路燈節(jié)能控制系統(tǒng)

廖　赟　胡健生　黃金志　呂春書(shū)

摘要：本文描述了一個(gè)自動(dòng)化路燈節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括了一個(gè)PC機(jī)與MSC51通信接口、MSC51與MT8880芯片接口模塊與遠(yuǎn)端指令接收子系統(tǒng)。文中主要討論了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)關(guān)鍵部件的軟、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)RS-232、MSC51的串行通信、MT8880芯片的應(yīng)用、Delphi串口通信作了重點(diǎn)的介紹。

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源問(wèn)題日益引起各國(guó)甚至整個(gè)人類(lèi)的密切關(guān)注，能源危機(jī)成為人類(lèi)面臨的主要危機(jī)，特別是我國(guó)的電力能源近年來(lái)日益顯得吃緊，電力緊張成為各大城市生產(chǎn)、生活的絆腳石，甚至嚴(yán)重影響到我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)文明的進(jìn)步。

目前各大城市的交通路燈的能源利用率存在一個(gè)普遍的問(wèn)題，這就是路燈的能源利用率不高，特別是子夜過(guò)后，交通道上的車(chē)輛與行人較為稀少，交通道上的路燈沒(méi)有必要全部打開(kāi)，可以適當(dāng)關(guān)閉部分路燈，如隔一個(gè)開(kāi)一個(gè)，對(duì)于車(chē)輛與行人特別稀的交通道路則可以關(guān)閉更多的路燈。我們推算出從午夜開(kāi)始隔燈關(guān)閉可以節(jié)省電能近40％，對(duì)于大中城市來(lái)說(shuō)，每年可節(jié)約幾百萬(wàn)元路燈電費(fèi)。本文設(shè)計(jì)了基于自動(dòng)化技術(shù)的路燈節(jié)能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有三個(gè)特點(diǎn)：一是該系統(tǒng)的成本較低，但實(shí)用價(jià)值很高；第二是采用的技術(shù)較為先進(jìn)而且成熟，從而可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；第三是該系統(tǒng)是一個(gè)覆蓋面較廣的基于電力網(wǎng)的通信網(wǎng)，分布節(jié)點(diǎn)具有分散性，控制中心對(duì)各節(jié)點(diǎn)具有定位功能。另外對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用要求不是很高，環(huán)境的適應(yīng)能力與抗干擾能力較強(qiáng)。

系統(tǒng)的組成與工作原理

1．系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

基于自動(dòng)化技術(shù)的路燈節(jié)能系統(tǒng)的總體框架系統(tǒng)分為控制中心、遠(yuǎn)端指令接收器、控制中心與電力網(wǎng)接口三個(gè)部分。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

控制中心以易于操作、交互性好的Windows平臺(tái)實(shí)行可視化監(jiān)控管理，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化遠(yuǎn)程控制，為進(jìn)一步提高自動(dòng)化水平，可通過(guò)軟件的設(shè)定達(dá)到自動(dòng)控制?？刂浦行陌l(fā)出的控制指令通過(guò)電力網(wǎng)進(jìn)行傳輸，這樣最大的好處就是可以最大程度地減少對(duì)現(xiàn)有電力網(wǎng)的改造，最大限度地減少資源的開(kāi)銷(xiāo)，為了使從控制中心中的計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)能夠接入電力網(wǎng)，必須在計(jì)算機(jī)與電力網(wǎng)之間接入一個(gè)匹配接口，這個(gè)接口采用計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232串口與單片機(jī)相連接，通過(guò)單片機(jī)連接的優(yōu)點(diǎn)是一方面使得計(jì)算機(jī)的數(shù)字自動(dòng)控制指令具有較高的靈活性與可擴(kuò)展性；另一方面對(duì)于控制指令信號(hào)加載到電力網(wǎng)上具有較好的適配作用。本設(shè)計(jì)中通過(guò)單片機(jī)控制MT8880雙音頻信號(hào)（DTMF）發(fā)生器，將音頻信號(hào)加載到電力網(wǎng)上的優(yōu)點(diǎn)是一方面音頻信息對(duì)電力系統(tǒng)的影響幾乎為零，另一方面是對(duì)遠(yuǎn)端指令接收器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)起到最大的簡(jiǎn)化作用，最大限度地降低成本。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于圖1的總體設(shè)計(jì)框架與設(shè)計(jì)思想，基于自動(dòng)化技術(shù)的路燈節(jié)能系統(tǒng)的整體詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖2。下面就具體部件進(jìn)行介紹：

（1）RS-232接口計(jì)算機(jī)I/O接口根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式不同可分為并行總線接口和串行總線接口兩大類(lèi)。并行口速度快、實(shí)時(shí)性好，但是占用的線多，較為復(fù)雜，如IEEE-488、ISA、PCI等。而串口一般速度較慢，但簡(jiǎn)單、靈活、方便，如RS-232 、USB和IEEE-1394等。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與實(shí)際運(yùn)用領(lǐng)域，運(yùn)用RS-232較為科學(xué)，這是因?yàn)榇讼到y(tǒng)所要求的實(shí)時(shí)性并不是很強(qiáng)，而且根據(jù)電力網(wǎng)的線路特點(diǎn)，其指令信號(hào)傳輸線只用兩根。另外RS-232應(yīng)用廣泛，在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)中已經(jīng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，幾乎每一臺(tái)計(jì)算機(jī)都有一個(gè)或多個(gè)RS-232端口，而且串口設(shè)備與單片機(jī)這種高性價(jià)比控制部件的聯(lián)接實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有方便快捷的特性。RS-232接口引腳說(shuō)明如表1所示。

（2）MCS51單片機(jī)部件本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的89C2051，它是是一種采用了MCS-51型系列單片機(jī)的核心和匯編語(yǔ)言的高性價(jià)比單片機(jī)。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式與所用工具

本系統(tǒng)采用二次開(kāi)發(fā)，結(jié)合89C2051單片機(jī)開(kāi)發(fā)，選擇可視化快速開(kāi)發(fā)工具Delphi作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，系統(tǒng)中的指令信號(hào)與監(jiān)控信號(hào)的傳輸通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口，為加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程，本設(shè)計(jì)選擇第三方組件MSComm控件作為串口通信控件。

1．指令信號(hào)傳輸方式與MT8880介紹

（1）指令信號(hào)傳輸方式 考慮到本系統(tǒng)的信號(hào)傳輸是加載到電力系統(tǒng)上進(jìn)行傳輸?shù)?，所以本系統(tǒng)采用雙音多頻信號(hào)（DTMF）作為傳輸信號(hào)，DTMF是由一組低音頻信號(hào)和一組高音頻信號(hào)以一定方式的組合構(gòu)成，每組音頻信號(hào)各有4個(gè)音頻信號(hào)，而每種組合有一個(gè)高音頻信號(hào)和一個(gè)低音頻信號(hào)，共16種組合，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

如果用合適的采樣頻率對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，則很容易計(jì)算出每一個(gè)采樣點(diǎn)的A／D值，而如果將這些采樣值形成一張表，在單片機(jī)里用同樣的采樣頻率將這張表中的數(shù)值用D／A轉(zhuǎn)換器輸出，就是雙音頻信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中常用1 b的DM編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)A／D和D／A過(guò)程，其中A／D過(guò)程可以在PC機(jī)上完成，用程序生成對(duì)應(yīng)每一個(gè) DTMF信號(hào)的DM編碼表，D／A過(guò)程在單片機(jī)上完成。與單音編碼不同，DTMF信號(hào)是采用八中取二的方式來(lái)構(gòu)成一個(gè)音頻信號(hào)，可抗虛假信號(hào)的干擾，所以應(yīng)用范圍特別廣泛。

（2）MT8880 MT8880是一個(gè)帶有呼叫處理濾波器(call progress filter)的單片DTMF收發(fā)器，它功耗低，可靠性高。MT8880中的DTMF收號(hào)器是基于單片收號(hào)器MT8870工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能接收全部16個(gè)DIMF信號(hào)，DTMF發(fā)送器采用開(kāi)關(guān)電容D/A變換器，信號(hào)失真小、精度高，定時(shí)精確。MT8880有DTMF和呼叫處理(CP)兩種工作模式。當(dāng)選擇了呼叫處理模式時(shí)，MT8880就用于檢測(cè)電話網(wǎng)上電話呼叫過(guò)程中表示不同進(jìn)程的信號(hào)音(主要是撥號(hào)音，撥號(hào)音的標(biāo)準(zhǔn)頻率為350 Hz或440 Hz)，可以進(jìn)行撥號(hào)音識(shí)別。這是目前其他DTMF芯片所不具備的，這樣便可省去一套復(fù)雜的撥號(hào)音識(shí)別電路。MT8880的引腳圖如圖3所示，引腳說(shuō)明如表2所示。其中，GS ：用于輸入信號(hào)的增益高速；IRQ / CP：向MCU的中斷申請(qǐng)，當(dāng)選擇了呼叫處理模式時(shí)，輸入信號(hào)線上有呼叫信號(hào)時(shí)輸出與之相應(yīng)的方波信號(hào)；EST：當(dāng)檢測(cè)到有效音頻對(duì)時(shí)(也稱信號(hào)條件Signal condition )，就變?yōu)楦唠娖?，信?hào)條件不滿足時(shí)又立刻返回低電平。此引腳上為高電平不一定表示有DTMF信號(hào)，話音信號(hào)也會(huì)偶然產(chǎn)生有效音頻對(duì)；SGTI：當(dāng)電壓高于VTST，就保存檢測(cè)到的音頻對(duì)，同時(shí)更新輸出鎖存器的內(nèi)容。當(dāng)電壓低于VTST時(shí)，芯片就可以重新接收新的音頻，對(duì)Gt的輸出對(duì)滯后時(shí)間常數(shù)(steering timeconstant)有影響，它的狀態(tài)是EST和加到St的電壓的函數(shù)。

2．軟件集成控件MSComm簡(jiǎn)介

目前，用Delphi實(shí)現(xiàn)串口通信的常用方法有三種：一是利用控件，如SPComm控件和MSComm控件；二是使用Windows API函數(shù)；三是調(diào)用其它串口通信程序。其中利用Windows API函數(shù)編寫(xiě)串口通信程序較為復(fù)雜，需要掌握大量的通信知識(shí)。相比較而言，利用MSComm控件則相對(duì)較為簡(jiǎn)單，并且該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性，提供了對(duì)串口的各種操作，而且還支持多線程。

(1)屬性

Commport屬性，這一屬性用于設(shè)置返回連接的串行端口號(hào)，Windows將會(huì)利用該串口和外界通信。在設(shè)計(jì)時(shí)， nNewValue可以設(shè)置成從1~16的任何數(shù)（默認(rèn)值為1）。但是如果用PortOpen屬性打開(kāi)一個(gè)并不存在的端口時(shí)，MSComm控件會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤68（設(shè)備無(wú)效）。