 →選擇 ai0，創(chuàng)建一個(gè) VI。虛擬面板直接面向用戶，是虛擬光電池照度計(jì) 控制軟件的核心，設(shè)計(jì)這部分時(shí)，還要考慮界面美觀、操作方便。還要顯示數(shù)據(jù)的標(biāo)定，采集五組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，要求是手動(dòng)加自動(dòng)的標(biāo)定方法，照度由手動(dòng)輸入，先由燈泡照一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的照度計(jì)，每選擇一個(gè)照度值就選擇與之距離相等的地方照光電池，自動(dòng)取之輸出的電壓值進(jìn)行標(biāo)定。 NI M 系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備也與 Visual Studio .NET、 C/C++和 Visual Basic 6 兼容 。 驅(qū)動(dòng)軟件 ： M系列設(shè)備可在多種操作系統(tǒng)上使用，有三個(gè)驅(qū)動(dòng)軟件可供選擇，包括 NIDAQmx、 NIDAQmx Base 和測量硬件 DDK。 如需更高測量精度，可選擇高精度 M 系列設(shè)備，該設(shè)備采用 18 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使分辨率提高了 4倍。 NI 還在平臺中添加了 數(shù)字電路板及 FPGA 插入板。 LabVIEW圖形化流程圖及數(shù)據(jù)流的編程模式提供可自定義的應(yīng)用及靈活的測量模式。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁 18 NI ELVIS 平臺上安裝了 NI ELVISmx 驅(qū)動(dòng)及 NI ELVISmx Instrument Launcher 軟件，可快速連接全部 12 款儀器。從電路基礎(chǔ)學(xué)習(xí)到進(jìn)行研究工作，都可在同一平臺上實(shí)現(xiàn) 。數(shù)字萬用表 (DMM)、函數(shù)發(fā)生器、示波器、及波特分析儀，還有其它許多儀器都可在同一平臺上實(shí)現(xiàn)。同時(shí)， NI ELVIS也是 NI電子教育平臺中的重要部分，結(jié)合 NI Multisim采集及仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn) NI ELVIS 板載電路的測量及仿真。 因此，實(shí)際的采樣頻率取值高于理論值，一般為信號最高頻率的 5～10 倍。 采樣定理 香農(nóng)采樣定理：對一個(gè)有限頻譜（ m a xm a x ??? ??? ）的連續(xù)信號，當(dāng)采樣頻率 max2?? ?s 時(shí)，采樣函數(shù)才能不失真地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號。 信號的動(dòng)態(tài)范圍是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值 maxiV 與最小幅值 miniV 之比的分貝數(shù)。 （ 3）采集速率 又稱為系統(tǒng)通過速率、吞吐率 等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個(gè)通道。 （ 2） 系統(tǒng)精度 是指系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。由于輸入信號變 化速度不同，系統(tǒng)對分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同，所以 A/D 轉(zhuǎn)換器種類也較多，早期的采樣 /保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員自行設(shè)計(jì)，目前普遍采用單片集成電路，有的單片 A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)還包含有采樣 /保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路 ，這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較大方便。如圖 33： 圖 33 一階有源低通濾波器 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往對多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢測，這可通過多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同，所以放大器的種類也很復(fù)雜。 圖 31 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 傳感器的作用是把非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚ㄈ珉妷骸㈦娏骰蝾l率），通常把傳感器輸出到 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的這一段信號通道稱為模擬信號。 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁 13 第 3 章 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集就是將被測對象（外部世界、現(xiàn)場）的各種參量（可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等）通過各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、 采樣 、 量化 、 編碼 、 傳輸?shù)炔襟E，最后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)記錄的過程。 溫度特性 [9] 光電池的溫度特性曲線主要指光照光電池時(shí)開路電壓與短路電流隨溫度變化的情況，在室溫（ 25～ 30度）下，開路電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，即隨溫度的升高開路電壓值反而減小，短路電流具有正溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，短路電流值增大。 表 21 國內(nèi)生產(chǎn)的幾種 2CR 型硅光電池時(shí)間響應(yīng) 型號 面積 /mm 負(fù)載 LR =100Ω 負(fù)載 LR =500Ω 負(fù)載 LR =1000Ω rT /us fT /us rT /us fT /us rT /us fT /us 2CR21 5*5 15 15 20 20 25 25 2CR41 10*10 15 17 35 40 60 70 2CR41 10*20 30 40 60 80 150 150 負(fù)載越大時(shí)頻率特 性變差，減小負(fù)載可以減小時(shí)間常數(shù)τ、提高頻響。一般用相對響應(yīng)表示，器件的長波限取決于材料的 禁帶寬度 gE ，短波則受材料表面反射損失的限制，其峰值不僅與材料有關(guān)，而且隨制造工藝及使用環(huán)境不同而有所不同。 硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。構(gòu)成 pn 結(jié)后，再經(jīng)過各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜，即成光電池。 測量光電池的主要功能是作為光電探測用，即在不加偏置的情況下將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應(yīng)合適、穩(wěn)定性好、壽命長，它被廣泛應(yīng)用于在光度、色度、光學(xué)精密計(jì)量和測試設(shè)備中。 本章小結(jié) 本章主要介紹了照度的定義、照 度計(jì)在日常生活中的作用以及虛擬儀器的簡介、特點(diǎn)、發(fā)展和與常規(guī)儀器的比較。 總體設(shè)計(jì)：根據(jù)用戶需求， 進(jìn)行 VI 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定面板布局與程序流程，并保證所使用的虛擬儀器硬件在 LabVIEW 函數(shù)庫中有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。 與傳統(tǒng)的編程方式相比 ,使用 LabVIEW 設(shè)計(jì)虛擬儀器 ,可以提高效率 4～ 10倍。同時(shí) ,軟件前面板創(chuàng)建了一個(gè)真正的接口 ,無論用戶使用什么類型的硬件 ,并且 ,不像硬件前面板 ,軟件前面板只包含了對于一個(gè)應(yīng)用場合很重要的參數(shù) ,用戶能夠很容易地從一個(gè)單一前面板控制多臺 ,并把整個(gè)系統(tǒng)作為一臺虛擬儀器 來看待。因此， VI 的發(fā)展已經(jīng)完全跟上計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展步伐，同時(shí)也顯示出 VI的靈活性與強(qiáng)大生命力。 表 11 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 功能由用戶自己定義 功能由生產(chǎn)廠商定義 可方便地與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)連接 與其他儀器設(shè)備的連接有限 基于軟件體系，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低 開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用高 技術(shù)更新周期短（ ～ 1 年） 技術(shù)更新周期長（ 5～ 10 年） 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵 價(jià)格較低 價(jià)格較高 開放靈活與計(jì)算機(jī)同步，可重配置和使用 固定 自己編程硬件，二次開發(fā)強(qiáng) 無法自己編程硬件，二次開發(fā)差 無限的顯示選項(xiàng) 有限的顯示 選項(xiàng) 完整的時(shí)間記錄和測試說明 部分具有時(shí)間記錄和測試說明 自動(dòng)化的測試過程 測試部分自動(dòng)化 虛擬儀器方案 下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。虛擬儀器實(shí)現(xiàn)了測量儀器的智能化，多樣化，模塊化，即在相同的硬件平臺下，虛擬儀器完全由用戶自己定義，通過不同的軟件就可以實(shí)現(xiàn)功能完全不同的測試儀器。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較 傳統(tǒng)的電子測量儀器如示波器 、 電壓表 、 頻 率計(jì) 、 信號源等，是由專業(yè)廠家生產(chǎn)的具有特定功能和外觀的測試設(shè)備，其 共同特點(diǎn)是儀器由廠商制造，具有固定不變的操作面板，采用固化了的系統(tǒng)軟件，采用固定不變的硬件電子線路和專用的接口器件，而且功能固定，如前面板有旋鈕開關(guān)等，在機(jī)箱內(nèi)部有 A/D轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)節(jié)器、微處理器、存儲(chǔ)器和公共總線等特定電路對真實(shí)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分析，再把結(jié)果提供給用戶，因此，其系統(tǒng)封閉，拓展性能差，用戶只能用單臺儀器完成單一的或固定的測試工作。 第三階段 ， 虛擬儀器框架得到了廣泛認(rèn)同和采用。這一階段虛擬儀器的發(fā)展幾乎是直線前進(jìn)。大致說來，虛擬儀器發(fā)展至今，可以分為三個(gè)階段，而這三個(gè)階段又可以說是同步進(jìn)行的。 虛擬儀器的發(fā)展 虛擬儀器的起源可以追朔到 20 世紀(jì) 70 年代，那時(shí)計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)在國防、航天等領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。從這一思想出發(fā)，基于電腦或工作站、軟件和 I／ O 部件來構(gòu)建虛擬儀器。 20年來，無論是初學(xué)乍用的新手還是經(jīng)驗(yàn)豐富的程序開發(fā)人員，虛擬儀器在各種不同的工程應(yīng)用和行業(yè)的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都?xì)w功于其直觀化的圖形編程語言。 虛擬儀器簡介 虛擬儀器技術(shù) 就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ELVIS 光電池照度計(jì)設(shè)計(jì) 第 頁 4 成各種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用。如在公共場所商場（店）的照度衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) ≥100Lx ；圖書館、博物館、美術(shù)館、展覽館 臺面照度的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) ≥100Lx ；公共浴室照度衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) ≥50Lx ；浴室（淋、池、盆?。?≥30Lx ，桑那浴室 ≥30Lx.國外有關(guān)室內(nèi)照度的標(biāo)準(zhǔn)，如德國推薦幾種額定光強(qiáng)，辦公室包括文書工作區(qū)為 300Lx，打字，繪圖工作為 750Lx；在工廠，生產(chǎn)線上的視覺工作的照度要求為 1000Lx；酒店、公共房間為 200Lx；接待點(diǎn)、出納柜為 200Lx；商店的櫥窗為 1500～ 20xxLx；醫(yī)院病房為 150～ 200Lx