毕业设计论文：基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计.doc

天津工业大学基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计 姓 名 周 海 雷 学 院 电气工程与自动化学院 专 业 自 动 化 指导教师 陈 云 军 职 称 讲 师 2013年6月1日摘 要 本论文首先对通讯系统基础知识、电力载波技术基础知识做了一个详细的介绍，然后对电力载波通讯过程中的信道特性以及干扰噪声进行分析，并利用自控原理知识建立相应的信道传输模型。接着建立了论文任务要求的总体框架图，对此设计中的电力载波通讯的可行性和优越性进行了详细分析论证。通过对单灯的电力载波收发模块的实现、单片机控制单灯的实现、单灯的电流检测实现、单灯的调压实现、节能分析等做了详细的阐述，论证和仿真。利用eagle 和 Protel 99 SE绘图工具完成一些电路图绘制和PCB板印制等，利用Multisim仿真工具完成一些电路仿真、性能和节能分析等。软件开发利用keil编写，并对主机，从机之间的通讯程序流程图进行编写。然后，将在硬件调试和软件调试过程中暴露出来的问题进行分析和解决。最后在两块单片机板上显示上述任务要求。 关键词：电力载波技；FSK调制技术；单片机通信；单片机；ABSTRACT This paper first analyze the low-voltage power line channel characteristics, and establish the corresponding channel model; then based on its overall structure and the design of the framework, the implementation of single-chip microcomputer control single lamp, single lamp current detection, single lamp voltage regulation implementation, as well as detailed on the elaboration, demonstration and simulation. Use the eagle and Protel 99 SE drawing tool to complete some circuit diagram drawing and PCB printing, etc., using the Multisim simulation tools to complete some circuit simulation, performance, energy saving experiment, etc. Use Keil compile software development, write the host, and subordinate machine the communication program flow the chart. Then, in the hardware debugging and software debugging process to analyze and solve problems. Finally on the two pieces of single chip microcomputer board to complete the above task requirements.Keywords: Electric power carrier technology； FSK modulation technology,；Single chip microcomputer communication；Single chip microcomputer；目 录前言 1第一章 电力载波技术绍2 1.1通信系统基础2 1.1.1 通信系统分类2 1.1.2 通信方式2 1.1.3 通信系统性能指标2 1.2 电力载波技术2 1.3 电力载波技术的简单应用3第二章 FSK调制技术5 2.1电力载波技术的发展状况5 2.2 FSK调制技术6 2.2.1 FSK调制基础6 2.2.2 FSK 调制方式6 2.2.3 FSK调制应用模型7第三章 电力线通信信道分析9 3.1 电力线传输信道特性9 3.1.1时变性10 3.1.2 衰减特性10 3.1.3电力线干扰10 3.1.4多径干扰10 3.2 电力线通信信道模型11 3.2.1低压电力线信道近似模型11第四章 照明控制系统设计12 4.1 照明控制系统方案设计12 4.2 载波通信模块设计14 4.2.1 电力线载波通信芯片的选择14 4.2.2 KQ-130F电力载波数据收发模块介绍15 4.3 路灯的智能化实现19 4.3.1 节电效能分析20 4.4 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统结构图和电路图22 4.5 硬件调试问题及其解决23第五章 电力载波通信协议与软件设计24 5.1 KQ-130与单片机的通讯24 5.2软件流程图的实现245.3 软件调试问题及其解决27第六章 论文总结28参考文献29附录30谢辞39天津工业大学2013届本科生毕业论文 前 言国外研究情况国外很多国家已经将此技术应用于智能化大厦的三A 系统之中，欧美国家已经利用此技术，实现了配电网的自动化和远程控制。而我国起步晚，虽然取得很大发展但是PLC技术的标准并不完善，符合新标准的器件还不很成熟。我国主要将此技术应用于自动抄表、过程控制等较小的应用领域。近年来，随着国家节能政策的不断落实，很多企业投入到电力载波通讯研究领域。论文研究的主要内容本课题采用电力载波通信技术，以电力传输线作为媒介。完成主单片机和从单片机之间的信息交换，并实现了对路灯开关时间、路灯输入电压的调整、路灯坏损的电流检测等任务。并通过功率变换单元通过调整路灯的输入电压来完成节能的目的。运用主单片机对路灯的开关状态进行控制，从单片机对路灯的状况进行不断检测。运用电力载波模块将这个灯的状态传送给主单片机，并将此状态在主控机上显示出来，并根据其状态信息在主控界面上显示出来。论文研究的意义传统的路灯控制采用开关控制，能源浪费严重、管理手段单一、信息化水平低下、缺乏故障主动报警机制、故障灯难以发现等一系列问题。传统的控制方式很难满足现代城市发展水平和信息化建设的要求。因此，一种可靠、节能的控制方式是建设智慧城市必不可少的。 改变传统的控制方式，实现了城市路灯的远程集中管理，不仅提高了城市的智能化水平，而且也在路灯维护方面节约了大量的人力、物力，其调压功能实现路灯的节能。它具有远程控制，和现有的电力线兼容，检修方便等一些功能，可以提高城市路灯的利用率，节能。 路灯的智能化是将检测技术，现代控制技术，通信技术融合到路灯控制领域。通过这些技术的融合来提高城市智能化水平，为建设智慧城市战略提供一个试验平台，并且达到节能的目的，具有很好的发展潜力。正因为如此，很多学者、专家投入到智能电网的建设中，开辟着一个全新的探索领域。 第一章 电力载波技术介绍1.1通信系统基础 本论文主要完成主单片机对从单片机的控制，从单片机控制路灯，而从单片机又将路灯状态传给主单片机，并将此状态在主单片机的显示屏上显示出来。电力载波技术完成控制信号和路灯状态的传送。因此对通信基础和电力载波技术的了解是十分必须的。1.1.1通信系统分类通信是从一个地点向另一个地点交换和传递信息的一种方式。通信系统包括发送装置和接收装置、传输介质、以及实现通讯的可靠性所需要的其它设备。 在通信系统中根据媒介的不同，分为有线通信系统和无线通信系统13。有线通信采用导线。列如电话线，同轴电缆，波导，光导纤维等。作为传输媒质来完成通信，此系统布线复杂，耗资大，成本高。无线通信依靠电磁破在空间传播达到传输信息的目的。具有成本低，但存在衰减，多径干扰及电磁干扰，系统的可靠性和安全性受限。考虑电力网遍及的现成的布线资源，我们应当充分发挥其潜能，节约有限的自然资源。利用电力载波技术，以电力线传输媒介，来传输路灯的状态和控制路灯，具有很重要的研究意义。1.1.2通信方式 在通信系统的建立过程中，首先根据对现场环境以及所要完成的功能，选择合适的通信方式可以提高数据传送效率，提高系统的稳定性和可靠性。根据时间和信道关系可以分为单工，半双工和全双工三种15。单工通信：指消息只能朝着一个方向传送，只占用一个通道。半双工通信：指双方都能收发消息，但不能一端接收和另一端发送同时进行。全双工通信：指发送端和接收端可以同时收发消息，发送端可以变为接收端，接收端也可变为发送端，一般情况下为双向信道。1.1.3通信系统性能指标 通信系统的主要任务是快速而又准确的传递消息。 有效性、可靠性作为其最主要的评价指标。有效性解决传送信息的“速度”问题，可靠性解决传送信息的“质量”问题13。1.2 电力载波技术电力线载波通信，PLC（Power Line Communication），是指利用现有的电力线作为信道，通过载波方式来发送模拟或者数字信号，是一种有线通讯方式。其最大特点是只要有电线，不需要重新架构电线4。电力载波通讯的工作原理是：由信息源发出信号，通过编码器的编码，调制器的调制，将此信息转成可用于传送的数码序列，耦合到电力线上，然后将此数码序列通过解调，译码，来送到受信者9。图1-1为电力载波通信模型16：图1-1 电力载波通信模型 信号源：是产生和发出消息的人或设备(列如控制机、PC机、DSP、单片机)。发出的消息可以是连续的波形也可以是离散的数字信号，其主要作用就是把各种消息转换成电信号。方便后面处理和传送。 受信者：是来接受信号源发出的消息的人或者机器。 编码器：信源编码器是将信号转换成数码序列，信道编码器是在数码序列中添加校验码，使接收端能发现或纠错有效信息，从而提高了通讯中传送消息的可靠性。 调制器：是把输出的数码序列转换成适用于传送的高频射频振荡信号，解调器与调制器刚好相反。基本功能是将数码序列与通信协议、通信方式等匹配起来。 信道：是传送信号的媒介。可以是物理的信号线也可以是电磁波等。媒介的特性对通信系统以及整个控制系统的可靠性和有效性具有很大的关系。 译码器：译码是编码的逆过程。将数码转换成可以应用的消息，是由数字电路和模拟电路的组合来完成的。 同步系统：用于保证收发两端步调一致，协同工作。主要应用于内容更新比较频繁的场合。同步是电力载波通信系统中的重要组成部分。如果没有同步就会出现大量的错码乱码，载波同步系统的性能指标主要有：有效率、精度、同步建立时间、同步保持时间。 噪声源：可以是人为因素造成，也可以是设备或者系统本身所具有的，但不是人们希望的15。1.3 电力载波技术的简单应用在一些涉及任务复杂、可靠性要求较高、实时性要求较强的领域，PLC技术因为其抗干扰能力、抗衰减能力的限制并未得到实际应用。 下面就对电力载波技术的现有系统的应用做一个简单介绍。列如：在图1-2所示， 是一个电力载波技术在欧美应用很成熟的领域，由图中可以很明显的看到。病人的一切病状信息可以通过电力载波技术传送给医院，而医院的建议，诊断结果也可以借助于电力载波技术传送给用户，实现高效，及时的医疗检测系统。此网络的布局和大小，都是根据现有的电力线布局而来。 图1-2 医院监控网络 相对于国外的这些成熟的应用，而我国起步晚，虽然取得很大发展但是PLC技术的标准并不完善，符合新标准的器件还不很成熟。虽然在远程抄表领域已经进入实际使用阶段，但是稳定性，可靠性，安全性这些基本问题并没有得到解决，并没有实现所谓的智能和自动。针对我国目前的现状，研究电力载波技术对我国现代化建设具有重要意义。可以提高我们的工作效率，改变落后产能。可见研究低压电力线通信对我国经济社会发展也具有非常重大的意义。 第二章 FSK调制方式2.1电力线通信技术的发展状况 通过前言和第一章对通信系统和电力载波技术的了解。我们可以看出，选择合适的调制方式对于提高系统的可靠性和有效性具有重要意义。怎么样选择合适的调制方式，要从PLC技术的发展说起。 电力载波通信技术的诞生已有很长时间了。但因干扰大，信号污染严重，只有在很少的相对封闭的地方实际应用。早期的PLC技术和现代PLC技术有很大的不同。早期主要借助于电力载波机，在通信的两端口都安装有阻波器（用来减少能量的损耗）。如表2-1所示，其发展历程：表2-1 电力载波发展历程 由表中可以看出，电力载波技术经过了电力载波机、功能单一的电力载波芯片到现在的网络设计中。通过现代载波技术的发展，让其在更广阔的领域应用成为可能。本论文主要针对KQ-130模块的需要，对其电力线的信道，信道建模具有详细分析。 实际应用表明，电力载波技术的信道变化剧烈，干扰强，各种突发噪声多等一系列问题。在这些问题的严重影响下，通信的可靠性、安全性、有效性等受到严重威胁，同时这也在很大程度上限制了它的使用。 因此，探索一种实际可行、可操作的调制方式是非常重要的。技术上调制方式可分为数字调制方式和模拟调制方式。两个调制方法的原理基本相同，如图2-2所示，输入的基带信号通过调制器、信道再到解调器直到最后的基带信号输出，但在信道过程中，一定会出现各种噪声。 采用数字键控的方法来实现数字调制信号称为键控法5。基于本论文KQ-130模块采用的是FSK的调制方式，所以下面将对FSK调制技术做一个详细的介绍。其他的PSK技术、ASK技术应不涉及，不做详细介绍。在图2-2中，也明显的表示出了调制方式的基本框图。FSK调制技术也在此基础上演变而来。 图2-2 数字调制系统结构图2.2 FSK调制技术 FSK（Frequency-shift keying）移频键控指的是用载波的频率变化来传递数字信息8。在目前的通讯技术领域，大多数采用的是FSK技术，此技术很常见，由于简单，也很普遍。2.2.1 FSK调制基础 FSK调制技术是日常通讯中一种常见的、应用比较成熟、抗干扰很强的调制技术。而且在中低速数据传输通讯中得到了很广泛的应用。 FSK有两个分类，连续和离散的FSK16。不管连续和离散，都是根据其输出波形进行确定的。而且，以目前数字技术的发展，大多的离散FSK朝着连续FSK发展5。2.2.2 FSK调制方式在2FSK中，随着输入数据的不同，两个频率发生器的变化，相应的输出是二进制的1 和0。 图2-3 非连续相位FSK产生 如图2-3所示，两个频率发生器f1和f2根据输入的二进制数据通过变换开关进行不断的切换，然后经过放大电路对信号的放大，从输出电路的输出端输出不连续的FSK信号。这种FSK 的调制方式在传统的通信设备中采用较多。目前的越来越多的这种调制方式朝着连续FSK发展。 如图2-4所示，接收到的FSK信号，通过带通滤波器来进行波形变化和信号调制，经带通滤波器后的信号经过包络检波电路完成模拟信号到数据信号的转换和抽样，将其波形转换成二进制。然后将这些值进行比较。根据比较器来决定输出的数据比特是1还是0。图2-4 非相干FSK接收机方框图其中包络检波： 包络检波8电路主要就是应用二极管和三极管。其元器件的寿命和稳定性也很高，大大提高接收机的稳定性，主要功能是将输入的波形转换成二进制数码。 在信号调制和信道分析过程中，大多数噪声都是高斯过程。因此，在信道的建模中常加入高斯模型来增强实用性。FSK 一般采用正交相乘的方法来实现调制的数字化。如图2-5所示：图 2-5 FSK正交相乘的模型2.2.3 FSK 的应用模型路灯的运行状态通过FSK发送机，通过发送机的调制，耦合到电力线上，通过电力线的传输，通过FSK接收机，进行信号调制，最后将路灯的运行状态到总服务器上显示出来。同时总服务器的控制指令通过通过FSK接收机，调制，耦合到电力线上，再通过接收机，解码，来控制路灯的开关时间，电压调整等等。 图2-6 FSK应用模型 第三章 电力线通信信道分析 选择了合适的调制技术，但因PLC技术的信道变化剧烈，干扰强，各种突发噪声多等一系列问题。在这些问题的影响下，通信的可靠性、安全性、有效性等受到严重威胁，同时这也在很大程度上限制了它的使用。因此在此基础上分析PLC的信道以及信道建模是很必要的。3.1电力线传输信道特性信号在传输过程中遇到噪声是不可避免的。这些噪声可以是人为的也可以是设备本身所固有的。因而对通讯信道特性的分析和模型的建立是研究通信问题的基础。噪声对信号传输的可靠性和稳定性有很大关系，可见对信道信道分析和建模也是十分必要的。目前，大部分城市内的铁路通信、轨道交通通信系统、医疗系统、政务系统等都是基于双绞线、同轴电缆、光缆等物理媒介实现通信的12。这些通信线路，虽然通信容量大，但具有造价高，维护难，衰减大，抗干扰能力差、不利于检修等缺点，尤其对老城的改造更加不易。通过我们对电力载波技术的了解，利用现有的电力线进行数据传送，可以减少投资和成本。目前，我国的路灯都是用220V电压提供的，这样就有了一个现有的布线广泛的的信道。信道具有广义信道和侠义信道之分10。侠义信道只是单纯的媒介。广义信道除了包括媒介之外还包括与通信相关的变换装置。这些装置可以是发送设备、接受设备、调制器、解调器等。图3-1为广义信道模型： 图3-1 广义信道模型然而通信系统中存在着严重的干扰问题，特别是处于研究阶段的低压电力载波通讯方面，附加了加性噪声和电磁兼容问题。要在干扰严重和各种突发噪声多的电力线上实现可靠和稳定的数据通信并不是一件容易的事。如何选择调制方式、采用何种系统构架、采用何种通信协议、通信方式，应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上。这方面的研究以及相关论文，目前国内还较少。总的来说。信道传输干扰是很复杂的。3.1.1时变性在路灯供电过程中，我国采用的是220V交流两线供电。电力网上的各种用电设备的断切换，在信道上会表现出时变性，能引起信号的相位、幅值发生很大变化。而且在传输过程中信号是衰减的，很容易导致失真。3.1.2衰减特性电力网上的各种负载变化的不确定和信号传输中的衰减，是通信过程中常见的问题。在电力载波技术中，衰减对信号的影响最大。因为电力线的非均匀分布，各种性质的设备随机的接入，因此信号在电力线上的传输必然存在着信号衰减。显然这种衰减与通信距离、信号频率等密切相关。总的来说传输距离越远，衰减越厉害。 因此我们在设计系统的时候必须要考虑到这两个因素，折中让系统的总体性能达到最好的状态。 3.1.3 电力线干扰在利用电力载波技术进行数据通信时，考虑的另一个干扰是电力线本身干扰。电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰9。非人为干扰指的是自然现象所引起的干扰,如打雷闪电。这个很容易在电力线上引起脉冲干扰。可以选择合适的路灯工作频率来减少或者避免这类干扰人为干扰则是由连接在电力线上设备本身。如路灯、KQ-130模块、功率变换单元等。在实际应用中发现,电力线上的的干扰不是可知性高斯白噪声一种。信号传错了线、信号强度不够、电力线污染等都可以造成干扰，这些都可以等效为热噪声。 3.1.4多径干扰多径效应(MultiPath)10会多径会导致信号的衰落和相移，其中多径指电信号从发射端到达接收端可以有很多经过途径。如图所示的电力线通信结构模型中，发射信号和接受信号之间有两条通路。由于信号通过的这些通路所用的时间不同，从而会引起相应的相位的变化，这些不同路径的延迟信号在接收机端叠加产生的失真的信号，即为多径干扰。图3-2 多径干扰3.2 电力线通信信道模型 通过以上对电力线信道特性和噪声干扰的分析10。我们可以看出建立一个精确的、实用的模型是不可能的。并且实用价值和替换性并不大、可靠性不高、普及率不大，我们要具体问题具体分析。我们应该很明确的知道每个模型都有自己的使用场合，当然所遇到的主要噪声和实现的主要功能不同模型的侧重点也不相同。但是我们可以建立一个基本特性的近似模型，通过对近似模型的分析和研究，我们可以在此基础上更深入的了解和分析我们所需要的部分。下面我们利用自控原理知识建立信道传递函数模型。3.2.1低压电力线信道近似模型 研究的低压电力线近似模型10如图3-3所示。图3-3 电力线信道简化模型在目前较为成熟的自动抄表技术中较普遍地存在盲区问题17。在用电高峰期，各种用电设备的不断切入，断开，对电力线的干扰不断，容易出现信号丢失现象。在电力载波技术中，我们也面对着一些实际问题需要解决，如：1.解决电力线上的设备对安装地点的敏感性问题，保持合适的传输速率并解决图像马赛克问题。2.对于这类载波设施的可靠性和有效性检验，一定要考虑在加入线路高斯白噪声的环境下，即在一定的信噪比下进行传输性能的测试，有助于提高其实用价值和安全性。3.制定相关的行业标准。 第四章 照明控制系统设计通过上面对通信知识，电力载波知识的了解，并对KQ-130模块的FSK调制技术的掌握，而且我们也对PLC信道进行了分析和建模，有了这些知识储备，相信我们在接下来的系统设计中得心应手。本系统采用电力载波通信技术，以电力传输线作为媒介3。完成主控站，总控站，和从控站之间的信息交换，可实现对路灯开关时间设定、开启比例设定、路灯坏损查询，路灯电压调整等相关操作。改变传统的控制方式，实现了城市路灯的远程集中管理，提高了城市智慧水平，对人力、物力资源得到很大节约，具有很好的发展前景。 通过我们对电力载波技术的了解，利用现有布线实现数据传送，可以减少投资和成本。目前，我国的路灯都是用220V电压提供的，这样就有了一个可靠的信道。4.1照明控制系统设计方案 为了达到高可靠性和节约电能的目的，并结合现有的电力载波技术和手头的电子元器件，设计出的基于电力线载波通信技术的智能化路灯控制系统的总体设计方案。从结构上看，系统由总控站（城市路灯的总控制中心/总枢纽，如：天津市路灯管理所）、主控站（城市各个行政区的控制中心，如：西青区路灯管理所）和从控站（各个行政区内的各条街道或者各个居住小区，如：天津工业大学路灯管理办公室）三部分组成9。总框图见4-1图：图4-1 照明系统综框图其各自构成如下：1） 总控站（城市路灯的总控制中心/总枢纽） 在本论文设计中，总控站是由主控单片机上的LED显示灯和数码管来模拟的，一旦接收到坏灯信息，数码管立刻将其坏灯编号显示出来，LED显示灯将全排显示，以提醒工作人员进行检修。总控站发出开关灯指令，利用电力载波技术到达各个从控站，从而实现路灯控制。并采集路灯的工作状况。2) 主控站（城市各个行政区的控制中心）主控站内部结构如图4-2所示。 图4-2 主控机结构图下面是信源编码的组成：一个最基本的通信数据包由8字节数据组成：第一、二字节是主控站标识（可以是事先编写好的IP地址）；第三字节是命令；第四、五字节是分配给从站的地址（IP地址或者虚拟IP地址）；第六至第八字节为传送的有效数据。主控站分析的内容：一是识别主机是否是自己的上级，二是识别从机地址是否有自己的地址。只有在全部确认无误后，从控站才执行相应的命令和操作。我们为了实现可靠准确的数据通信，可以附加校验码，最常用的循环检验码。在图4-2中的架构图中，表示出了它要实现的什么功能。本论文设计中，利用主单片机来控制路灯的“亮”“灭”状态，一旦主单片机发出开灯信号，从单片机上LED灯将会显示出状态。 3)从控站（各个行政区内的几条街道或者几个居住小区）从控站的内部逻辑结构如图4-3所示，每个从控站可控制三组路灯（每组可表示一条街道或者一个居住小区内的路灯，也可以分为很多组，这里为了方便表示只画了三组）。它接收来自主控站发送的信号，信道是电力线，根据信号执行相应的操作。另外，从控站可以对当前的天色做出判断，并根据事先调试的时间进行采样处理，以便在合适的时间对路灯的供电电压做出合适的调整，以实现其节能的目的。用从单片机来模拟从控站，从控制器控制路灯，并对路灯进行检验，一旦路灯工作不正常，将此状态发送给主单片机8。图4-3 从控机结构图 当然，在上述通讯实现的过程，难免会发生信息传输延迟、信息乱码的情况12。我们遇到时，结合课题要求，做出合适的抗干扰和检验措施的选择。4.2载波通信模块设计在系统运行过程中，通讯的可靠性和有效性是很重要。如果将总控站、主控站和从控站看做系统的一个节点。节点之间的通信是通过载波技术实现的10。为了方便分析和理解，本论文采取简化法，即通过电力载波技术实现单个路灯的智能化控制，其余问题只是采取类似的方法进行组装而已，这样也方便我们更好的学习和理解。4.2.1 电力线载波通信芯片的选择我国的电力载波芯片没有相关的行业标准替换性较差，在实际应用中这是必须要考虑的。本论文采用的是四川科强电子技术有限公司生产的KQ130电力载波数据收发模块7。 由于KQ-130里面集成了KQ-330，所以要想彻底了解到其相关知识和满足我们开发应用的能力。我们需要对KQ-330有个彻底的了解，KQ-130只是在KQ-330的基础上增加了一些外围电路6。 KQ-330系列性能： 1.工作频率120135KHZ，接口波特率9600bps。实际波特率100bps，250个字节缓存器。 2.温度范围：-25+70 湿度95%。 3.供电电源：DC +5V Imax20mA接收时12mA。KQ-330引脚说明：正面从左至右为111脚： 1PIRX，载波信号的输入端； 2PAGND，输入输出模拟电路共地端口； 3PVAD，模拟电路电源与AGND之间并联一只470uF电容； 4PVCC，+5V的供电电压； 5PDGND，输入输出数字电路共地端口； 6PRX，调制数据的输入端，接单片机的TXD端口； 7PGL，零点检测输入端口，接光耦的集电极端； 8PT1，载波频率输出端口； 9PTX，调制数据输出端，接单片机的RXD端口； 10PMODE,载波数据模式控制端口； 11PNC。4.2.2 KQ-130F电力载波数据收发模块介绍具有FSK调制解调技术的KQ-330模块已集成在KQ-130内部。KQ-330的外围电路如图4-4所示：图4-4 KQ-130模块内部组成载波信号功率放大电路6如图4-5所示：如4-5图所示： KQ-330模块被使能后，载波信号由T1端输出。经过三极管功率放大后，输出到TI端和耦合电路上。二极管D6主要是将输入端的电压钳制在一个合适的值内，从而使输出端更加稳定，降低失真。这样可以有效的减少发射的功率损耗，延长使用寿命。如图4-5所示： 图4-5 载波信号功率放大电路滤波接收电路6如4-6图所示，R3在接受发射信号时可以有效抵抗衰减；电感L2、电容C5组成并联谐振回路，经典滤波是根据傅立叶分析和变换提出的一个工程概念。结合数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。现代滤波技术主要有卡曼滤波、非线性滤波、维纳滤波等。在本电路中，谐振以中心频率为120KHz设计，为了和KQ-330模块的工作频率（120135KHZ）相对应，电容和电感完成对有效信号的带通滤波；由电感、电阻、电容组成的选频回路可以有效提高载波接收灵敏度。根据并联谐振公式： (4-1) 以f=120KHz，选择电容为C5=4700P，可以选择合适的电感值，L2=220uH。二极管D9、D10的作用是将接收信号的电位钳制在0.7V，IRX被内部上拉后平移到2.5V0.7V，以利于后续处理。图4-6 滤波接收电路 零点检测电路14：零点检测也叫过零检测。如图4-7所示，主要任务是：1.是完成对电路的断点检测；2.是通过光电耦合来判断电路中有没有电压。KQ-330EF的GL端口是专用来零点检测的。接在光电耦合的集电极上，产生一个上升沿或下降沿，与其他电路进行同步。相当于数字芯片里面的使能端。如图4-7所示：图4-7 零点检测电路 载波耦合电路11：该电路的功能有两个，一个是将经过发送电路功率放大后的信号耦合到电力线上；另一个是从电力线上获取有效地载波信号。如图4-8所示：图4-8 载波耦合电路电路通过对以上KQ-330模块的外围电路分析，集成后的KQ-130电力载波模块的电路图如4-9所示：图4-9 KQ-130模块电路图KQ-130引脚7说明：正面从左至右为1-9脚：图4-10 KQ-130模块引脚图 1PAC：220V交流电压的火线（或零线）；2PAC：220V交流电压的零线（或火线）；1P和2P那个是火线，那个是零线没有严格分明，以免在接入不正确的情况下引发不必要的危险。 3P+5V：+5V发送电压通过内部调制可以提供260mA的工作电流，如果单独收传送的数据时，可以悬空来降低功耗和延长模块的使用寿命； 4PGND：输入输出数字电路的接地端； 5P+5V：+5V的工作电源，内部调制可以提供11mA的工作电流； 6PRX：TTL电平信号，载波数据输入端，接单片机的TXD端；7PTX：TTL电平信号，载波数据输出端，接单片机的RXD端，高阻输入不能悬空；6P和7P主要完成单片机和电力载波模块的数据通信。 8PMODE：悬空或接5V高电平是默认模式，接地为低电平可以设置自己需要的模式； 9PNC/RST ：复位脚。毋需此功能，引脚应悬空。4.3 路灯的智能化实现传统的路灯控制采用开关控制，人工送电人工关电。能源浪费严重、管理手段单一（开灯早或开灯晚、关灯早或关灯晚）、信息化水平低下、缺乏故障主动报警机制、故障灯难以发现等一系列问题。 因此在不影响人车行进的情况下，为了改变传统的路灯控制方式可将路灯的照明亮度适度调低。随着电力载波通信技术的不断发展，通过现有的电力线可实现路灯的智能控制，达到节约能源的目的。在电力载波技术中，噪声背景中的信号检测与信号参数或者波形估计对于系统的安全性，稳定性，可靠性具有重要意义，检测问题的一般模型如图4-11所示：图4-11 检测问题的一般模型 为了消除背景噪声以及外来干扰的影响，本论文中采用三阶微分电路来检测电流，通过仿真实验分析，效果明显。下面对路灯电路及电流检测电路的实现进行一个的简单分析：SW1用来简单的演示电路的通断，方便演示电流的有无从而达到检测的目的。图4-11所示，当开关SW1闭合时，P20端口高电平时路灯亮，为低电平时路灯灭。当SW1断开，其通过三阶电流检测电路，单片机将在P21端口检测到低电平，单片机将处理结果通过电力载波送往主控机来显示路灯的状况。智能路灯搭建如图及原理：图4-12和图4-13所示：图4-12 智能控制路灯实现方框图图4-13电流检测电路 路灯的智能控制是由功率变换单元和可变电抗变换器通过调整路灯的供电电压来实现节能。通过路灯自检将自己的状态发给主单片机然后主单片机上显示出来。在此论文设计中，应用从单片机上的按键和从机程序配合使用，来模拟路灯的坏灯情况的。 4.3.1节电效能分析 经过对功率为105w的路灯负载进行功率损耗实验，得到不同电压值下的6h内消耗的功率如图4-13所示：实验表明，当路灯电压为210V时，耗电量为0.575，当路灯电压为230V时，耗电量为0.70。在子夜不影响交通道上的行人和车辆正常行进的情况下，我们可以调整路灯的输入电压可以达到节省电能的目的。若将电压调至175V-185V之间，此时路灯的耗电量为0.39。在凌晨1-5点之间路上行人和车辆较少，在不影响行人和车辆行驶的前提下，适当的降低路灯的输入电压，据上面的路灯功率损耗实验分析可以节省近38%的电能。图4-14 路灯负载功率损耗实验结果如果从路灯开始供电到早上熄灭这段时间内，综合节电率在30%以上（都是以220V电压以及在此电压下消耗的电能为标准比较的）。4.4 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统结构图和电路图 结构图分析：主AT89S52单片机完成对路灯的控制、调压指令的发出和路灯状态的显示，从AT89S52主要完成路灯的状态的检测，调压指令的执行，并将路灯的状态发送到主AT89S52单片机。 图4-15 基于电力载波技术的智能化路灯控制总体结构图 图4-16 基于电力载波技术的智能化路灯控制的电路图4.5 硬件调试问题及其解决 1.元器件失效：我们在硬件调试过程中，就遇到了电容失效的情况，通过我们应用以前学过的元器件知识再结合实际中遇到的问题。所以在安装之前一定要检验元器件，并和设计要求的型号，规格，进行比对。安装之后不要急于安装下一元件，结合相应知识做适当的调试。 2.电源故障：通电之前一定要检查电源电压的幅值与所接电源的正负极性。不然很容易造成集成模块和芯片因一点小失误所造成的损坏。在测试中首先要解决电源问题，看是不是正常供电、电压是不是稳定等。 3.电路仿真：在电路仿真时我们都得到的是理想效果，但在实际应用中，会有各种各样的干扰和噪声，还附加各样的人为因素，实际的硬件调试可能与理想效果偏差很大，这时需要我们冷静的去思考，借助物理示波器，万用表等工具进行检修等。 4.硬件调试：在调试过程中，遇到单个路灯再无主机发送命令是，它会自动无周期闪烁，我对单片机，以及电力载波模块都做了测试，完好无缺。最后利用示波器观察单灯闪烁的波形，一起和同学讨论，反复测试下，是由于电力载波模块的220V电压干扰的原因。 当只有从机模块时，单片机的单灯还会继续无规则的闪烁，经我和同学的反复论证，得出是由于电力载波模块静电的影响造成的。或者将两个载波模块兑换。 5.在硬件调试过程中的干扰策略：我在调制过程中遇到了失控，接受发送乱码的情况，致使最终效果不佳。可以尝试加入带通滤波器或者卡曼滤波解决，如果上述无法实现，可以在每个引脚加入电容，达到抗干扰措施。 第4章 照明控制系统通信协议软件设计 第五章 电力载波通信协议与软件设计 软件编程是和上面的硬件电路图相结合的。在进行编程时，首先要明确通讯协议，通讯方式，以及如何实现通讯，这些都在上面的叙述中有详细介绍。本章主要进行软件编写，流程图编写，以及必要的主函数说明。5.1 KQ-130与单片机的通讯 KQ-130系列模块与单片机1、微机的接口都是一样的，通讯方式也相同，与单片机/微机的串行接口速率都是9600BPS,一个起始位，八个数据位和一个停止位。相同的透明工作模式或自定义工作模式。在四川科强公司官网具有KQ-130的技术参数可以用来参考。5.2 软件流程图的实现软件系统设计在实现路灯智能化控制中是必不可少的，同时对系统的稳定运行很重要。在本论文设计中采用Keil软件进行C语言编程2，程序编程是从从程序流程图、编写程序代码、程序测试，最后下载到硬件中一步一步来完成的。软件设计的任务是从软件需求出发，根据需求确定的程序的功能，到最后的程序流程图，程序代码，模块设计，以及所涉及到的算法做一个详细的编写。同时采用模块化设计思想和养成添加注释的习惯，有助于我们调试程序，检查错误，也有助与其它学者的参考。 主机主要完成对路灯亮、灭进行控制，如图5-1所示。图5-1 主机程序流程图下面一端是主机发送的程序段：init()函数主要完成串口进行初始化，定时器的工作方式的设定以及中断服务等。delay()完成延时任务；Send()为发送函数； Receive()为接收函数；RE() interrupt 4 为中断操作。K1 是控制路灯“亮”状态，当K1有效时，发送数据0x01；K2是控制路灯的“灭”状态，当K2有效时，发送数据0x02； b为从机发来的路灯的状态显示端口，并在数码管上将坏灯显示出来。其余程序说明均在注释中有详细说明。/=主机发送程序=void init() TMOD=0x20; /定时器1 TH1=0xFD; TL1=0xFD; /定时器1的baud rate 9600bit/s TR1=1; /启动定时器1 REN=1; /允许接收 SM0=0; SM1=1; /SMO和SM1完成对串口工作方式的选择，串口方式1 TI=0; /串口发送中断标志位，当为0时，无中断 EA=1; /CPU相应的中断容许 ES=1; /中断容许位或者屏蔽位选择 void delay(int z) /延时函数 int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=125;y0;y-); void Send(unsigned char dat) / 发送函数 ES=0; SBUF=dat; /将待发数据写入发送缓冲器 while(TI=0) /若发送中断没有置1（正在发送），就等待 ; /空操作 TI=0; /用软件将TI清零 ES=1; unsigned char Receive(void) /接收函数 unsigned char dat; while(RI=0) /只要接收中断标志位RI没有被置1 ; /等待，直至接收完毕（RI=1） RI=0; /为了接收下一帧数据，需将RI清0 dat=SBUF; /将接收缓冲器中的数据存于dat return dat; void main() / 主函数 init(); / 函数调用 while(1) if (K1 = 0) Send(0x01)；delay(20); / 当收到数据0x01时， 开灯 if (K2 = 0) Send(0x02); delay(20);