低壓電力線載波在校園節電系統中的應用

周 莉,許文強

(安徽理工大學電氣與信息工程學院, 安徽淮南232001)

低壓電力線載波在校園節電系統中的應用

周 莉,許文強

(安徽理工大學電氣與信息工程學院, 安徽淮南232001)

傳統的通信技術一般采用專門的數據傳輸介質,布線繁瑣而且造成浪費;提出一種基于低壓電力線載波通信技術的校園節電控制系統,介紹了載波通信原理,并且設計了系統的硬件電路和軟件流程;系統選用PL2102作為通信芯片,單片機作為控制芯片,將電力線載波技術應用于校園節電系統,由于不需要鋪設專門的控制線路,不僅節約了成本,也便于控制和管理,因此具有較好的應用前景。

單片機; 電力線載波技術; PL2102

目前許多學校教室照明系統仍在采用傳統的的人工控制方式,難免會出現教室無人燈仍然點亮的現象。這種情況造成了資源的大量浪費,為從根本上杜絕浪費,合理地分配使用資源,提高校園用電管理效率,本文采用低壓電力線作為數據傳輸介質進行數字化通信,以實現對校園燈光的遠程控制和管理。

1 工作原理概述

本文主要設計了主機和終端兩個部分。主機部分包括PC、單片機和電力線載波模塊。主機作為整個控制系統的中心位于控制室內,負責接收終端地址、指令代碼、校驗碼等從終端采集來的數據。主機對接收到的數據進行處理,同時向終端發出相應的指令。終端通過外圍設備和載波通信模塊對燈具的電參數進行處理分析并發送相應數據給主機,同時執行主機發送到終端的指令。系統結構原理如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 系統硬件電路的設計

2.1 主要器件的選擇

該系統采用PL2102作為電力線載波通信芯片,PL2102是能夠在電能質量較差的情況下正常工作的電力線載波通信芯片。該芯片由+5 V電源供電,在主電源掉電的情況下,也可由3 V備用電池供電。該芯片通過外部的接口電路與電力線耦合,使用I2C接口與外部的微處理器連接,PL2102芯片還內置了電壓監測、看門狗定時器、復位電路等5種常用的功能電路。直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術的大量應用以及高標準的制作工藝使得PL2102在環境較為惡劣的情況下能夠穩定工作。

STC89C52是一種8位微控制器,低功耗、高性能的特點使得其得到廣泛的應用。STC89C52能夠滿足系統設計的需要,同時使得電路設計更加簡便。

2.2 電路設計

該系統的核心設計使設計載波收發電路,低壓電力線載波接收電路和發送電路結構如圖2所示。

圖2 載波收發電路結構

載波收發電路連接圖如圖3所示。接收電路部分主要包括:D7是瞬變電壓抑制二極管,預防過大的浪涌電流對電路的損壞。由C15、C16和L2組成的并聯諧振模塊對120 k Hz信號進行選頻,同時可以對輸入的微小信號有放大的作用。發射電路部分主要包括:C14、L1(18μH/200 m A)用于發射電流和波形的調整。同時由于線圈帶載能力的限制,發射電流和波形的改變將改變發射功率和自損。發射功率與發射電壓VHH成正相關關系,由于發射電壓增高直接導致晶體管自身損耗增加,綜合考慮一般選擇發射電壓為10～18 V。

單片機作為微控制器,負責控制電力載波模塊,與載波模塊連接圖如圖4所示。載波模塊PL2102將載波信號解調后輸出,同時HEAD引腳給單片機中斷信號。單片機接收中斷信號后產生中斷,接收RXD_TXD輸出的信號,根據指令執行相應的操作。

圖3 載波電路原理圖

圖4 單片機控制電路

3 軟件設計

3.1 載波部分軟件設計

程序采用C語言編寫。載波通信接收流程如圖5所示,首先程序進入接收中斷,不斷讀取接收到的數據,當接收到同步頭0x09AF時,說明后面的數據都是有效信息,提取有效信息后置位接收完成標志,返回本次中斷。

圖5 載波通信接收流程

載波通信發送流程如圖6所示。程序首先進入發送中斷,先發送40位數字1,再發送同步頭0x09AF,然后發送緩沖區內的有效數據,數據全部發送完后將發送狀態轉變為接收狀態,最后返回本次中斷。

圖6 載波通信發送流程

3.2 上位機程序設計

單片機通過串口與上位機通信,當單片機進入串口中斷程序時,將數據發送給上位機。單片機數據發送程序流程圖如圖7所示。

上位機程序選用Visual Basic 6.0開發。VB支持面向對象的程序設計,設計簡單方便,人機界面友好。VB有多種方法可以實現串口通信,便于上位機與系統的連接。

本系統采用VB提供的通信控件進行上位機程序開發。該控件功能強大,可自行設置串口的狀態及串行通信的信息格式和協議,充分實現上位機與系統之間數據信號的發送與接收。通過此控件,簡單高效地實現了PC機與設備之間的通信。

圖7 單片機數據發送流程圖

4 結束語

本文主要研究了低壓電力線載波在校園照明節電控制系統中的應用。通過設計硬件電路和編寫系統軟件,利用電力線作為信號傳輸介質,很好地實現了對校園照明燈的遠程監控和管理。本文設計的系統既使管理效率得到明顯提高,又使資源得到合理化應用,同時還使校園照明燈的使用時間得到明顯延長,在校園內應用得到了良好的經濟效果。

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TM73

B

1671-4733(2015)06-0015-04

10.3969/j.issn.1671-4733.2015.06.005

2015-11-10

2012年地方高校國家級大學生創新創業訓練計劃項目(項目編號:201210361068)

周莉(1964-),女,安徽淮南人,博士,碩導,研究方向為智能控制技術,電話:13955431228。