基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)

石　鑫，盛碧琦，王春雨（.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術學校，江蘇鎮(zhèn)江2203；2.江蘇大學電氣學院，江蘇鎮(zhèn)江2203）

基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)

石鑫1，盛碧琦1，王春雨2*
（1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術學校，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.江蘇大學電氣學院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

針對傳統(tǒng)供暖溫控器結構復雜、精度差、無法統(tǒng)計溫度等問題，設計了一款基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)。文中重點介紹了基于電力線載波的供暖溫控系統(tǒng)的設計原理，并對整套系統(tǒng)硬件電路和軟件進行了分析，并設計了相關電路進行試驗驗證。試驗結果表明：文章所研究的供暖溫控系統(tǒng)具有電路結構簡單、精度高、成本低等優(yōu)點，滿足了供暖公司各項技術要求。

通信；電力載波；擴頻技術；供暖溫控系統(tǒng)；PL3106

隨著社會的發(fā)展，有效的利用能源逐漸成為當今社會發(fā)展的主題。為了有效的提高能源的利用效率，北方供暖公司需要對各個區(qū)域溫度進行有效的溫度控制。傳統(tǒng)供暖溫控系統(tǒng)無法實現(xiàn)對各個區(qū)域溫度控制和數據統(tǒng)計。為了解決上述問題，本課題設計了基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)，供暖公司采用電力載波對溫控器終端進行溫度數據采集和恒溫溫度值控制［1-2］。

1　系統(tǒng)總體方案及工作原理

基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)主要由電力載波、溫度采集、時鐘、電容按鍵、掉電保護等組成，如圖1所示。

該系統(tǒng)通過熱敏電阻對環(huán)境溫度進行采樣，再由PL3106內部的A/D模塊對熱敏電阻上的電壓進行采樣，PL3106根據環(huán)境溫度對供暖電磁閥進行開關處理，從而維持當前環(huán)境溫度值。同時LCD對當前環(huán)境溫度和當前時間進行實時顯示。當供暖公司需要采集某個區(qū)域溫度時，系統(tǒng)可以通過對電力載波進行溫度和時間采集［3-4］。

圖1　電力載波溫控系統(tǒng)的硬件框圖

收稿日期：2015-07-14修改日期：2014-09-15

2　控制系統(tǒng)的硬件設計

供暖溫控系統(tǒng)主要由電源模塊、電力載波收發(fā)模塊、A/D采樣模塊、LCD顯示模塊、電容按鍵模塊等部分組成。

2.1電源模塊

電源電路是供暖溫控系統(tǒng)正常工作的基本保證，為了提高系統(tǒng)的抗干擾特性和電源的穩(wěn)定性，系統(tǒng)設計了如圖2所示電源電路。

其工作原理如下：圖2中交流電源經過整流橋整流處理后進行濾波處理。為了降低整流后的直流電源電壓值，系統(tǒng)選用THX202H芯片作為控制芯片，TH202H通過OC引腳對直流電源進行控制，當TH202H的OC引腳開關時，Q6初級線圈會形成很高的尖峰脈沖，為了保證系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用電阻R15和電容C16組成的吸收回路對尖峰脈沖進行吸收保護處理。當輸出電壓增大時，TL431的反饋電壓升高，使得TL431輸出電壓升高，從而關斷U2光耦，TH202H的反饋引腳輸入高電平，關斷TH202H的OC引腳，降低開關電源的輸出電壓。相反，當輸出電壓降低后，反饋引腳電壓變?yōu)榈碗娖?，使得OC引腳導通。因此，系統(tǒng)有效的保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖2　開關電源設計電路

2.2電力載波發(fā)送模塊

由于電力線上存在較強的諧波噪聲，為了保證系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)需要設計一款高功率的電力載波通信系統(tǒng)。為了提高電力載波的通信的可靠性，系統(tǒng)采用推挽驅動電路［7］，如圖3所示。其相比傳統(tǒng)的單管驅動電路而言，該系統(tǒng)采用推挽輸出，使得系統(tǒng)具有較高的輸出功率，這有效的提高系統(tǒng)通信的可靠性和抗干擾能力。

圖3　電力載波發(fā)送模塊

電力載波推挽電路工作原理如下：當PL3106傳輸數據時，數據經過RC組成低通濾波電路輸出到推挽電路上，再由推挽電路經過電容耦合到電力線上。為了保證電力載波通信的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)對輸出電壓進行鉗位保護，經過上述處理，系統(tǒng)有效的提高了電力載波通信系統(tǒng)整體的可靠性。為了測試系統(tǒng)發(fā)送的可靠性，系統(tǒng)對降壓耦合線圈T1進行波形檢測，測試結果表明，系統(tǒng)成功發(fā)送數據。如圖4、圖5所示。

圖4　電力載波發(fā)送耦合前

圖5　電力載波發(fā)送耦合后

2.3電力載波接收模塊

由于電力線進行數據傳輸過程中具有較多的實際問題，電力線主要是傳輸電力的，使得數據在電力線進行數據傳輸過程中具有較大的衰減，為了能夠有效的接收到電力線上的數據，系統(tǒng)設計了如圖6所示電路圖，該電路原理如下［8］：當上位給終端設備進行傳輸數據時，電力線上耦合了數據信號，再由電容C9和電感L2組成的諧振電路進行數據采集。采集的數據在經過電容進行耦合到PL3106芯片中。為了保護電力載波接收電路的可靠性，系統(tǒng)采用D5和D6二極管進行鉗位保護。圖6中的電容C9和電感L2并聯(lián)諧振工作在f=120 kHz，具有對120 kHz信號的選頻作用，頻率計算公式：）。

圖6　電力載波接收模塊

為了測量電力載波接收回路的可靠性，系統(tǒng)對諧振錢后波形進行測試，在諧振前，系統(tǒng)接收的波形如圖7所示。由于電容C9和電感L2的作用，系統(tǒng)對120 kHz數據信號進行接收處理，諧振輸出波形如圖8所示。

圖7　電力載波接收波形

圖8　電力載波接收處理波形

2.4AD轉換模塊

由于系統(tǒng)需要實時測量環(huán)境溫度，本系統(tǒng)利用熱敏電阻的溫度特性進行溫度測量。系統(tǒng)采用PL3106內置的A/D轉換芯片，定時采樣熱敏電阻的上的電壓，再通過實現(xiàn)測量好的溫度電壓關系進行數據查表，得出當前溫度。其相比于其他溫度測量具有速度快、操作簡單等優(yōu)點。

2.5電容按鍵電路

對于一套電子儀表產品，鍵盤具有不可替代的作用，其不但易于實現(xiàn)而且價格低廉等優(yōu)點。在供暖溫控系統(tǒng)中需要設置系統(tǒng)參數和顯示切換等功能，同時考慮到系統(tǒng)的面板整體布局和可操作性，系統(tǒng)采用JG5808N芯片設計了一款電容式操作鍵盤，其鍵盤分為8個獨立按鍵，分別為選擇按鍵、設定值按鍵、左右移動按鍵、加減按鍵以及確認按鍵，為了減少按鍵的使用個數，按鍵具有一鍵多用功能。電容觸摸按鍵硬件連接圖如圖9所示。

圖9　電容按鍵電路圖

2.5掉電保護電路設計

在供暖溫控系統(tǒng)中，為了增加系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)設計了掉電保護功能，其掉檢測電路實時采集交流電源，交流電檢測電路通過光電耦合器從而產生周期性的脈沖信號。由于我國電網為50 Hz交流電，這使得脈沖信號存在一定的周期性，系統(tǒng)只需要在規(guī)定的時間內檢測出脈沖信號便可以判斷出是否掉電，掉電保護電路如圖10所示。

圖10　掉電保護電路

3　軟件總體框架設計

對于一個可靠的系統(tǒng)而言，一個優(yōu)秀的軟件框架對系統(tǒng)而言至關重要的，系統(tǒng)采用多任務實時的軟件框架，模塊化編程設計思路，使得程序具有較強的移植性和可擴展性［5］。系統(tǒng)主流程圖如圖11所示。

圖11　主程序流程圖

4　實驗結果及對比分析

為了測試基于電力載波供暖溫控系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)搭建了測試硬件電路，如圖12所示。

圖12　電力載波供暖溫控系統(tǒng)實物圖

在對電力載波供暖溫控系統(tǒng)進行測試發(fā)現(xiàn)，利用熱敏電阻的溫度特性［6］，系統(tǒng)能夠有效地測量環(huán)境溫度，環(huán)境溫度測量誤差有效控制在±0.5%，各個溫度記錄如表1所示。

表1　測量結果分析

在對供暖溫控系統(tǒng)通信距離進行測量時，將供暖溫控系統(tǒng)應用到居民區(qū)，并對實驗結果進行記錄分析，電力載波傳輸距離如表2所示，實驗數據表明，本系統(tǒng)能夠滿足電力載波通信各項技術要求。

表2　實驗數據表

5　結論

文章提到的基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計闡述了其設計思路，解決了供暖公司不能對各家各戶溫度控制和溫度數據采集等。文中采用電力載波進行數據傳輸，有效地降低了產品應用成本。該供暖溫控系統(tǒng)并非完美，但本系統(tǒng)的具有安全性能高，電路設計簡單，具有較高的推廣應用價值。

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石鑫（1980-），男，回族，高校講師，工程碩士，江蘇省鎮(zhèn)江市人，鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術學校，研究方向為控制工程，shi9833010@sohu.com；

盛碧琦（1988-），女，漢族，博士，江蘇省鎮(zhèn)江市人，研究方向為低壓電器產品研發(fā)，智能電器、儀表儀表等。

The Heating Temperature Control System Based on Power Line Carrier

SHI Xin1，SHENG Biqi1，WANG Chunyu2*
（1.Zhenjiang Vocational Technical College，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2.Electric college，Jiangsu Univesity，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

A heating temperature control system is presentd based on power line carrier against the problems of complex structure，low accuracy and unable to count temperature of traditional heating thermostat.The design principle of heating temperature control system based on power line carrier is highlighted and the whole hardware and software system is analyzed，then we designed a related circuitry to test the experiment.The result of experiments shows that the heating temperature control system designed has many advantages，such as simple circuit structure，high precision and low cost，and it satisfied the requirements of various technical indexes of heating company.

communication；power line carrier；spread spectrum technology；heating temperature control system；PL3106

TP913.6

A

1005-9490（2016）03-0732-05

EEACC：852010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.045