低壓電力線載波在校園節(jié)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 莉,許文強(qiáng)

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 安徽淮南232001)

低壓電力線載波在校園節(jié)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 莉,許文強(qiáng)

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 安徽淮南232001)

傳統(tǒng)的通信技術(shù)一般采用專門的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì),布線繁瑣而且造成浪費(fèi);提出一種基于低壓電力線載波通信技術(shù)的校園節(jié)電控制系統(tǒng),介紹了載波通信原理,并且設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程;系統(tǒng)選用PL2102作為通信芯片,單片機(jī)作為控制芯片,將電力線載波技術(shù)應(yīng)用于校園節(jié)電系統(tǒng),由于不需要鋪設(shè)專門的控制線路,不僅節(jié)約了成本,也便于控制和管理,因此具有較好的應(yīng)用前景。

單片機(jī); 電力線載波技術(shù); PL2102

目前許多學(xué)校教室照明系統(tǒng)仍在采用傳統(tǒng)的的人工控制方式,難免會(huì)出現(xiàn)教室無(wú)人燈仍然點(diǎn)亮的現(xiàn)象。這種情況造成了資源的大量浪費(fèi),為從根本上杜絕浪費(fèi),合理地分配使用資源,提高校園用電管理效率,本文采用低壓電力線作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)字化通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)校園燈光的遠(yuǎn)程控制和管理。

1 工作原理概述

本文主要設(shè)計(jì)了主機(jī)和終端兩個(gè)部分。主機(jī)部分包括PC、單片機(jī)和電力線載波模塊。主機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的中心位于控制室內(nèi),負(fù)責(zé)接收終端地址、指令代碼、校驗(yàn)碼等從終端采集來(lái)的數(shù)據(jù)。主機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,同時(shí)向終端發(fā)出相應(yīng)的指令。終端通過(guò)外圍設(shè)備和載波通信模塊對(duì)燈具的電參數(shù)進(jìn)行處理分析并發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)給主機(jī),同時(shí)執(zhí)行主機(jī)發(fā)送到終端的指令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 主要器件的選擇

該系統(tǒng)采用PL2102作為電力線載波通信芯片,PL2102是能夠在電能質(zhì)量較差的情況下正常工作的電力線載波通信芯片。該芯片由+5 V電源供電,在主電源掉電的情況下,也可由3 V備用電池供電。該芯片通過(guò)外部的接口電路與電力線耦合,使用I2C接口與外部的微處理器連接,PL2102芯片還內(nèi)置了電壓監(jiān)測(cè)、看門狗定時(shí)器、復(fù)位電路等5種常用的功能電路。直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù)的大量應(yīng)用以及高標(biāo)準(zhǔn)的制作工藝使得PL2102在環(huán)境較為惡劣的情況下能夠穩(wěn)定工作。

STC89C52是一種8位微控制器,低功耗、高性能的特點(diǎn)使得其得到廣泛的應(yīng)用。STC89C52能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要,同時(shí)使得電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。

2.2 電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)載波收發(fā)電路,低壓電力線載波接收電路和發(fā)送電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 載波收發(fā)電路結(jié)構(gòu)

載波收發(fā)電路連接圖如圖3所示。接收電路部分主要包括:D7是瞬變電壓抑制二極管,預(yù)防過(guò)大的浪涌電流對(duì)電路的損壞。由C15、C16和L2組成的并聯(lián)諧振模塊對(duì)120 k Hz信號(hào)進(jìn)行選頻,同時(shí)可以對(duì)輸入的微小信號(hào)有放大的作用。發(fā)射電路部分主要包括:C14、L1(18μH/200 m A)用于發(fā)射電流和波形的調(diào)整。同時(shí)由于線圈帶載能力的限制,發(fā)射電流和波形的改變將改變發(fā)射功率和自損。發(fā)射功率與發(fā)射電壓VHH成正相關(guān)關(guān)系,由于發(fā)射電壓增高直接導(dǎo)致晶體管自身?yè)p耗增加,綜合考慮一般選擇發(fā)射電壓為10～18 V。

單片機(jī)作為微控制器,負(fù)責(zé)控制電力載波模塊,與載波模塊連接圖如圖4所示。載波模塊PL2102將載波信號(hào)解調(diào)后輸出,同時(shí)HEAD引腳給單片機(jī)中斷信號(hào)。單片機(jī)接收中斷信號(hào)后產(chǎn)生中斷,接收RXD_TXD輸出的信號(hào),根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。

圖3 載波電路原理圖

圖4 單片機(jī)控制電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 載波部分軟件設(shè)計(jì)

程序采用C語(yǔ)言編寫。載波通信接收流程如圖5所示,首先程序進(jìn)入接收中斷,不斷讀取接收到的數(shù)據(jù),當(dāng)接收到同步頭0x09AF時(shí),說(shuō)明后面的數(shù)據(jù)都是有效信息,提取有效信息后置位接收完成標(biāo)志,返回本次中斷。

圖5 載波通信接收流程

載波通信發(fā)送流程如圖6所示。程序首先進(jìn)入發(fā)送中斷,先發(fā)送40位數(shù)字1,再發(fā)送同步頭0x09AF,然后發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的有效數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)全部發(fā)送完后將發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻邮諣顟B(tài),最后返回本次中斷。

圖6 載波通信發(fā)送流程

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過(guò)串口與上位機(jī)通信,當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入串口中斷程序時(shí),將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖7所示。

上位機(jī)程序選用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便,人機(jī)界面友好。VB有多種方法可以實(shí)現(xiàn)串口通信,便于上位機(jī)與系統(tǒng)的連接。

本系統(tǒng)采用VB提供的通信控件進(jìn)行上位機(jī)程序開(kāi)發(fā)。該控件功能強(qiáng)大,可自行設(shè)置串口的狀態(tài)及串行通信的信息格式和協(xié)議,充分實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送與接收。通過(guò)此控件,簡(jiǎn)單高效地實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與設(shè)備之間的通信。

圖7 單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了低壓電力線載波在校園照明節(jié)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)硬件電路和編寫系統(tǒng)軟件,利用電力線作為信號(hào)傳輸介質(zhì),很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園照明燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)既使管理效率得到明顯提高,又使資源得到合理化應(yīng)用,同時(shí)還使校園照明燈的使用時(shí)間得到明顯延長(zhǎng),在校園內(nèi)應(yīng)用得到了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

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TM73

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10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.005

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2012年地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):201210361068)

周莉(1964-),女,安徽淮南人,博士,碩導(dǎo),研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù),電話:13955431228。