基于單片機(jī)控制的智能教室管理系統(tǒng)中直流載波通信的設(shè)計(jì)

王靚，范德輝

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件與服務(wù)外包學(xué)院，山東 青島 266555）

基于單片機(jī)控制的智能教室管理系統(tǒng)中直流載波通信的設(shè)計(jì)

王靚，范德輝

（青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件與服務(wù)外包學(xué)院，山東 青島 266555）

針對(duì)目前高校智能化教室管理的具體需求，基于單片機(jī)的控制，提出了采用直流載波通訊技術(shù)的智能化教室管理系統(tǒng)。論述了教室智能管理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、供電方式，以及基于單片機(jī)控制的直流載波通信技術(shù)的軟硬件設(shè)計(jì)，并由此完成各單體教室管理系統(tǒng)與主控室系統(tǒng)之間的供電與通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓宇的智能控制，通信穩(wěn)定性高。

直流載波通信技術(shù)；教室管理；智能控制；單片機(jī)控制

隨著電子技術(shù)和智能化技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)工作環(huán)境的智能化要求也越來(lái)越高［1-3］。對(duì)于高校來(lái)講，教學(xué)樓的智能化控制非常重要，直接影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境及設(shè)備和電力的損耗、安全性等問(wèn)題，因此建設(shè)高校教學(xué)樓智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)樓用電、照明、多媒體、門禁的管理具有重要意義。

目前，許多高校的教室雖然采用各種措施實(shí)現(xiàn)了單體教室的多媒體控制、照明管理和門禁設(shè)置，但多種控制系統(tǒng)不能綜合管理，而且多數(shù)采用孤立的單教室控制，雖然從一定程度上解決了部分管理問(wèn)題，但卻也存在著不能實(shí)時(shí)地了解各個(gè)教室的情況，不能及時(shí)檢修、遠(yuǎn)程控制等缺點(diǎn)。

為此，本文提出了單片機(jī)控制的智能教室管理系統(tǒng)，并利用主控室和單體教室之間的供電線進(jìn)行直流載波通信，相比于其他的傳輸方式，大大減少了布線，無(wú)需過(guò)多其他的要求，就能將各個(gè)教室的情況實(shí)時(shí)地傳送到主控室，同時(shí)可以通過(guò)主控室來(lái)監(jiān)控各個(gè)教室實(shí)時(shí)的情況，并根據(jù)實(shí)際需要加以遠(yuǎn)程控制。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能教室管理系統(tǒng)中，由于整個(gè)系統(tǒng)需要完成每個(gè)教室的單獨(dú)控制同時(shí)又要完成整個(gè)教學(xué)樓的統(tǒng)一管理，所以在智能教室管理系統(tǒng)中每個(gè)教室設(shè)置有教室分機(jī)，整個(gè)教學(xué)樓設(shè)置一個(gè)控制管理總機(jī)，兩者之間供電采用主機(jī)向分機(jī)供直流電，而為了減少布線、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，主機(jī)與分機(jī)間的通信采用直流載波通信技術(shù)。

智能教室管理系統(tǒng)分為上位總機(jī)和下位分機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。下位分機(jī)安裝在每個(gè)教室里，負(fù)責(zé)管理當(dāng)前教室的照明、供電、多媒體設(shè)備、門禁等狀況，同時(shí)又能夠?qū)误w教室實(shí)時(shí)狀態(tài)傳送給上位總機(jī)。而上位總機(jī)可以接收各分機(jī)傳來(lái)的信息，實(shí)時(shí)掌握每個(gè)教室的狀況，同時(shí)能夠?qū)Ψ謾C(jī)發(fā)送指令，達(dá)到遠(yuǎn)程開關(guān)、遠(yuǎn)程控制功能。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　電源電路

智能教室管理系統(tǒng)電源電路采用主機(jī)由市電經(jīng)電源適配器供電，分機(jī)由主機(jī)提供+20 V直流電壓的方式進(jìn)行。主機(jī)電源電路如圖2所示，主機(jī)向分機(jī)供電電路如圖3所示，分機(jī)電路如圖4所示。

圖2　主機(jī)電源電路原理圖

圖2中主機(jī)電源電路經(jīng)由J1從適配器引入+24 V直流電壓，二極管D1起到保護(hù)作用，電感LG1用于濾除電源的波動(dòng)，為電路提供穩(wěn)定直流電壓V+。V+經(jīng)高壓降壓轉(zhuǎn)化器MP1 430處理得到主機(jī)系統(tǒng)所需的+5 V模擬電路直流VCM及數(shù)字電路直流電壓+5 V和+4.5 V。

圖3　主機(jī)向分機(jī)供電處理電路原理圖

圖3所示為主機(jī)向分機(jī)供電處理電路，主機(jī)電壓V+經(jīng)過(guò)可調(diào)穩(wěn)壓電源LM317的調(diào)節(jié)和穩(wěn)壓輸出+20 V直流電壓供給分機(jī)。

圖4為分機(jī)電路原理圖，接插件J1ZX接主機(jī)供電線，整流二極管D2～D5使得電路供電線具有防錯(cuò)插功能，不管兩根主機(jī)供電線正接或者反接，經(jīng)由整流二極管D2～D5的處理總可以在D6的陽(yáng)極和GND之間得到+20 V左右的直流電壓。+20 V的直流電壓經(jīng)過(guò)三極管Q1在集成三端穩(wěn)壓器HT7136的輸入端上得到+15 V左右的電壓，穩(wěn)壓管ZD2起到穩(wěn)壓保護(hù)的作用，10 uF的電解電容保障了HT7136輸入端得到的電壓不至于降得太低。+15 V電壓經(jīng)由HT7136的處理在輸出端得到3.6 V，接到單片機(jī)CDI602的1腳用于給單片機(jī)提供工作電壓。

3　直流載波通信技術(shù)

圖4　分機(jī)電路原理圖

載波通信是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式，是利用現(xiàn)有電力線，在發(fā)送端通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)在導(dǎo)線上進(jìn)行高速傳輸，接收端進(jìn)行解調(diào)的技術(shù)，最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［4］。

3.1硬件電路

由于系統(tǒng)采用直流供電線進(jìn)行載波通信，所以直流載波處理硬件電路一部分是和電源電路結(jié)合在一起的，圖3既是主機(jī)向分機(jī)供電處理電路同時(shí)也是主機(jī)發(fā)碼處理電路，圖4分機(jī)電路原理圖中也包含有分機(jī)收碼、發(fā)碼電路。

3.1.1主機(jī)發(fā)碼電路

主機(jī)向分機(jī)發(fā)碼采用+20 V和+6.5 V的高低電平的變化進(jìn)行。如圖3所示，可調(diào)穩(wěn)壓器LM317輸出端的電壓值的大小受1腳對(duì)地電阻阻值的影響，1腳和2腳之間240 Ω的電阻兩端的電壓固定是+1.25 V。當(dāng)主機(jī)單片機(jī)P3.6輸出為低電平“0”時(shí)，三極管QS2截止，1腳對(duì)地調(diào)節(jié)電阻阻值為R39的阻值，lm317的 2腳輸出電壓計(jì)算值為 1.25/240*7K5+ 1.25=40.35 V，因40.25 V＞V+，所以實(shí)際2腳輸出電壓輸出略低于V+電壓值；當(dāng)主機(jī)單片機(jī)P3.6輸出為高電平“1”時(shí)，三極管QS2導(dǎo)通，1腳對(duì)地調(diào)節(jié)電阻阻值為R39和R36并聯(lián)值，lm317的2腳輸出電壓為1.25/240*（1K5||7K5）+1.25=7.25 V，這兩個(gè)高低的電壓值經(jīng)過(guò)后面電路的處理，由J3輸出到分機(jī)上分別約為+20 V和+6.5 V。利用高低電平的組合變化就可以由主機(jī)向分機(jī)發(fā)碼，而低電平采用+6.5 V左右，保證了分機(jī)始終能夠正常工作。

3.1.2分機(jī)收發(fā)碼電路

如圖4分機(jī)電路原理圖所示，單片機(jī)CDI602的7腳是分機(jī)收碼端，主機(jī)發(fā)來(lái)的+20 V的高電平和+6.5 V的低電平低經(jīng)過(guò)D2～D5組成的防錯(cuò)插電路，分別約降0.7 V，經(jīng)510 Ω的電阻R3和100 Ω的電阻R4的串聯(lián)分壓，在分機(jī)收碼分別得到3.2 V和0.9 V左右，正好對(duì)應(yīng)單片機(jī)能夠處理的高低電平。

單片機(jī)CDI602的3腳是發(fā)碼端，通過(guò)3腳輸出高低電平在供電線上形成電流的變化，當(dāng)3腳輸出為高電平時(shí)三極管Q2導(dǎo)通，R9上有電流，當(dāng)3腳輸出低電平時(shí)三極管Q2截止，R9上沒有電流，通過(guò)電流有無(wú)的變化可以將分機(jī)信息傳送給主機(jī)。當(dāng)分機(jī)需要發(fā)碼時(shí)，由單片機(jī)CDI602的3腳輸出頻率為100 kHz的方波，則在供電線上形成頻率為100 kHz的電流的變化。

3.1.3主機(jī)收碼電路

如圖3所示，分機(jī)發(fā)碼形成的電流的變化引入到了主機(jī)kHz接收端，通過(guò)電容C40和電感L3的并聯(lián)諧振電路將電流的變化轉(zhuǎn)換成為電壓的波動(dòng)變化，主機(jī)kHz接收端會(huì)得到在供電電壓20 V上下2 V范圍內(nèi)形成的頻率為100 kHz電壓波動(dòng)，如圖5所示。

圖5　主機(jī)收碼示意圖

主機(jī)kHz接收端得到的電壓波動(dòng)單片機(jī)是不能夠直接處理的，需要先經(jīng)過(guò)圖6所示主機(jī)收碼處理電路做預(yù)處理再送給單片機(jī)。主機(jī)kHz接收端的電壓波動(dòng)連接到鎖相環(huán)電路LM576之后，將100 kHz的電壓波動(dòng)解碼成為同等時(shí)長(zhǎng)的低電平0 V，而非100 kHz通過(guò)上拉電壓VCM和電阻R9解碼成為高電平+5 V，經(jīng)由LM576的8腳輸出到單片機(jī)的中斷輸入端，轉(zhuǎn)變?yōu)榱藛纹瑱C(jī)可處理的高低電平信號(hào)。

圖6　主機(jī)收碼處理電路原理圖

3.2通訊協(xié)議

3.2.1主機(jī)向分機(jī)發(fā)碼

如圖7所示，主機(jī)向分機(jī)發(fā)碼直接由高低電平的變化形成相應(yīng)碼值，由于供電線需要大部分時(shí)間保持為高電平，所以主機(jī)發(fā)碼均以低電平為啟始。首先發(fā)送20 ms低電平，讓分機(jī)做好收碼準(zhǔn)備，隨后發(fā)送時(shí)長(zhǎng)為5 ms的低電平加時(shí)長(zhǎng)為15 ms的高電平組成的“1”信號(hào)，或者時(shí)長(zhǎng)為15 ms的低電平加時(shí)長(zhǎng)為5 ms的高電平組成的“0”信號(hào)組成的一串碼。因?yàn)樗蟹謾C(jī)均并聯(lián)至主機(jī)，所以主機(jī)發(fā)碼中除了設(shè)置相應(yīng)的命令，還要附帶發(fā)送分機(jī)號(hào)，所有分機(jī)都會(huì)收到主機(jī)的發(fā)碼，但是只有相應(yīng)分機(jī)號(hào)碼的分機(jī)才會(huì)執(zhí)行命令，其余分機(jī)只收碼不響應(yīng)。

3.2.2分機(jī)向主機(jī)發(fā)碼

圖7　主機(jī)發(fā)碼示意圖

由于一個(gè)主機(jī)對(duì)應(yīng)多個(gè)分機(jī)，所以分機(jī)向主機(jī)發(fā)碼前先要發(fā)送長(zhǎng)度為5 ms的100 kHz的發(fā)碼請(qǐng)求給主機(jī)，主機(jī)若空閑則會(huì)接著返回一個(gè)40 ms的低電平響應(yīng)告訴分機(jī)可以發(fā)碼，若主機(jī)不空閑則會(huì)等到空閑時(shí)再給予分機(jī)響應(yīng)。當(dāng)分機(jī)收到發(fā)碼允許信號(hào)后，如圖5所示，會(huì)發(fā)送時(shí)長(zhǎng)為5 ms的100 kHz加時(shí)長(zhǎng)為15 ms的高電平組成的“1”信號(hào)，或者時(shí)長(zhǎng)為15 ms的100 kHz加時(shí)長(zhǎng)為5 ms的高電平組成的“0”信號(hào)組成的一串碼，這串碼中包含分機(jī)發(fā)送給主機(jī)的教室狀態(tài)信息和分機(jī)編號(hào)以及最后的校驗(yàn)位。

4　結(jié)　論

本文給出了基于單片機(jī)控制的教室智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且采用直流載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)在系統(tǒng)主機(jī)與分機(jī)之間的傳輸，重點(diǎn)介紹了直流載波通信的硬件電路實(shí)現(xiàn)及其與電源電路的結(jié)合方式，以及主機(jī)分機(jī)間通信協(xié)議的設(shè)置。實(shí)驗(yàn)證明，直流載波通信可以滿足通信需求，減除了原本所需通信線，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，做到了實(shí)時(shí)控制，可靠地完成了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，抗干擾能力較強(qiáng)，該系統(tǒng)具有很好的推廣前景。

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［2］趙景波，王臣業(yè).Protel 99SE電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與工程范例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

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Design of DC carrier communication in intelligent classroom management system based on MCU control

WANG Liang，F(xiàn)AN De-hui
（Qingdao Technical College，Qingdao 266555，China）

As for intelligent controlling in classrooms of teaching buildings，the DC carrier communication technology based on MCU control was proposed.The realization of each classroom's intelligent controlling was mainly described，as well as the achievement of the communication between the various classrooms and the main controlling rooms based upon the design of the DC carrier communication technology.The experimental results show that the system not only realizes the purpose of intelligent control，but also implements the stability of the communication to be improved.

DC carrier communication technology；ciassroom management；intelligent control；MCU control

TN913.6

A

1674－6236（2016）16-0161-03

2015-08-31稿件編號(hào)：201508174

青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究課題（11-A-4）

王 靚（1979—），女，山東濟(jì)寧人，碩士，副教授。研究方向：數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。