基于PLC的智能路燈控制系統(tǒng)的設計電氣自動化專業(yè)

1、 第一章 緒論11.1 引言11.1.1 課題研究背景11.1.2 課題研究的目的及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.1 智能路燈在國外發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2 智能路燈在國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀31.3 本次論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排31.3.1 論文的主要完成的內(nèi)容31.3.2 各章節(jié)安排4第二章 傳感器原理及應用52.1 光學傳感器52.1.1 光電效應簡介52.1.2 光敏電阻52.1.3 光敏電阻傳感器模塊72.2 壓力傳感器92.2.1 壓電效應92.2.2 應變片式壓力傳感器9第三章 通信模塊原理及應用113.1 方案對比113.2 電力線載波通信123.2.1 電力載波通信簡介123.2.2

2、 電力載波通信芯片介紹133.3 與PC間的通信163.3.1 RS-232的簡介163.3.2 MAX232的工作原理簡介17第四章 主控系統(tǒng)的原理及設計194.1 方案對比194.2 具體方案綜述214.2.1 最小系統(tǒng)214.2.2 AD轉換模塊的原理及實際應用224.2.3 單片機外圍電路274.2.4 單片機功能簡介30第五章 系統(tǒng)的總體設計365.1 整體系統(tǒng)的電路設計365.2 整體系統(tǒng)的電路設計說明365.2 整體系統(tǒng)的程序流程圖37第六章 結語39參考文獻40致謝41 第頁基于PLC的智能路燈控制系統(tǒng)的設計摘要 在當前世界經(jīng)濟快速發(fā)展的環(huán)境下，能源作為經(jīng)濟發(fā)展的基礎，得到了越

3、來越廣泛的重視。而照明用電作為使用最廣、數(shù)量最大的一種用電方式，有著很大的調整空間，在中國，照明占到了百分之十三的比例，而其中的大部分用電又是完全多余的。 智能照明技術作為一種可以環(huán)緩解照明用電中過量用電的技術，不但符合綠色環(huán)保的大潮流，對緩解能源緊缺做出貢獻，也提升了路燈控制系統(tǒng)的運行效率，減少了人力物力。而我國的智能路燈控制系統(tǒng)功能單一，發(fā)展尚不完善，其市場尚有上升的空間。 本文基于單片機和PLC電力載波，設計了一套可現(xiàn)場采集運行、遠程監(jiān)測控制的系統(tǒng)，完成了檢測電路、控制電路及通信線路的設計，實現(xiàn)了與遠端監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。關鍵詞：電力載波，單片機，智能路燈 Abstract In the c

4、urrent rapid development of the world economy, energy, as the basis of economic development, has been more and more attention. The electricity for lighting as the most widely used, the number of one of the largest electricity, there is room for adjustment, the Chinese, lighting accounted for thirtee

5、n percent of the proportion, of which most of the power is completely superfluous. As a kind of intelligent lighting technology can alleviate the ring lighting electricity excess electricity technology, not only conforms to the trend of green environmental protection, to alleviate the energy shortag

6、e to make contribution, but also enhance the efficiency of lighting control system, reduce the manpower and materials. But our country's intelligent street lamp control system has a single function, the development is not perfect, and there is still room for improvement in its market. This paper

7、 based on MCU and PLC power line carrier, design a set of field collection operation, remote monitoring and control system, completed the design of control circuit and communication circuit, detection circuit, and the realization of the remote monitoring system of communication.Key word: Power line

8、carrier, single chip microcomputer, intelligent street lamp 第一章 緒論1.1 引言1.1.1 課題研究背景 進入21世紀，伴隨著現(xiàn)代化程度的不斷提高，溫室氣體的排放使得大氣環(huán)境逐漸惡化，地球資源也日益減少，能源問題已儼然成為人類發(fā)展道路上的一大危機，能源問題也因此得到了更多的關注。在促進了社會的發(fā)展的同時，能源的大量使用也使得碳排放量急劇飆升，破壞了生態(tài)，也惡化了環(huán)境，。而地球資源的日益減少也引發(fā)了人們的極大關注，除了找尋新型能源，節(jié)約資源也刻不容緩。 眾所周知，電能作為目前應用最廣泛的能源，不但經(jīng)濟、高效、方便、無污染，并且轉換方

9、便、易于輸送，從而成為生產(chǎn)生活中最為基礎的一種能源，然而，如此方便高效的能源，在使用時的浪費現(xiàn)象卻屢見不鮮。最為常見的就是所謂的長明燈了，因為照明用電單體容量較小，安裝比較分散，粗略看來長明燈似乎并無傷大雅，然而照明用具其實數(shù)量龐大而分布廣泛，隨著城市化現(xiàn)代化腳步的逐漸加快，不論是在規(guī)模上還是在能耗上，長明燈造成的能源浪費都不容小覷。 照明用電在我國的用電情況下所占的比例，已經(jīng)達到了14%，因此減少照明用電的浪費也成為了節(jié)約能源的關鍵。特別在當前寰球能源緊缺的形勢下，不得不說，節(jié)能環(huán)保的問題已經(jīng)不容忽視。在普通路燈控制系統(tǒng)功耗高，效率低等缺陷存在的情況下，照明系統(tǒng)所存在的問題呼之欲出，而耗電量

10、大作為其中最為突出的一個，需要采取措施針對性的解決，因此，對城市路燈的智能控制已然成為了當務之急。1.1.2 課題研究的目的及意義 目前，我國的智能路燈控制的理論尚未完善，大部分城市的路燈仍采取常規(guī)控制，即通過Transformer或Power Distribution Box來控制其開斷，這種控制較為分散，且故障率高、效率很低，相比于常規(guī)控制，智能路燈可以做到統(tǒng)一、系統(tǒng)的控制，更為簡潔方便，但由于一次投資巨大，收效時間過長，因此尚未在國內(nèi)大范圍采用。 在此基礎上，本論文設計了一款由單片機控制的智能控制系統(tǒng)，通過PLC電力線載波通信技術，實現(xiàn)對各路燈的控制和監(jiān)控，在省去人工巡查的工作量及不安全

11、因素的同時，也能高效地管理路燈，并在不同的環(huán)境下調整不同的運行狀態(tài)，從而達到保護環(huán)境的目的。 我國智能路燈領域尚在發(fā)展，而基于電力線載波通信的路燈監(jiān)控系統(tǒng)是一項低成本、高效率的建設工程，旨在節(jié)能、高效的利用電力資源，提高路燈控制的智能水平，該智能路燈系統(tǒng)一方面對經(jīng)濟的發(fā)展和人們?nèi)粘３鲂杏兄浅Ｖ匾淖饔?；另一方面，較老式控制系統(tǒng)而言，無需額外的通訊電纜，有著較低的成本較低和不俗的效率。因此，該系統(tǒng)在國內(nèi)路燈控制市場有著非常明亮的前途。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 智能路燈在國外發(fā)展現(xiàn)狀 在國外，路燈照明的智能控制工作研究起步較早，已經(jīng)普遍利用計算機控制道路照明，如新加坡、法國、西德和瑞士等

12、國，并開發(fā)出不少智能燈具和智能控制與管理系統(tǒng)，如澳大利亞的奇勝、邦奇和德國的ABB照明系統(tǒng)所采用的智能控制技術較為先進，澳大利亞奇勝場景照明控制系統(tǒng)，可以對同一個場所中最多 18 個燈區(qū)（照明回路）供電和調節(jié)亮度，用戶可以調節(jié)和預設每個燈區(qū)的亮度，只需按一下按鍵就可以選擇滿意的照明環(huán)境，澳大利亞邦奇開發(fā)的Dynalite分布式智能照明控制系統(tǒng)是模塊化結構和分布式控制，各種部件各具獨立功能的模塊用一條雙絞數(shù)據(jù)通信總線將它們連接起來組成一個Dynet控制網(wǎng)絡，將控制功能分散給系統(tǒng)中每一個模塊（如：調光模塊、場景切換控制面板、智能探頭），各模塊之間通過網(wǎng)絡總線直接相互通信，當系統(tǒng)中某個模塊出現(xiàn)故障時

13、不會影響其它模塊，可靠性高，ABB智能照明系統(tǒng)采用二芯線控制，用EIB總線將系統(tǒng)中的各個輸入、輸出和系統(tǒng)元件連接起來，大截面的負載線纜從輸出單元的輸出端直接接到照明燈具或其他用電負載上，而無須經(jīng)過智能開關，因此，在國外發(fā)達國家，利用計算機技術進行智能照明管理已經(jīng)十分普遍。1 在國外為了達到照明節(jié)能，大多數(shù)國家都采取了以下措施：1）完善照明功率元件的性能需求，主要還是在鎮(zhèn)流器件技術水平上的提升；2）在環(huán)保照明得到了非常大的推廣，從發(fā)光材料到使用標準都出臺了相應的措施使其標準化，合乎有效管理，大力推動綠色照明至全社會使用。3）建立節(jié)能環(huán)保政策，并將其推廣至人名群眾，使環(huán)保節(jié)能的觀念深入人心，并通過

14、相應的獎勵措施，鼓勵并促進節(jié)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2.2 智能路燈在國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 目前我國已經(jīng)有很多大城市都采用了智能化的路燈控制系統(tǒng)，很多大型的場所、會場的路燈也采用了智能路燈控制系統(tǒng)，但由于智能路燈的一次性投資比較大，所節(jié)省的能源和人力資源效益只能在未來體現(xiàn)出來，所以現(xiàn)在還沒有大規(guī)模推廣應用。智能路燈控制作為一個新興鄰域，現(xiàn)在仍然處于一個發(fā)展上升的階段，尚沒有形成一個完善完整的理論體系。目前我國所采用的的路燈技能方式，大致有以下三種：(1)控時節(jié)能法：即利用控制照明時間來達到節(jié)能目的的一種方法，國內(nèi)該種方法的操作方式有：人工、時控和光控，即：人為的改變照明開關狀態(tài)（根據(jù)時間或照明狀態(tài)）、根據(jù)時

15、間自動調節(jié)照明系統(tǒng)以及按照光照強度來選擇照明的開關狀態(tài)三種方式。(2)光源節(jié)能方法：由于照明材料的不同，產(chǎn)生的能耗也必然是不同的。光源節(jié)能即在光源上做出調整，利用節(jié)能材料達到減少耗電量的目的。但由于國內(nèi)尚未晚上法律法規(guī)，節(jié)能指標尚未統(tǒng)一，且節(jié)能材料的是否經(jīng)濟、是否環(huán)保，尚未達到一個統(tǒng)一的標準，存在的問題還很多。因此，在這方面國內(nèi)還處于一個探索發(fā)展的狀態(tài) (3)降壓節(jié)能法：也就是通過降低路燈電壓，犧牲部分照明效果來達到節(jié)能環(huán)保的目的。目前在國內(nèi)可用的方案有可控硅降壓和自耦變壓器等方法，但仍為完善，存在著這樣那樣的缺陷。如可控硅工作時產(chǎn)生的諧波會影響電網(wǎng)的電壓質量，而自耦變壓器由于其可控性差，工作

16、又不穩(wěn)定，常常達不到智能控制的要求。1.3 本次論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排1.3.1 論文的主要完成的內(nèi)容 智能路燈控制系統(tǒng)通過傳感器自動檢測環(huán)境變化并通過單片機采取相應的動作，并通過通信渠道用PC機遠程控制，使之可廣泛用于市政照明、家居照明等場景。通過控制系統(tǒng)對公共照明設備的監(jiān)控，在加強系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠性的同時，也達到了節(jié)能減排的目的，確保使用方便，管理高效。本次設計主要完成的功能有：一、能夠實時監(jiān)測光照度，并處理采集的數(shù)據(jù)，對不同的照度閾值采用相應的路燈開關動作；二、能夠根據(jù)時間段調節(jié)路燈，后半夜時關閉部分路燈以達到節(jié)能的效果；三、景觀照明采用前半夜全開后半夜全關的方式運行；四、確保能夠檢測

17、過路車輛，在車輛到來之前打開前方路燈；五、為保證事故情況下的路燈控制，需加入手動控制系統(tǒng)，可根據(jù)需要開關路燈；1.3.2 各章節(jié)安排圖1.1 設計原理圖 第一章 緒論，首先介紹了本次設計的研究背景，之后大致介紹了智能路燈的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，最后闡述了本次研究的意義。 第二章 傳感器，首先列舉各類傳感器的工作原理及優(yōu)劣勢，并通過需求分析明確路燈控制中所需檢測的外部環(huán)境變量，明確所需傳感器。 第三章 單片機，首先對于單片機的封裝形式以及管腳功能介紹，其次對于單片機的A/D轉換、中斷、定時/計數(shù)器、串口通信分別進行介紹，最后還需對單片機軟件編譯環(huán)境進行介紹。 第四章 通信模塊，首先列舉比較常

18、用的通信方式，介紹各類通信的工作原理，類比各類通信的優(yōu)劣勢，從而確定PLC電力載波通信技術的優(yōu)勢。 第五章 系統(tǒng)的總體設計，在明確各個模塊功能的基礎上，確定系統(tǒng)的總體構造，分別介紹軟硬件，對其工作原理進行分析，并完成最終系統(tǒng)的調試。第二章 傳感器原理及應用 基于路燈照明的特點，我們需要通過采集周圍光照強度及地面壓力信號，來完成所需的智能路燈控制的功能，因此本章分別對光學傳感器及壓力傳感器進行了詳細的介紹。2.1 光學傳感器2.1.1 光電效應簡介 首先，我們知道每個光子所具有的能量為： E=h;式中，為光波的頻率，h為普朗克常量； 從這方面來看，頻率不一樣的光，具有的能量也不一樣，高頻率對應大

19、的能量。而當光照在某種材質上時，即可視作一串能量為h的光子先后轟擊該材質，光子通過轟擊將能量傳遞給其中的電子，并且一個光子對應一個電子，能量一絲不落的傳遞給電子，電子在獲得能量之后發(fā)生狀態(tài)上的變化，令這種材質改變其導電能力。光電效應即，由于材料本身吸收光子能量，而導致電效應的物理現(xiàn)象。 通常，光電效應可以分為以下三類： 1）外光電效應 也可稱為光電發(fā)射，當一束光照照在某個材質上時，若由于光子的轟擊，電子沒有繼續(xù)留在材質內(nèi)部而是選擇了溢出材質表面，即為該現(xiàn)象。據(jù)此工作的原件有光電信增管等。 2）內(nèi)光電效應 也叫光電導效應，及材質的導電能力根據(jù)光照而變化。光敏電阻等都是由內(nèi)光電效應而工作的，半導材

20、質如硫化鉛、硒化鎘等都會在光照條件下發(fā)生電阻下降的現(xiàn)象。而光敏電阻等元件則是利用了電路中反偏PN結的受光產(chǎn)生載流子的原理。 3）光生伏特效應 光生伏特效應即，通過光照在元件內(nèi)部產(chǎn)生一個電動勢，就是光電效應發(fā)生在阻擋層，光電池等都是基于該原理工作的。而具有光生伏特效應的材料有很多，如氧化亞銅、硒、砷化鎵等。2.1.2 光敏電阻 根據(jù)上文介紹的內(nèi)光電效應，利用半導體元件，我們可以制成光敏電阻。當其受到光照時，一般來說其電阻值會降低，而這種景象我們稱為光導效應，由此可不難推測，光 敏電阻也叫光導管。（1）工作原理 由內(nèi)光電效應可知，當受到光照時，由于光子能量較大，使得電子吸收能量后變?yōu)槟軌驅щ姷臓顟B(tài)

21、，由此產(chǎn)生的空穴及電子作為載流子，降低了材料的電阻率，從而使元件阻值減小。 當給光敏電阻加上一個電壓時，作為一個電阻元件，其中自然有電流流過，當其受到一定波長的關照時，電阻變小使得流過的電流變大，測量其電流就可以實現(xiàn)光電轉換。 光敏電阻作為一個純電阻器件，不存在正負極，如同一般的電阻那樣，既可以放在直流電路中，也可以放在交流電路中。（2）結構構成及其原理 構成光敏電阻的半導體材料主要為金屬碲化物、硒化物等，而在絕緣底上附著薄膜狀光敏導體和梳妝歐姆正負極時，采用噴灑，涂抹，燒定也是非常常見的做法，然后導出接線，同時為了防止受潮干擾靈敏度，選擇安裝在封閉的投光鏡外殼內(nèi)。 光敏電阻的結構如圖2.1所

22、示。薄膜狀半導體物質抹于玻璃板上，而其兩極分別與金屬電極連線，用于拉出引出線以便接入電路。為了不受到周圍介質的干擾，一般會在半導體薄膜上再涂覆漆層，而其成分的選擇應使光敏最適合波長的光線的透射率取到最高。圖2.1 光敏電阻結構原理圖 一般來說，梳狀電極更多的被采用，一是可以提高其靈敏度，其二是能夠改善光譜特性，并且可以做到小巧而穩(wěn)定。（3）光照特性 又稱為光電特性，即光照度（光強度）與光電流兩者的關系，并在圖上表示，可以得到更加直觀的結果。 如圖2.2所示，由圖可知其光電特性非線性，因而，不適合檢測連續(xù)線性的測量，這也是光敏電阻很大的缺陷，在自動控制中它可做光電傳感元件。圖2.2 光敏電阻的光

23、照特性2.1.3 光敏電阻傳感器模塊 由于設計不需要光照強度的定量分析，僅僅對光照度進行定性分析，因此選取一個光照度設定值，將實際測量光照下光敏電阻的分壓與其進行比較，最終得到一個不是0就是1的數(shù)字信號，便于單片機收取與計算，從而將光信號轉換為單片機能讀取的數(shù)字信號。 設計電路圖如圖2.3所示：圖2.3 光敏傳感器模塊原理圖 其中，LM393為雙電壓比較器集成電路， 塊內(nèi)有兩個獨立的電壓比較器，當不計電源腳時，每個電壓比較器有三個腳：反相輸入端Vin-、同相輸入端Vin+以及輸出端Vo。當同向電壓大于反向電壓時，比較器輸出為1；當反向電壓大于同向電壓時，比較器輸出為0；當同向電壓等于反向電壓時

24、，比較器輸出為高電平和低電平的一半，但此時輸出狀態(tài)不確定，可以是高電平，也可以是低電平，完全由芯片的“失調電壓”波動決定，因此一般不作使用。 通過滑動變阻器可設定一個固定的電壓值，用來與光敏電阻上的電壓值相比較，具體值的大小還需要放在實際應用中，根據(jù)實際情況來選擇，可先測定在所需的最小光照度情況下，光敏電阻上的分壓，再以此值作為基準值略微調整，作為滑動變阻器所要調整的電壓值，。因此，該光敏電路所測量的光照度只是一個定性的分析。 當光照強度減弱時，光敏電阻的電阻變的不比以前小，其在線路中的分壓也提高，當超過滑變上的電壓時，LM393的數(shù)字輸出由0變?yōu)?，單片機查詢到信號變化并產(chǎn)生中斷，從而做出相

25、應的控制動作，如合閘路燈繼電器等。 當光照強度增大時，同理，光敏電阻的電阻變的不比以前大，分壓也降低，當?shù)陀诨兩系碾娮鑹簳r，LM393的數(shù)字輸出為0，此時單片機需采取關燈動作。2.2 壓力傳感器2.2.1 壓電效應 自然界中有一部分電介質，會根據(jù)外部施力產(chǎn)生的形變，相應的在其內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，同時，外部也會產(chǎn)生能夠導電的電荷，而隨著外力的消失，該電介質又會回到原本不帶電的狀態(tài)，而其表面產(chǎn)生的電荷極性也會隨著外部作用力方向的改變而改變，此類現(xiàn)象即所謂的壓電效應。正（順）壓電效應即當某些電介質受力形變后內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，不受力時不帶電；與其相反，逆壓電效應即施加極化方向的電廠使得電介質在特定方向

26、上產(chǎn)生力的作用，而未受到電場作用時無應力作用。2.2.2 應變片式壓力傳感器 應力元件與電阻應變片結合而成的傳感器稱為壓力應變片傳感器。當應力元件受力時，其發(fā)生的形變導致了應變片的變化，使得應變片的電阻增大或減?。ǜ鶕?jù)不同的方向），從而可以得到一個電阻的相對變化值RR，由此設計電路將電阻的變化量轉變?yōu)殡妷夯螂娏鞯母淖冎担湍軌蛟诖嘶A上進行直接測量，從而將壓力大小轉換為可讀取的電參量。 若將4個應變片連接為橋式電路，并為橋式電路提供相應的供電電源。在此接法下，四個應變片同時工作，其電阻周圍的環(huán)境問題如溫度等，可互相沖突，即對消了共模的影響。而兩輸出端輸出的電壓隨著力的大小而產(chǎn)生相應的變動，再通

27、過換算即可求出所測的物體質量。通常，電壓與壓力的關系接近線性，這就對我們的計算了方便，找到這兩者間的相互聯(lián)系，就能從電壓值讀取測量的壓力。 橋式電路及其接口如圖2.4所示：圖2.4 應變式力傳感器電路 實際應用中，可與單片機或AD模塊共用供電電路，輸出端接入AD模塊進行AD變換，羅致單片機可接收的數(shù)字信號進行下一步的闡明。由于只進行定性分析，在智能路燈設計中，對測得路面所受壓力具體數(shù)值并不做要求，而是設定一個閾值，當超過閾值時判定有車輛經(jīng)過，單片機控制繼電器開啟前方的路燈。 應變式力傳感器的實物原理圖如圖2.5所示：圖2.5 應變式力傳感器的受力工作原理第三章 通信模塊原理及應用3.1 方案對

28、比 目前較為常用的通信方式為電力載波通信、GPRS無線通訊及光纖通信方式，每種方式都有各自的優(yōu)缺點，在此對這三種方式簡單進行介紹，并根據(jù)需求選擇最優(yōu)通訊方式。 1）GPRS：即通用無線分組系統(tǒng)，是一種在2G和3G間過度的技術，因此也被稱為2.5G，是基于GSM（全球移動通信系統(tǒng)，即2G）開發(fā)出來移動分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)，我們所熟知的手機就是通過這種方式傳輸（現(xiàn)因傳輸速度等問題已較少采用），其速度最高可達到170kbps，完全可滿足一般上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁的要求。相比于GSM，它能快速接入網(wǎng)絡，一般都在幾秒內(nèi)，其始終在線的狀態(tài)使用戶的訪問更加簡便快捷，而按照數(shù)據(jù)包收費的形式，不用長期占據(jù)頻道資源，對于突發(fā)性數(shù)據(jù)

29、的傳輸，是一種非常友好的選擇方案。 圖3.1給出了GPRS與Internet連接原理框圖：圖3.1 GPRS與Internet連接原理框圖 GPRS中斷從客戶處取得數(shù)據(jù)后，處理為分組數(shù)據(jù)并發(fā)送到GSM基站。SGSN（服務支持節(jié)點）將分組數(shù)據(jù)分裝，并通過GPRS骨干網(wǎng)與GGSN（網(wǎng)關支持節(jié)點）開始通信。GGSN對分組數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送至目標網(wǎng)絡，比如Internet。若發(fā)送至另一個GPRS終端，則數(shù)據(jù)通過GPRS骨干網(wǎng)、SGSN、BSS最終發(fā)送至GPRS終端。 2）電力載波：英文縮寫為PLC，即Power line Communication，他的工作方式是通過電力線，在電力線上加載高頻信號波，

30、從而傳輸數(shù)字或者模擬信號，其傳輸速率在幾千千波特率左右。優(yōu)點在于不需重新計劃鋪設通信網(wǎng)絡，現(xiàn)有的電力網(wǎng)即可滿足需求，因此也在供電公司等強電方面得到了較為廣泛的應用。而其缺點是信號損耗大、易受線路符合影響及傳輸距離一般，因此也需要根據(jù)實際需要來選擇。 3）光纖通信：即利用光波，以光纖來通訊的一種方式，其主要元件由光發(fā)射器，光纖，光檢測器等，現(xiàn)今光纖技術已較為成熟，理論上最高傳輸速率為光速，遠遠超過其他通訊方式，而其帶寬也可達到20THz，又因光不受電磁、溫濕度等影響，其信號損耗也是所有通訊方式中最低的，因此傳輸距離也具有不可比擬的優(yōu)勢。但由于其投資大，施工調試難度高，設計復雜等原因，光纖通信還沒

31、有成為通信萬金油。類型優(yōu)點缺點GPRS實施簡單。長期租用信道成本高；通信存在安全隱患；公網(wǎng)繁忙時穩(wěn)定性、實時性和可靠性都差；不能自己管理與維護信道；電力載波高帶寬，免布線，易于安裝，和以太網(wǎng)無縫連接；通信信道不穩(wěn)定，實時性和可靠性差；速率不高；在沒有中繼器的情況下傳輸距離并不遠；光纖數(shù)據(jù)傳輸帶寬高；穩(wěn)定性強；傳輸距離遠；投資較大，施工周期較長；調試復雜，施工難度高；表3.1 通訊方式的對比的對比 三種通信方式的優(yōu)缺點對比如上表所示。綜合經(jīng)濟、距離、可靠性等因素，本次設計中不需要過高的傳輸速率和距離，基于綠色節(jié)能的理念，也不需要過多的資金投入，而施工也可能以簡單為主，而電力載波以其施工方便，費用

32、低廉等優(yōu)勢，均能滿足智能路燈設計的要求，因此本次設計中，采用PLC來完成路燈現(xiàn)場與遠程控制端的通信。3.2 電力線載波通信3.2.1 電力載波通信簡介 電力線載波通信(PLC， Power Line Communication)，是在現(xiàn)有的電力線路上來傳輸信號的，是一種專用于電力網(wǎng)的通信方式，其工作原理簡述為： 電力載波的載體為實際應用的電力線，可以為高壓線路也可為低壓導線，作為一種有線通信的方式，電力載波不需要像其他通訊方式一樣再假設通信通道，也不需要像無線通訊那樣采用復雜繁瑣的接發(fā)設備來傳遞信息。因其無需額外的通訊通道也不占用無線通信的各頻段頻譜，施工方便而費用不高，因此適合在于一些小區(qū)域

33、組成局域網(wǎng)來進行語音或數(shù)據(jù)的傳輸。其發(fā)送端將所需傳送的數(shù)據(jù)或語音調制成高頻信號，在幾十甚至幾百kHz的載波頻率上送至電力線，通過電力線傳輸，而在接收端，又通過電力載波設備篩選接收高頻信號，并進行解調，將信號恢復至原先的語音或數(shù)據(jù)，從而完成數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。圖3.2 電力載波通信硬件結構圖 電力線載波硬件主要由電力線、電力線載波機、耦合裝置構成，如圖3.2所示。其中，結合濾波器JL、高頻電纜HFC、耦合電容器C和線路阻波器GZ組成了偶合設備，高頻通道的組成離不開它們。（1）電力載波機：能夠在發(fā)送端將數(shù)據(jù)轉變?yōu)楦哳l信號，在接收端篩選并將高頻信號轉換為原先的數(shù)據(jù)，即完成調制解調的任務，其性能直接決定

34、PLC的通信質量。（2）線路阻波器GZ：通過電力電流，能夠減少進入變壓器等電網(wǎng)元件的高頻信號，從而降低對高頻信號的損耗。（3）耦合電容C和結合濾波器JL兩者的作用是選擇一定的帶寬，通過PLC高頻載波信號，并且防止高壓工頻電壓進入低壓設備，杜絕安全隱患。（4）輸電線在此既能供應電能，又能傳輸高頻載波信號。 3.2.2 電力載波通信芯片介紹 本次設計采用的PLC芯片為LM1893，作為一款電力載波集成芯片，由美國國家半導體器件公司開發(fā)，屬于半雙工通信芯片，綜合了發(fā)送接收數(shù)據(jù)的能力，可實現(xiàn)與單片機或PC的串口通訊。由于其外界電路簡單的特點，根據(jù)LM1893的電力載波通信系統(tǒng)可以在很多情境下得到應用，

35、如家電整體控制、樓宇間的通信、工業(yè)中的自動控制、醫(yī)院緊急呼叫系統(tǒng)等等。 LM1893主要特性參數(shù)如下表3.2所示：表3.2 LM1893主要特性參數(shù) LM1893綜合了發(fā)送和接收的功能，因而在芯片中也就集成了相互獨立的接收與發(fā)送功能電路。振蕩器、FSK調制器、輸出功率放大器及自動增益控制電路等單元電路組成了發(fā)送電路。而限幅放大器、低通濾波器、解調器、噪聲濾波器及直流嵌位電路等單元電路組成了接收部分。LM1893管腳中，第五號管腳TX/RX用于控制發(fā)送或接收狀態(tài)，為高電平時發(fā)送數(shù)據(jù)，為低電平時接收數(shù)據(jù)。圖3.3 電力線載波發(fā)信電路 電力載波發(fā)信電路如圖3.3所示，其中，LM1893的12腳和17

36、腳分別接51單片機的串行口RXD和TXD，第5腳接單片機的P1.0口，有單片機發(fā)出信號控制其發(fā)送或接收的工作狀態(tài)。而在接收端時，其余接法不變，而將12腳、17腳和5腳通過MAX232轉換電平后，分別接入電腦DB9端口中對應串口輸入、串口輸出以及控制的管腳。 當TX/RX為高電平時，為調制發(fā)送模式。此時，從P17口(DATA IN)接收的數(shù)據(jù)進入FSK調制器，產(chǎn)生控制電流用于啟動振蕩器產(chǎn)生具有一定頻偏的三角波，將三角波整形后得到正弦波輸出，在經(jīng)過功率放大后任耦合線圈耦合至電力線路，這樣就完成了載波信號的發(fā)送。而載波頻率僅由外接的電容C3及電阻R6RP決定，由于芯片外接電路的規(guī)定，在此不做介紹，當

37、C3560pF，R6RP6.65k時，載波中心頻率F0125kHz，其中R6RP最小為5.6k，最大為7.6k。 當TX/RX為低電平時，為接收解調模式。FSK 信號經(jīng)過耦合后送入10腳。 通過片內(nèi)限幅放大器、濾波器后，放大了信號且濾掉了直流和50/100Hz信號，再由鎖相環(huán)電路解調，RC濾波電路濾波，經(jīng)過最后的噪聲濾波和比較器整形后，最終12腳DATA OUT 送出。在此電路中，接于變壓器出口的40V穩(wěn)壓管VD的目的是保護電路，避免由于輸入信號過大而破壞內(nèi)部芯片。3.3 與PC間的通信 由于PC所采用的串口所采用的電平標準為RS-232（±15V），而51單片機、PLC芯片等電路所

38、采用的電平標準為TTL（±5V），因此，在與PC構建通訊通道之前，需要先進行電平轉換。3.3.1 RS-232的簡介 RS-232的全名為“數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術標準”，是一種串口通信異步傳輸標準接口，其中RS是推薦標準的英文縮寫。它在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會聯(lián)合多家廠家共同制定出來，而作為當今應用最為廣泛的通訊接口之一，家喻戶曉的PC上一般都會有兩組RS-232接口，名為COM1和COM2。傳統(tǒng)的RS-232-C（C表示修改次數(shù)）設有25根信號線，采用標準25芯D型插頭座（插座外觀似字母D）DB25，后簡化為9芯D型插座DB

39、9，因DB9較為簡便，如今DB25幾乎已不再使用，而PC上的COM口即為9芯插座DB9，就是RS-232-C接口，用于串口通訊。 RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂的單端通訊，信號源一端接地，另一端傳送信號。由于其發(fā)送電平與接收電平相差不大，僅為2V至3V左右，所以存在著不能抑制共模干擾的問題，再加上雙絞線上的分布電容對信號傳輸產(chǎn)生的影響，當傳送距離達到一定值時，信號受到的干擾會超過允許值，因此RS-232的通訊距離不宜過長，僅適合本地設備之間的通訊，一般用于20米以內(nèi)的短距離通訊。 DB9接口作為最常見的RS232串口通信接口其引腳主要用到2、3、5腳，分別為2號管腳RXD用于接收數(shù)據(jù)，

40、3號管腳TXD用于發(fā)送數(shù)據(jù)，5腳用于連接發(fā)送端和接收端共地。 DB9公頭上方從左至右分別為1到5，下方為6到9，母頭與公頭編號相反，各個管腳定義及功能不變，如圖3.4所示：圖3.4 RS-232公頭與母頭的管腳標號示例 DB9所有引腳定義如下表所示：表3.3 DB9各引腳定義3.3.2 MAX232的工作原理簡介 MAX232芯片由美信公司研發(fā)，是一款專門為市面上常見的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5v單電源供電，可以完成兩路TTL/RS-232電平的轉換。簡單地說，該芯片可以實現(xiàn)RS-232電平與TTL/CMOS電平的互換。 MAX232組成的典型電路如圖3.5所示：圖

41、3.5 MAX232典型電路 在圖10中，1到6腳均接電容，構成了開關電容式電壓變換器電路，構建此電路是為了生成±12V的兩個電源，以滿足RS-232串口電平的需要。而7至14腳共8個腳構成了兩個數(shù)據(jù)轉換通道，通道1和通道2，其中7、8、9、10腳為第二數(shù)據(jù)通道，11、12、13、14腳為第一數(shù)據(jù)通道，兩個通道相互獨立且都能完成電平的轉換。15、16腳為GND與VCC，及芯片的供電電源輸入，在此不做贅述。 進行轉換時，TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數(shù)據(jù)從RT1OUT、RT2OUT送到電腦DB9插頭（T1IN輸入就從 RT1OUT輸出，T2IN輸入就從R

42、T2OUT輸出）；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從RR1IN、RR2IN輸入轉換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出（RR1IN輸入就從 R1OUT輸出， RR2IN輸入就從R2OUT輸出）。第四章 主控系統(tǒng)的原理及設計4.1 方案對比 在實際應用中較多采用的由DSP及單片機等來作為控制系統(tǒng)，下面簡單介紹這兩種控制系統(tǒng)，比較其優(yōu)缺點并對控制系統(tǒng)作出選擇。 1）DSP即數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing），DSP元件的主要功能是利用數(shù)字信號來處理大量且復雜的信息。其采用的是哈佛設計（數(shù)據(jù)空間和地址空間相互獨立），這種結構在執(zhí)行前一條代碼的同時就已經(jīng)對下

43、條代碼開始解碼，因此具有很快的運行速度，并且也可以完成程序空間與數(shù)據(jù)空間的傳輸數(shù)據(jù)。在其工作時，會將采集到的模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號后，對信號進行分析處理。也存在一些DSP芯片會通過硬件來實現(xiàn)一部分信號處理，如FFT、小波分析等，這更加提升了其運算效率。DSP龐大的運算能力和極快的運行速率是其最為人稱道的兩大優(yōu)勢，因此在有大量數(shù)據(jù)分析需求的場合，非常適合DSP的應用。 其實物圖如下：圖4.1 DSP芯片實物圖 2）單片機作為最早普及的MCU，在早期的工業(yè)控制等方面得到了非常多的應用，所謂的單片即采用一塊芯片，僅在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、時鐘、定時/計數(shù)

44、器、串行和并行I/O口等一眾功能，并可依靠外部電路完成電路控制、檢測、數(shù)模轉換、報警等信號處理功能，這就是所謂的單片機。而單片機漫長的發(fā)展過程也使其擁有了完整的開發(fā)環(huán)境，完備的開發(fā)工具，可供查閱的資料也流傳較廣，其低廉的價格也是應用廣泛的原因之一。單片機與DSP最大的區(qū)別就在于，單片機的程序數(shù)據(jù)存儲器并沒有分開，屬于馮諾依曼結構，在運算速度上（尤其是乘法）要低于DSP。 其實物圖如圖4.2所示：圖4.2 AT89C51單片機實物圖 綜合單片機與DSP的優(yōu)缺點，根據(jù)本次設計所需的要求，檢測與控制智能路燈并不需要特別快的數(shù)據(jù)處理速度，也沒有過于復雜的數(shù)據(jù)要進行處理，處于經(jīng)濟性及應用環(huán)境的考慮，單片

45、機由于其設計的簡單方便，更強的抗干擾性，更好的穩(wěn)定性，更高的性價比，更加適合智能路燈控制系統(tǒng)。因此，在本次設計中，選取了AT89C51單片機來設計智能路燈的現(xiàn)場信號采集處理的主控單元。4.2 具體方案綜述4.2.1 51單片機最小系統(tǒng) 51單片機最小系統(tǒng)，就是使單片機正常運行的最低配置，它由一系列模塊組成，其電路圖如圖4.3所示，主要由以下幾個部分構成： 1）復位系統(tǒng)：當RST管腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，單片機復位，程序從開始位置運行。復位有上電復位和手動復位：上電復位即當上電時，那一瞬間，由于電容電壓不能突變，RST腳電位與VCC相同，而隨著電容上的充電電流減小RST電位逐漸降低至低

46、電平，復位結束；而手動復位則是當按下按鈕后，RST腳被手動置位高電平，使單片機復位。 2)時鐘系統(tǒng)：51單片機沒有內(nèi)部振蕩電路，因此也需要外部供應時鐘信號，XTAL2、XTAL1分別為片內(nèi)振蕩電路輸入端與輸出端。當使用外部晶振時，振蕩電路產(chǎn)生的頻率即為晶振頻率，其管腳接法如圖4-1所示。而當XTAL2腳接地時，時鐘信號由XTAL1可單獨輸入外部提供的時鐘信號，如方波信號等。 3)電源系統(tǒng)：VCC，和 GND引腳，供電電壓45.5V，TTL電平，由于軟件中忽略了電源引腳，在圖中并未標示電源及接地，在實際應用中單片機應接這兩個引腳，否則就無法工作。 4）程序的燒入引腳：MCS-51單片機，擁有IS

47、P功能，即In-System Programming，能夠通過TXD、RXD異步串口來給flash儲存器燒錄或者擦除程序，同時也可以做到在線調試。由于沒有具體連接的硬件，因此在圖4.1中并未畫出，可以看到需要接的管腳為P3.0和P3.1，在此不做贅述。圖4.3 51單片機最小系統(tǒng)4.2.2 AD轉換模塊的原理及實際應用1) AD轉換器的簡介 AD轉換的AD是Analog-to-Digital的縮寫，意即模擬信號到數(shù)字信號的轉換，也可稱為模/數(shù)轉換，模擬信號可以為電壓，也可以為電流，轉換為數(shù)字信號后即可讓計算機、各類芯片、或是儀表來對該信號進行加工處理。一個完整的A/D轉換過程，不但包括取樣功能

48、，同時需要為信號的保持、數(shù)據(jù)的衡量以及編碼設計相應的電路。而所謂的ADC，即Analog-to-Digital Converter，不難理解它就是AD轉換的器件，它分為很多種，不同的A/D轉換器有著各自的優(yōu)劣勢。 AD轉換器按照其工作原理可分為兩類：直接型和間接型。不難想到，直接AD轉換器，就是直接的轉換Analog-to-Digital，其中包括了逐次比較型和并聯(lián)比較型。而從制作工藝以及轉換的速度分辨率上來看，逐次逼近型AD轉換器都具有相當明顯的優(yōu)勢，因此這類芯片引用的較多。換個角度看，間接AD轉換器在轉換的過程中有一個中間量，比如電壓/脈寬轉換型、電壓/時間轉換型等等。不僅如此，很多轉換芯

49、片甚至整合了基準電壓、開關、時鐘等，遠遠超出了原本ADC的定義，簡化了我們的使用環(huán)境。 在通訊、測量、分析等計算機所經(jīng)歷的環(huán)節(jié)中，ADC起到了非常重要的作用，不但為模擬信號的處理提供了一條道路，同時也簡化了硬件部分的設計。2) 常用AD轉換器原理及特點 a）積分型： 積分型AD轉換器在工作時，對應輸入的電壓電流，它會將其轉變?yōu)橄鄳念l率、時間，通過定時計數(shù)器的分析，得到數(shù)字量。這樣的優(yōu)缺點也較明顯，即分辨率高，且電路不復雜，但是轉換需要積分時間，從而速率不高。在AD轉換器研究早期，采用積分型較多，而現(xiàn)在使用的不多。 b）逐次比較型： 逐次比較型AD轉換器，顧名思義即需要通過一個比較器，對輸入量

50、進行多次邏輯比較，從某一位開始，按照順序逐個將輸入電壓與內(nèi)置DA轉換器輸出進行比較，最終經(jīng)k次比較而得到數(shù)字量。功耗不高、速度也較快是其較為明顯的優(yōu)點，而當分辨率降下來時，其價格也較為實惠，因此得到了比較多的采用。 c）并行比較型： 相比于逐次比較型，并行比較型同樣采用了多個比較器，但不進行多次比較，一次即可完成轉換，其速率非?？?，因此又稱為flash型，但由于所需比較器較多，規(guī)模也略顯龐大，價格較高，因此應用不是廣泛，僅僅適用于速度要求較高的場景。 d）-(Sigma-delta)調制型： DA轉換器、數(shù)字濾波器、積分器、比較器等組成了-型AD。原理上與積分型相似，將輸入電壓變換為時間(脈沖

51、寬度)信號，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。 e）電容數(shù)組逐次比較型： 相比逐次比較型AD，通過電容矩陣，取代電阻數(shù)組，避免了所需電阻數(shù)組中電阻值一致的麻煩，不再需要高精度的電阻，從而降低了高精度單片AD轉換器的成本。因此，最新的逐次比較性AD以電容數(shù)組居多。 f）壓頻變換型（如AD650）： 從工作原理上來說，壓頻變換型屬于間接型，其工作方式是，中間量為頻率，即模擬信號頻率數(shù)字信號。如果拋開一切影響因素，只要采樣時間達到累計脈沖總寬度，我們就可以說其分辨率是沒有上限的。由此可見，其最大的優(yōu)勢在于分辨率高，而其相對較低的功

52、耗和價格也使其備受好評，而其缺陷就在于需要定時/計數(shù)器，無法獨立完成AD轉換。3) HX711 A/D轉換器芯片原理及應用 HX711服務于高精度的壓力傳感器，其精度為24位。相比于其他芯片，HX711有穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘等外圍電路集成在芯片內(nèi)，優(yōu)勢明顯，不但有很高的集成度，也有著不低的反應速度和抗干擾性。 HX711的SOP-16L 封裝管腳圖如圖4.4所示：圖4.4 HX711 封裝管腳圖 HX711應用的典型方案如圖4.5所示，該方案將XI置0，即選取內(nèi)部時鐘振蕩，RATE口接低電平即將輸出速率選為10Hz。為了方便起見，電源選擇與單片機共用。壓力傳感器的模擬電源從AVDD口獲得，芯片穩(wěn)

53、壓電源通過R14和R16及三極管產(chǎn)生低噪聲模擬電源，在AVDD口輸出，供壓力傳感器使用。通道A 與傳感器輸出信號端相連，通道B不做連接。芯片輸出口及控制口DOUT、PD_SCK分別連接單片機的其中一個端口中的一位，如P0.2、P0.1。圖4.5 HX711應用典型方案圖 TX711與串口有關的管腳為DOUT、PD_SCK，其中，DOUT用來輸出串口數(shù)據(jù)，而PD_SCK用于選擇輸入通道和增益。當未開始輸出數(shù)據(jù)時，DOUT為高電平，PD_SCK為低電平。當開始傳輸數(shù)據(jù)時，DOUT從高電平變?yōu)榈碗娖?，PD_SCK此時會輸入25到27個時鐘脈沖，從第一個脈沖開始讀取數(shù)據(jù)，第24個脈沖讀取最后一個數(shù)據(jù)，

54、之后的脈沖作為一個選擇信號，用于設置下一次轉換的通道及增益。具體選擇方式及數(shù)據(jù)輸出時的脈沖信號的時序圖如下所示：表4.1 PD_SCK選擇方式圖4.6 數(shù)據(jù)輸出時的脈沖信號的時序圖 在本次設計中，HX711的DOUT口連接至51的P0.2腳，PD_SCK口連接至51的P0.1腳，不考慮主程序的情況下，單片機讀取HX711的A/D轉換信號的C語言程序如下，實際應用中還需根據(jù)具體情況做出調整。sbit DOUT=P02; sbit PD_SCK=P01; unsigned long ReadCount(void) unsigned long Count; unsigned char i; PD_S

55、CK=0; /使能信號PD_SCK 置低 Count=0; while(DOUT); /AD轉換未結束則等待，否則開始讀取 for (i=0;i<24;i+) PD_SCK=1; /PD_SCK 置高（發(fā)送脈沖） Count=Count<<1; /下降沿來時變量Count左移一位，右側補零 PD_SCK=0; /PD_SCK 置低 if(DOUT) Count+; PD_SCK=1; Count=Count0x800000; /第25個脈沖下降沿來時，轉換數(shù)據(jù) PD_SCK=0; return(Count);4.2.3 單片機外圍電路 本次設計中，單片機所要完成的功能除了收集

56、傳感器數(shù)據(jù)，還需通過電力載波芯片向遠程控制端發(fā)送數(shù)據(jù)，并自行處理數(shù)據(jù)從而控制繼電器達到開關路燈的效果，因此51單片機的外圍電路除了傳感器，載波芯片，還應有最終控制路燈的繼電器。 圖2和圖3分別為電力載波芯片與傳感器模塊與單片機的連接電路圖，由于在第二章和第三章已經(jīng)對其進行了詳細介紹，在此不做贅述。圖4.7 單片機外接PLC芯片圖4.8 單片機外接壓敏傳感電路與光敏傳感電路 繼電器作為一種控制元件，專門用于控制電路的開關狀態(tài)。簡單的說，當其接收到的輸入量達到一定值時，能夠改變其控制的開關的狀態(tài)，具有隔離功能，不但可以保證低電壓側電路的安全性，又可以傳遞不同電路之間的信號，起到自動控制的作用。其工作原理即利用了控制回路產(chǎn)生的電磁效應，其電磁力吸引銜鐵克服彈簧的彈力（或拉力）拉向另一側與鐵片接觸，從而導通其控制回路，繼電器的實物圖及原理圖如