交流220 V同步方式通信電路的燈光控制系統(tǒng)

崔光杰，李卓然，金永鎬

(延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延吉 133002)

引言

直流電的三線控制方式由于線路簡單、成本低，廣泛用于各種照明系統(tǒng)的控制場合[1，2]，但交流系統(tǒng)中無法提供穩(wěn)定的參考點[3]，實際應(yīng)用中通常使用電力線載波通信方式或無線通信方式進行控制，因此存在電路復(fù)雜、可靠性低、待機功耗較大、維護難等問題[4]。

為此，本文提出與交流電50 Hz同步方式工作的教室燈光控制系統(tǒng)，這種電路采用三線工作方式，分別為2根220 V交流電源線和一根公用信號線，主機和分機只通過一根公用信號線傳送信號。

1 通信電路工作原理設(shè)計

交流220V同步方式工作的通信電路由一個主機和N個分機組成，可進行雙向通信，主機呼叫分機后發(fā)送各種操作命令，分機響應(yīng)后發(fā)送本機的狀態(tài)。

1.1 主機和分機的參考點設(shè)計

圖1為主機和分機之間形成參考地的電路示意圖。

圖1 參考地的形成電路

R0為線路的等效電阻，R1和R2保證交流電的整個周期中整流橋D1、D2始終處于微導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)正半周時L線為正極性N線為負(fù)極性，整流橋D1的D11、D13導(dǎo)通，整流橋D2的D21、D23導(dǎo)通，A點經(jīng)過D13、R0、D23連接到B點，當(dāng)負(fù)半周時L線為負(fù)極性N線為正極性，整流橋D1的D12、D14導(dǎo)通，整流橋D2的D22、D24導(dǎo)通，A點經(jīng)過D14、R0、D24連接到B點。

因此不管是正半周還是負(fù)半周A點與B點之間的電壓UAB取決于式(1)，式中i為線上的交流電流，UD為整流橋中每個二極管的正向壓降。

UBA=|iR0+UD|-UD=|iR0|

(1)

可知整流橋D1、D2導(dǎo)通時壓降互相抵消。由于每個集中控制區(qū)的線路電阻較小，電流分布也是離散方式，因此最遠的2個裝置之間的電壓UBA可以控制在30 V以內(nèi)。信號線上的脈沖信號與UBA和交流電中的其他尖脈沖干擾疊加在一起傳送，因此為了便于檢測脈沖信號，脈沖電壓幅度應(yīng)大于30 V，脈沖信號幅度越大抗干擾能力越強，但交流電的每個半周中傳送信號的時間變短。

如果系統(tǒng)的工作電壓范圍設(shè)定在170～250 V，則傳送信息的時間與信號電壓幅值之間的關(guān)系如圖2所示?？芍?dāng)使用50 V左右的信號電壓時，在170～250 V輸入范圍內(nèi)，傳送時間的變化不大，最大能使用的信號傳送時間t約為8.6 ms。如果采用100 V的信號電壓則能提高抗干擾能力，但發(fā)送時R3的功率損耗增加且t變小，約為7.2 ms。實驗時采用約為50 V的電壓傳送信息，則可以準(zhǔn)確地傳送信息。

圖2 傳送時間與信號電壓之間的關(guān)系

主機提供信號線上的電壓必須與交流電的電壓同步，否則分機發(fā)送信息時無法保證D1始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，系統(tǒng)無法工作。

因此在圖1中，通信用電源取決于D1整流后經(jīng)過R3、D3穩(wěn)壓后提供給信號線。同時整流橋D1、D2的輸出端連接到電容負(fù)載時必須用二極管D4、D5隔離，以保證整流橋D1、D2始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。

1.2 通信格式的設(shè)計

圖3為一幀通信格式示意圖，由10位分機號、4位命令位、10位分機信息位，以及2個同步位，共30.5位組成。發(fā)送每位的時間為T,交流電限幅50 V后可得到約為8.6 ms的平坦區(qū)，如果T=240 μs則發(fā)送30.5位所需要的時間為7.32 ms，剩余的時間備用。圖中陰影部分為1T的高電平。

圖3 通信格式示意圖

2 燈光控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主機通信電路的設(shè)計

圖4為主機電路，D4起隔離作用，隔離高壓充電用電容C1和D3的輸出端，防止C1電壓影響D3的導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4 主機電路

整流后的電壓經(jīng)過R5在D5、D6兩端形成約為55 V的電壓，經(jīng)過Q1組成的射極跟隨器后輸出約為52 V的電壓提供給R6、Q2組成的脈沖發(fā)生器，當(dāng)Q2按照單片機U1的TR輸出端信號進行開關(guān)時，在信號線上可以得到幅度為52 V的脈沖信號。

D6、R8的作用是檢測大于55 V的輸入電壓狀態(tài)提供同步信號，以便主機以同步方式呼叫分機。當(dāng)輸入電壓幅值超過55 V時在D6兩端產(chǎn)生約為5 V的電壓，供U1的SV輸入端，一旦檢測到這個信號則U1開始進行開關(guān)控制Q2發(fā)送信息。

信號線的電壓經(jīng)過Q3、R9組成的射極跟隨器后，在D7兩端產(chǎn)生5 V的脈沖電壓提供給U1的RE端進行分析處理。

2.2 分機通信電路的設(shè)計

圖5為分機電路，由于分機數(shù)量較多且長期處于待機狀態(tài)，為了減少待機功耗采用Q10、R22組成恒流源，不管輸入電壓怎樣變化，提供恒定的電流使D15總是導(dǎo)通。通過多次實驗測得當(dāng)流經(jīng)D15的電流大于20 μA時系統(tǒng)穩(wěn)定工作，因此取30 μA的電流，電流值由式(2)決定。

(2)

這種恒流源當(dāng)D15的輸出電壓低于3 V時恒流源不工作，但由于電壓很小不影響系統(tǒng)正常工作。

圖5中D13隔離電容C11和D15的輸出端，防止C11電壓影響D15的導(dǎo)通狀態(tài)。發(fā)送時單片機控制Q11進行開關(guān)，接收時信號線上的電壓經(jīng)過Q9、R21組成的射極跟隨器后，在D16兩端產(chǎn)生5 V的脈沖電壓提供給U3的RE端進行分析處理。

2.3 分機的低功耗電源設(shè)計

為了減少分機待機功耗，采用MK6A12低功耗單片機，并降低頻率和工作電壓運行使工作電流小于0.1 mA，并利用HV9910芯片建立的7.5 V工作電壓，經(jīng)過微功耗三端穩(wěn)壓器HT1033穩(wěn)壓后提供3.3 V給單片機，因此無需設(shè)計獨立的工作電源。

MK7A23和MK6A12都是一種性能價格比很高的單片機，內(nèi)含4 MHz的RC振蕩器(通過外部電阻設(shè)定工作頻率)、WDT(看門狗)及復(fù)位電路，工作電壓為2.5～5 V，而且價格低廉，非常適合于各種工業(yè)使用的控制器[5，6]。HV9910芯片在6腳輸出約7.5 V工作電壓，最大的輸出的電流為1 mA[7]。為了減少單片機的電流工作電壓取3.3 V。

圖5 分機電路

表1為MK6A12的工作電壓為3.3 V，低電壓復(fù)位電路開啟，WDT關(guān)閉，定時器TM0工作時,實測的工作頻率與電流及外接電阻R7之間的關(guān)系。當(dāng)R7=100 kΩ時工作頻率為1 MHz，工作電流為90 μA，遠遠小于1 mA(HV9910芯片6腳輸出電流值)。

表1 頻率與工作電流及外接電阻的關(guān)系

為了減輕U1的電壓負(fù)擔(dān)，整流后的電壓經(jīng)過D14(PK6E200A)降壓200 V后提供給HV9910。通過這種設(shè)計實測的分機的待機功耗小于0.1 W。

2.4 分機的LED燈組驅(qū)動電路設(shè)計

圖5中Q12、C13、D17、L1和HV9910組成40 W的LED燈組驅(qū)動電路，單片機通過PA1引腳控制PWMD引腳，當(dāng)PA1高電平時，電路工作點亮LED燈組。根據(jù)主機的命令可進行全部點亮，或者選擇方式點亮，如果對電路進行修改也可進行亮度調(diào)節(jié)。

2.5 通信電路的抗干擾能力分析

在圖1中發(fā)送信息時以主機的A點為參考點，則信號線上的電壓USA可用式(3)表示。當(dāng)Q2飽和時USA=|UAB|而不是0 V，這是線路壓降形成的干擾影響，線路壓降越大影響越大。當(dāng)Q2截止時USA=UD1=51 V，不受干擾。

USA=UQ2+|UAB|

(3)

圖6為加入線路壓降后發(fā)送信息時以主機的A點為參考點實測的信號線的波形?？梢娭鳈C發(fā)送時不受干擾電壓的影響，而分機發(fā)送時低電平受干擾電壓的影響，因此主機的比較點設(shè)置在電壓高的地方為宜。

圖6 主機的A點為參考點實測的波形

圖7 分機的B點為參考點實測的波形

同樣在圖1中以分機的B點為參考點，則信號線上的電壓USB可用式(4)表示。當(dāng)Q1飽和時USB=-|UAB|，當(dāng)Q1截止時UQ1=UD1=51 V，則USB=UD1-|UAB|，可見脈沖的高低電平都受干擾的影響。

USB=UQ1-|UAB|

(4)

圖7為加入線路壓降后發(fā)送信息時以分機的B點為參考點實測的信號線的波形。可見分機的B點為參考點時，脈沖的高低電平都受干擾的影響，因此分機的比較點設(shè)置在電壓低的地方為宜。

為了便于檢測在主機和分機中采用限幅5 V的方式，這樣只要脈沖幅度大于5 V以上可檢測出脈沖波形，考慮到交流電的其他脈沖干擾，如果脈沖幅度采用50 V，則大大提高抗干擾能力。

3 實驗結(jié)果分析

圖8是主機呼叫154H分機，而分機無應(yīng)答時信號線的實測波形。10位分機號以D10～D1組成，則154H的排列為0101010 100B，從D10開始依次發(fā)送到D1。在t1點檢測高電平后發(fā)送2.5T的低電平，t2點發(fā)送1T的高平后，t3～t16點開始發(fā)送主機呼叫信息以及4位命令信息，t17～t18點再次發(fā)送同步位；t19開始分機信息位，為了準(zhǔn)確接收，在每位信息傳送時間T的1/2處作為讀入點進行檢測。因此t19后延遲0.5T后在t20～t29點接收10位分機信息。

圖8 主機呼叫分機，分機無應(yīng)答時波形

圖9為主機呼叫154H分機，分機應(yīng)答156H時信號線上的波形。

圖9 主機呼叫分機，分機應(yīng)答時波形

在t1點檢測下降沿t2點開檢測上升沿，判斷是否是2.5T低電平后，延遲1.5T開始檢測主機信息，在t3～t12點接收10位主機呼叫的154H分機號。當(dāng)主機呼叫的分機號與本機號相同時，則在t13～t16點接收命令信息。在t17點檢測到同步位的上升沿后，利用t18～t27點發(fā)送156H信息(0101010110B)。t28～t32可作為待開發(fā)信息位。

從實驗結(jié)果看出，工作波形穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的電路可進行雙向通信，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、待機功耗小、容易擴展分機數(shù)量、可傳送工作頻率為1～50 kHz的脈沖的特點，根據(jù)主機的命令可進行全部點亮燈、選擇方式點亮燈、調(diào)節(jié)燈光的亮度，也可以無需改變電路實現(xiàn)多地的控制，具有較好的應(yīng)用價值。