基于PLC的智能路灯控制系统的设计电气自动化专业

1、 第一章 绪论11.1 引言11.1.1 课题研究背景11.1.2 课题研究的目的及意义11.2 国内外发展现状21.2.1 智能路灯在国外发展现状21.2.2 智能路灯在国内发展现状31.3 本次论文的主要内容及章节安排31.3.1 论文的主要完成的内容31.3.2 各章节安排4第二章 传感器原理及应用52.1 光学传感器52.1.1 光电效应简介52.1.2 光敏电阻52.1.3 光敏电阻传感器模块72.2 压力传感器92.2.1 压电效应92.2.2 应变片式压力传感器9第三章 通信模块原理及应用113.1 方案对比113.2 电力线载波通信123.2.1 电力载波通信简介123.2.2

2、 电力载波通信芯片介绍133.3 与PC间的通信163.3.1 RS-232的简介163.3.2 MAX232的工作原理简介17第四章 主控系统的原理及设计194.1 方案对比194.2 具体方案综述214.2.1 最小系统214.2.2 AD转换模块的原理及实际应用224.2.3 单片机外围电路274.2.4 单片机功能简介30第五章 系统的总体设计365.1 整体系统的电路设计365.2 整体系统的电路设计说明365.2 整体系统的程序流程图37第六章 结语39参考文献40致谢41 第页基于PLC的智能路灯控制系统的设计摘要 在当前世界经济快速发展的环境下，能源作为经济发展的基础，得到了越

3、来越广泛的重视。而照明用电作为使用最广、数量最大的一种用电方式，有着很大的调整空间，在中国，照明占到了百分之十三的比例，而其中的大部分用电又是完全多余的。 智能照明技术作为一种可以环缓解照明用电中过量用电的技术，不但符合绿色环保的大潮流，对缓解能源紧缺做出贡献，也提升了路灯控制系统的运行效率，减少了人力物力。而我国的智能路灯控制系统功能单一，发展尚不完善，其市场尚有上升的空间。 本文基于单片机和PLC电力载波，设计了一套可现场采集运行、远程监测控制的系统，完成了检测电路、控制电路及通信线路的设计，实现了与远端监控系统的通讯。关键词：电力载波，单片机，智能路灯 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 绪论1.1 引言1.1.1 课题研究背景 进入21世纪，伴随着现代化程度的不断提高，温室气体的排放使得大气环境逐渐恶化，地球资源也日益减少，能源问题已俨然成为人类发展道路上的一大危机，能源问题也因此得到了更多的关注。在促进了社会的发展的同时，能源的大量使用也使得碳排放量急剧飙升，破坏了生态，也恶化了环境，。而地球资源的日益减少也引发了人们的极大关注，除了找寻新型能源，节约资源也刻不容缓。 众所周知，电能作为目前应用最广泛的能源，不但经济、高效、方便、无污染，并且转换方

9、便、易于输送，从而成为生产生活中最为基础的一种能源，然而，如此方便高效的能源，在使用时的浪费现象却屡见不鲜。最为常见的就是所谓的长明灯了，因为照明用电单体容量较小，安装比较分散，粗略看来长明灯似乎并无伤大雅，然而照明用具其实数量庞大而分布广泛，随着城市化现代化脚步的逐渐加快，不论是在规模上还是在能耗上，长明灯造成的能源浪费都不容小觑。 照明用电在我国的用电情况下所占的比例，已经达到了14%，因此减少照明用电的浪费也成为了节约能源的关键。特别在当前寰球能源紧缺的形势下，不得不说，节能环保的问题已经不容忽视。在普通路灯控制系统功耗高，效率低等缺陷存在的情况下，照明系统所存在的问题呼之欲出，而耗电量

10、大作为其中最为突出的一个，需要采取措施针对性的解决，因此，对城市路灯的智能控制已然成为了当务之急。1.1.2 课题研究的目的及意义 目前，我国的智能路灯控制的理论尚未完善，大部分城市的路灯仍采取常规控制，即通过Transformer或Power Distribution Box来控制其开断，这种控制较为分散，且故障率高、效率很低，相比于常规控制，智能路灯可以做到统一、系统的控制，更为简洁方便，但由于一次投资巨大，收效时间过长，因此尚未在国内大范围采用。 在此基础上，本论文设计了一款由单片机控制的智能控制系统，通过PLC电力线载波通信技术，实现对各路灯的控制和监控，在省去人工巡查的工作量及不安全

11、因素的同时，也能高效地管理路灯，并在不同的环境下调整不同的运行状态，从而达到保护环境的目的。 我国智能路灯领域尚在发展，而基于电力线载波通信的路灯监控系统是一项低成本、高效率的建设工程，旨在节能、高效的利用电力资源，提高路灯控制的智能水平，该智能路灯系统一方面对经济的发展和人们日常出行有着非常重要的作用；另一方面，较老式控制系统而言，无需额外的通讯电缆，有着较低的成本较低和不俗的效率。因此，该系统在国内路灯控制市场有着非常明亮的前途。1.2 国内外发展现状1.2.1 智能路灯在国外发展现状 在国外，路灯照明的智能控制工作研究起步较早，已经普遍利用计算机控制道路照明，如新加坡、法国、西德和瑞士等

12、国，并开发出不少智能灯具和智能控制与管理系统，如澳大利亚的奇胜、邦奇和德国的ABB照明系统所采用的智能控制技术较为先进，澳大利亚奇胜场景照明控制系统，可以对同一个场所中最多 18 个灯区（照明回路）供电和调节亮度，用户可以调节和预设每个灯区的亮度，只需按一下按键就可以选择满意的照明环境，澳大利亚邦奇开发的Dynalite分布式智能照明控制系统是模块化结构和分布式控制，各种部件各具独立功能的模块用一条双绞数据通信总线将它们连接起来组成一个Dynet控制网络，将控制功能分散给系统中每一个模块（如：调光模块、场景切换控制面板、智能探头），各模块之间通过网络总线直接相互通信，当系统中某个模块出现故障时

13、不会影响其它模块，可靠性高，ABB智能照明系统采用二芯线控制，用EIB总线将系统中的各个输入、输出和系统元件连接起来，大截面的负载线缆从输出单元的输出端直接接到照明灯具或其他用电负载上，而无须经过智能开关，因此，在国外发达国家，利用计算机技术进行智能照明管理已经十分普遍。1 在国外为了达到照明节能，大多数国家都采取了以下措施：1）完善照明功率元件的性能需求，主要还是在镇流器件技术水平上的提升；2）在环保照明得到了非常大的推广，从发光材料到使用标准都出台了相应的措施使其标准化，合乎有效管理，大力推动绿色照明至全社会使用。3）建立节能环保政策，并将其推广至人名群众，使环保节能的观念深入人心，并通过

14、相应的奖励措施，鼓励并促进节能产业的发展。1.2.2 智能路灯在国内发展现状 目前我国已经有很多大城市都采用了智能化的路灯控制系统，很多大型的场所、会场的路灯也采用了智能路灯控制系统，但由于智能路灯的一次性投资比较大，所节省的能源和人力资源效益只能在未来体现出来，所以现在还没有大规模推广应用。智能路灯控制作为一个新兴邻域，现在仍然处于一个发展上升的阶段，尚没有形成一个完善完整的理论体系。目前我国所采用的的路灯技能方式，大致有以下三种：(1)控时节能法：即利用控制照明时间来达到节能目的的一种方法，国内该种方法的操作方式有：人工、时控和光控，即：人为的改变照明开关状态（根据时间或照明状态）、根据时

15、间自动调节照明系统以及按照光照强度来选择照明的开关状态三种方式。(2)光源节能方法：由于照明材料的不同，产生的能耗也必然是不同的。光源节能即在光源上做出调整，利用节能材料达到减少耗电量的目的。但由于国内尚未晚上法律法规，节能指标尚未统一，且节能材料的是否经济、是否环保，尚未达到一个统一的标准，存在的问题还很多。因此，在这方面国内还处于一个探索发展的状态 (3)降压节能法：也就是通过降低路灯电压，牺牲部分照明效果来达到节能环保的目的。目前在国内可用的方案有可控硅降压和自耦变压器等方法，但仍为完善，存在着这样那样的缺陷。如可控硅工作时产生的谐波会影响电网的电压质量，而自耦变压器由于其可控性差，工作

16、又不稳定，常常达不到智能控制的要求。1.3 本次论文的主要内容及章节安排1.3.1 论文的主要完成的内容 智能路灯控制系统通过传感器自动检测环境变化并通过单片机采取相应的动作，并通过通信渠道用PC机远程控制，使之可广泛用于市政照明、家居照明等场景。通过控制系统对公共照明设备的监控，在加强系统运行稳定可靠性的同时，也达到了节能减排的目的，确保使用方便，管理高效。本次设计主要完成的功能有：一、能够实时监测光照度，并处理采集的数据，对不同的照度阈值采用相应的路灯开关动作；二、能够根据时间段调节路灯，后半夜时关闭部分路灯以达到节能的效果；三、景观照明采用前半夜全开后半夜全关的方式运行；四、确保能够检测

17、过路车辆，在车辆到来之前打开前方路灯；五、为保证事故情况下的路灯控制，需加入手动控制系统，可根据需要开关路灯；1.3.2 各章节安排图1.1 设计原理图 第一章 绪论，首先介绍了本次设计的研究背景，之后大致介绍了智能路灯的国内外研究现状及发展趋势，最后阐述了本次研究的意义。 第二章 传感器，首先列举各类传感器的工作原理及优劣势，并通过需求分析明确路灯控制中所需检测的外部环境变量，明确所需传感器。 第三章 单片机，首先对于单片机的封装形式以及管脚功能介绍，其次对于单片机的A/D转换、中断、定时/计数器、串口通信分别进行介绍，最后还需对单片机软件编译环境进行介绍。 第四章 通信模块，首先列举比较常

18、用的通信方式，介绍各类通信的工作原理，类比各类通信的优劣势，从而确定PLC电力载波通信技术的优势。 第五章 系统的总体设计，在明确各个模块功能的基础上，确定系统的总体构造，分别介绍软硬件，对其工作原理进行分析，并完成最终系统的调试。第二章 传感器原理及应用 基于路灯照明的特点，我们需要通过采集周围光照强度及地面压力信号，来完成所需的智能路灯控制的功能，因此本章分别对光学传感器及压力传感器进行了详细的介绍。2.1 光学传感器2.1.1 光电效应简介 首先，我们知道每个光子所具有的能量为： E=h;式中，为光波的频率，h为普朗克常量； 从这方面来看，频率不一样的光，具有的能量也不一样，高频率对应大

19、的能量。而当光照在某种材质上时，即可视作一串能量为h的光子先后轰击该材质，光子通过轰击将能量传递给其中的电子，并且一个光子对应一个电子，能量一丝不落的传递给电子，电子在获得能量之后发生状态上的变化，令这种材质改变其导电能力。光电效应即，由于材料本身吸收光子能量，而导致电效应的物理现象。 通常，光电效应可以分为以下三类： 1）外光电效应 也可称为光电发射，当一束光照照在某个材质上时，若由于光子的轰击，电子没有继续留在材质内部而是选择了溢出材质表面，即为该现象。据此工作的原件有光电信增管等。 2）内光电效应 也叫光电导效应，及材质的导电能力根据光照而变化。光敏电阻等都是由内光电效应而工作的，半导材

20、质如硫化铅、硒化镉等都会在光照条件下发生电阻下降的现象。而光敏电阻等元件则是利用了电路中反偏PN结的受光产生载流子的原理。 3）光生伏特效应 光生伏特效应即，通过光照在元件内部产生一个电动势，就是光电效应发生在阻挡层，光电池等都是基于该原理工作的。而具有光生伏特效应的材料有很多，如氧化亚铜、硒、砷化镓等。2.1.2 光敏电阻 根据上文介绍的内光电效应，利用半导体元件，我们可以制成光敏电阻。当其受到光照时，一般来说其电阻值会降低，而这种景象我们称为光导效应，由此可不难推测，光 敏电阻也叫光导管。（1）工作原理 由内光电效应可知，当受到光照时，由于光子能量较大，使得电子吸收能量后变为能够导电的状态

21、，由此产生的空穴及电子作为载流子，降低了材料的电阻率，从而使元件阻值减小。 当给光敏电阻加上一个电压时，作为一个电阻元件，其中自然有电流流过，当其受到一定波长的关照时，电阻变小使得流过的电流变大，测量其电流就可以实现光电转换。 光敏电阻作为一个纯电阻器件，不存在正负极，如同一般的电阻那样，既可以放在直流电路中，也可以放在交流电路中。（2）结构构成及其原理 构成光敏电阻的半导体材料主要为金属碲化物、硒化物等，而在绝缘底上附着薄膜状光敏导体和梳妆欧姆正负极时，采用喷洒，涂抹，烧定也是非常常见的做法，然后导出接线，同时为了防止受潮干扰灵敏度，选择安装在封闭的投光镜外壳内。 光敏电阻的结构如图2.1所

22、示。薄膜状半导体物质抹于玻璃板上，而其两极分别与金属电极连线，用于拉出引出线以便接入电路。为了不受到周围介质的干扰，一般会在半导体薄膜上再涂覆漆层，而其成分的选择应使光敏最适合波长的光线的透射率取到最高。图2.1 光敏电阻结构原理图 一般来说，梳状电极更多的被采用，一是可以提高其灵敏度，其二是能够改善光谱特性，并且可以做到小巧而稳定。（3）光照特性 又称为光电特性，即光照度（光强度）与光电流两者的关系，并在图上表示，可以得到更加直观的结果。 如图2.2所示，由图可知其光电特性非线性，因而，不适合检测连续线性的测量，这也是光敏电阻很大的缺陷，在自动控制中它可做光电传感元件。图2.2 光敏电阻的光

23、照特性2.1.3 光敏电阻传感器模块 由于设计不需要光照强度的定量分析，仅仅对光照度进行定性分析，因此选取一个光照度设定值，将实际测量光照下光敏电阻的分压与其进行比较，最终得到一个不是0就是1的数字信号，便于单片机收取与计算，从而将光信号转换为单片机能读取的数字信号。 设计电路图如图2.3所示：图2.3 光敏传感器模块原理图 其中，LM393为双电压比较器集成电路， 块内有两个独立的电压比较器，当不计电源脚时，每个电压比较器有三个脚：反相输入端Vin-、同相输入端Vin+以及输出端Vo。当同向电压大于反向电压时，比较器输出为1；当反向电压大于同向电压时，比较器输出为0；当同向电压等于反向电压时

24、，比较器输出为高电平和低电平的一半，但此时输出状态不确定，可以是高电平，也可以是低电平，完全由芯片的“失调电压”波动决定，因此一般不作使用。 通过滑动变阻器可设定一个固定的电压值，用来与光敏电阻上的电压值相比较，具体值的大小还需要放在实际应用中，根据实际情况来选择，可先测定在所需的最小光照度情况下，光敏电阻上的分压，再以此值作为基准值略微调整，作为滑动变阻器所要调整的电压值，。因此，该光敏电路所测量的光照度只是一个定性的分析。 当光照强度减弱时，光敏电阻的电阻变的不比以前小，其在线路中的分压也提高，当超过滑变上的电压时，LM393的数字输出由0变为1，单片机查询到信号变化并产生中断，从而做出相

25、应的控制动作，如合闸路灯继电器等。 当光照强度增大时，同理，光敏电阻的电阻变的不比以前大，分压也降低，当低于滑变上的电阻压时，LM393的数字输出为0，此时单片机需采取关灯动作。2.2 压力传感器2.2.1 压电效应 自然界中有一部分电介质，会根据外部施力产生的形变，相应的在其内部发生极化现象，同时，外部也会产生能够导电的电荷，而随着外力的消失，该电介质又会回到原本不带电的状态，而其表面产生的电荷极性也会随着外部作用力方向的改变而改变，此类现象即所谓的压电效应。正（顺）压电效应即当某些电介质受力形变后内部产生极化现象，不受力时不带电；与其相反，逆压电效应即施加极化方向的电厂使得电介质在特定方向

26、上产生力的作用，而未受到电场作用时无应力作用。2.2.2 应变片式压力传感器 应力元件与电阻应变片结合而成的传感器称为压力应变片传感器。当应力元件受力时，其发生的形变导致了应变片的变化，使得应变片的电阻增大或减小（根据不同的方向），从而可以得到一个电阻的相对变化值RR，由此设计电路将电阻的变化量转变为电压或电流的改变值，就能够在此基础上进行直接测量，从而将压力大小转换为可读取的电参量。 若将4个应变片连接为桥式电路，并为桥式电路提供相应的供电电源。在此接法下，四个应变片同时工作，其电阻周围的环境问题如温度等，可互相冲突，即对消了共模的影响。而两输出端输出的电压随着力的大小而产生相应的变动，再通

27、过换算即可求出所测的物体质量。通常，电压与压力的关系接近线性，这就对我们的计算了方便，找到这两者间的相互联系，就能从电压值读取测量的压力。 桥式电路及其接口如图2.4所示：图2.4 应变式力传感器电路 实际应用中，可与单片机或AD模块共用供电电路，输出端接入AD模块进行AD变换，罗致单片机可接收的数字信号进行下一步的阐明。由于只进行定性分析，在智能路灯设计中，对测得路面所受压力具体数值并不做要求，而是设定一个阈值，当超过阈值时判定有车辆经过，单片机控制继电器开启前方的路灯。 应变式力传感器的实物原理图如图2.5所示：图2.5 应变式力传感器的受力工作原理第三章 通信模块原理及应用3.1 方案对

28、比 目前较为常用的通信方式为电力载波通信、GPRS无线通讯及光纤通信方式，每种方式都有各自的优缺点，在此对这三种方式简单进行介绍，并根据需求选择最优通讯方式。 1）GPRS：即通用无线分组系统，是一种在2G和3G间过度的技术，因此也被称为2.5G，是基于GSM（全球移动通信系统，即2G）开发出来移动分组数据系统，我们所熟知的手机就是通过这种方式传输（现因传输速度等问题已较少采用），其速度最高可达到170kbps，完全可满足一般上网浏览网页的要求。相比于GSM，它能快速接入网络，一般都在几秒内，其始终在线的状态使用户的访问更加简便快捷，而按照数据包收费的形式，不用长期占据频道资源，对于突发性数据

29、的传输，是一种非常友好的选择方案。 图3.1给出了GPRS与Internet连接原理框图：图3.1 GPRS与Internet连接原理框图 GPRS中断从客户处取得数据后，处理为分组数据并发送到GSM基站。SGSN（服务支持节点）将分组数据分装，并通过GPRS骨干网与GGSN（网关支持节点）开始通信。GGSN对分组数据进行处理后发送至目标网络，比如Internet。若发送至另一个GPRS终端，则数据通过GPRS骨干网、SGSN、BSS最终发送至GPRS终端。 2）电力载波：英文缩写为PLC，即Power line Communication，他的工作方式是通过电力线，在电力线上加载高频信号波，

30、从而传输数字或者模拟信号，其传输速率在几千千波特率左右。优点在于不需重新计划铺设通信网络，现有的电力网即可满足需求，因此也在供电公司等强电方面得到了较为广泛的应用。而其缺点是信号损耗大、易受线路符合影响及传输距离一般，因此也需要根据实际需要来选择。 3）光纤通信：即利用光波，以光纤来通讯的一种方式，其主要元件由光发射器，光纤，光检测器等，现今光纤技术已较为成熟，理论上最高传输速率为光速，远远超过其他通讯方式，而其带宽也可达到20THz，又因光不受电磁、温湿度等影响，其信号损耗也是所有通讯方式中最低的，因此传输距离也具有不可比拟的优势。但由于其投资大，施工调试难度高，设计复杂等原因，光纤通信还没

31、有成为通信万金油。类型优点缺点GPRS实施简单。长期租用信道成本高；通信存在安全隐患；公网繁忙时稳定性、实时性和可靠性都差；不能自己管理与维护信道；电力载波高带宽，免布线，易于安装，和以太网无缝连接；通信信道不稳定，实时性和可靠性差；速率不高；在没有中继器的情况下传输距离并不远；光纤数据传输带宽高；稳定性强；传输距离远；投资较大，施工周期较长；调试复杂，施工难度高；表3.1 通讯方式的对比的对比 三种通信方式的优缺点对比如上表所示。综合经济、距离、可靠性等因素，本次设计中不需要过高的传输速率和距离，基于绿色节能的理念，也不需要过多的资金投入，而施工也可能以简单为主，而电力载波以其施工方便，费用

32、低廉等优势，均能满足智能路灯设计的要求，因此本次设计中，采用PLC来完成路灯现场与远程控制端的通信。3.2 电力线载波通信3.2.1 电力载波通信简介 电力线载波通信(PLC， Power Line Communication)，是在现有的电力线路上来传输信号的，是一种专用于电力网的通信方式，其工作原理简述为： 电力载波的载体为实际应用的电力线，可以为高压线路也可为低压导线，作为一种有线通信的方式，电力载波不需要像其他通讯方式一样再假设通信通道，也不需要像无线通讯那样采用复杂繁琐的接发设备来传递信息。因其无需额外的通讯通道也不占用无线通信的各频段频谱，施工方便而费用不高，因此适合在于一些小区域

33、组成局域网来进行语音或数据的传输。其发送端将所需传送的数据或语音调制成高频信号，在几十甚至几百kHz的载波频率上送至电力线，通过电力线传输，而在接收端，又通过电力载波设备筛选接收高频信号，并进行解调，将信号恢复至原先的语音或数据，从而完成数据的远距离传输。图3.2 电力载波通信硬件结构图 电力线载波硬件主要由电力线、电力线载波机、耦合装置构成，如图3.2所示。其中，结合滤波器JL、高频电缆HFC、耦合电容器C和线路阻波器GZ组成了偶合设备，高频通道的组成离不开它们。（1）电力载波机：能够在发送端将数据转变为高频信号，在接收端筛选并将高频信号转换为原先的数据，即完成调制解调的任务，其性能直接决定

34、PLC的通信质量。（2）线路阻波器GZ：通过电力电流，能够减少进入变压器等电网元件的高频信号，从而降低对高频信号的损耗。（3）耦合电容C和结合滤波器JL两者的作用是选择一定的带宽，通过PLC高频载波信号，并且防止高压工频电压进入低压设备，杜绝安全隐患。（4）输电线在此既能供应电能，又能传输高频载波信号。 3.2.2 电力载波通信芯片介绍 本次设计采用的PLC芯片为LM1893，作为一款电力载波集成芯片，由美国国家半导体器件公司开发，属于半双工通信芯片，综合了发送接收数据的能力，可实现与单片机或PC的串口通讯。由于其外界电路简单的特点，根据LM1893的电力载波通信系统可以在很多情境下得到应用，

35、如家电整体控制、楼宇间的通信、工业中的自动控制、医院紧急呼叫系统等等。 LM1893主要特性参数如下表3.2所示：表3.2 LM1893主要特性参数 LM1893综合了发送和接收的功能，因而在芯片中也就集成了相互独立的接收与发送功能电路。振荡器、FSK调制器、输出功率放大器及自动增益控制电路等单元电路组成了发送电路。而限幅放大器、低通滤波器、解调器、噪声滤波器及直流嵌位电路等单元电路组成了接收部分。LM1893管脚中，第五号管脚TX/RX用于控制发送或接收状态，为高电平时发送数据，为低电平时接收数据。图3.3 电力线载波发信电路 电力载波发信电路如图3.3所示，其中，LM1893的12脚和17

36、脚分别接51单片机的串行口RXD和TXD，第5脚接单片机的P1.0口，有单片机发出信号控制其发送或接收的工作状态。而在接收端时，其余接法不变，而将12脚、17脚和5脚通过MAX232转换电平后，分别接入电脑DB9端口中对应串口输入、串口输出以及控制的管脚。 当TX/RX为高电平时，为调制发送模式。此时，从P17口(DATA IN)接收的数据进入FSK调制器，产生控制电流用于启动振荡器产生具有一定频偏的三角波，将三角波整形后得到正弦波输出，在经过功率放大后任耦合线圈耦合至电力线路，这样就完成了载波信号的发送。而载波频率仅由外接的电容C3及电阻R6RP决定，由于芯片外接电路的规定，在此不做介绍，当

37、C3560pF，R6RP6.65k时，载波中心频率F0125kHz，其中R6RP最小为5.6k，最大为7.6k。 当TX/RX为低电平时，为接收解调模式。FSK 信号经过耦合后送入10脚。 通过片内限幅放大器、滤波器后，放大了信号且滤掉了直流和50/100Hz信号，再由锁相环电路解调，RC滤波电路滤波，经过最后的噪声滤波和比较器整形后，最终12脚DATA OUT 送出。在此电路中，接于变压器出口的40V稳压管VD的目的是保护电路，避免由于输入信号过大而破坏内部芯片。3.3 与PC间的通信 由于PC所采用的串口所采用的电平标准为RS-232（±15V），而51单片机、PLC芯片等电路所

38、采用的电平标准为TTL（±5V），因此，在与PC构建通讯通道之前，需要先进行电平转换。3.3.1 RS-232的简介 RS-232的全名为“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”，是一种串口通信异步传输标准接口，其中RS是推荐标准的英文缩写。它在1970年由美国电子工业协会联合多家厂家共同制定出来，而作为当今应用最为广泛的通讯接口之一，家喻户晓的PC上一般都会有两组RS-232接口，名为COM1和COM2。传统的RS-232-C（C表示修改次数）设有25根信号线，采用标准25芯D型插头座（插座外观似字母D）DB25，后简化为9芯D型插座DB

39、9，因DB9较为简便，如今DB25几乎已不再使用，而PC上的COM口即为9芯插座DB9，就是RS-232-C接口，用于串口通讯。 RS-232采取不平衡传输方式，即所谓的单端通讯，信号源一端接地，另一端传送信号。由于其发送电平与接收电平相差不大，仅为2V至3V左右，所以存在着不能抑制共模干扰的问题，再加上双绞线上的分布电容对信号传输产生的影响，当传送距离达到一定值时，信号受到的干扰会超过允许值，因此RS-232的通讯距离不宜过长，仅适合本地设备之间的通讯，一般用于20米以内的短距离通讯。 DB9接口作为最常见的RS232串口通信接口其引脚主要用到2、3、5脚，分别为2号管脚RXD用于接收数据，

40、3号管脚TXD用于发送数据，5脚用于连接发送端和接收端共地。 DB9公头上方从左至右分别为1到5，下方为6到9，母头与公头编号相反，各个管脚定义及功能不变，如图3.4所示：图3.4 RS-232公头与母头的管脚标号示例 DB9所有引脚定义如下表所示：表3.3 DB9各引脚定义3.3.2 MAX232的工作原理简介 MAX232芯片由美信公司研发，是一款专门为市面上常见的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换。简单地说，该芯片可以实现RS-232电平与TTL/CMOS电平的互换。 MAX232组成的典型电路如图3.5所示：图

41、3.5 MAX232典型电路 在图10中，1到6脚均接电容，构成了开关电容式电压变换器电路，构建此电路是为了生成±12V的两个电源，以满足RS-232串口电平的需要。而7至14脚共8个脚构成了两个数据转换通道，通道1和通道2，其中7、8、9、10脚为第二数据通道，11、12、13、14脚为第一数据通道，两个通道相互独立且都能完成电平的转换。15、16脚为GND与VCC，及芯片的供电电源输入，在此不做赘述。 进行转换时，TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从RT1OUT、RT2OUT送到电脑DB9插头（T1IN输入就从 RT1OUT输出，T2IN输入就从R

42、T2OUT输出）；DB9插头的RS-232数据从RR1IN、RR2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出（RR1IN输入就从 R1OUT输出， RR2IN输入就从R2OUT输出）。第四章 主控系统的原理及设计4.1 方案对比 在实际应用中较多采用的由DSP及单片机等来作为控制系统，下面简单介绍这两种控制系统，比较其优缺点并对控制系统作出选择。 1）DSP即数字信号处理（Digital Signal Processing），DSP元件的主要功能是利用数字信号来处理大量且复杂的信息。其采用的是哈佛设计（数据空间和地址空间相互独立），这种结构在执行前一条代码的同时就已经对下

43、条代码开始解码，因此具有很快的运行速度，并且也可以完成程序空间与数据空间的传输数据。在其工作时，会将采集到的模拟信号转变为数字信号后，对信号进行分析处理。也存在一些DSP芯片会通过硬件来实现一部分信号处理，如FFT、小波分析等，这更加提升了其运算效率。DSP庞大的运算能力和极快的运行速率是其最为人称道的两大优势，因此在有大量数据分析需求的场合，非常适合DSP的应用。 其实物图如下：图4.1 DSP芯片实物图 2）单片机作为最早普及的MCU，在早期的工业控制等方面得到了非常多的应用，所谓的单片即采用一块芯片，仅在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM(EPROM或EEPROM)、时钟、定时/计数

44、器、串行和并行I/O口等一众功能，并可依靠外部电路完成电路控制、检测、数模转换、报警等信号处理功能，这就是所谓的单片机。而单片机漫长的发展过程也使其拥有了完整的开发环境，完备的开发工具，可供查阅的资料也流传较广，其低廉的价格也是应用广泛的原因之一。单片机与DSP最大的区别就在于，单片机的程序数据存储器并没有分开，属于冯诺依曼结构，在运算速度上（尤其是乘法）要低于DSP。 其实物图如图4.2所示：图4.2 AT89C51单片机实物图 综合单片机与DSP的优缺点，根据本次设计所需的要求，检测与控制智能路灯并不需要特别快的数据处理速度，也没有过于复杂的数据要进行处理，处于经济性及应用环境的考虑，单片

45、机由于其设计的简单方便，更强的抗干扰性，更好的稳定性，更高的性价比，更加适合智能路灯控制系统。因此，在本次设计中，选取了AT89C51单片机来设计智能路灯的现场信号采集处理的主控单元。4.2 具体方案综述4.2.1 51单片机最小系统 51单片机最小系统，就是使单片机正常运行的最低配置，它由一系列模块组成，其电路图如图4.3所示，主要由以下几个部分构成： 1）复位系统：当RST管脚出现两个机器周期以上的高电平时，单片机复位，程序从开始位置运行。复位有上电复位和手动复位：上电复位即当上电时，那一瞬间，由于电容电压不能突变，RST脚电位与VCC相同，而随着电容上的充电电流减小RST电位逐渐降低至低

46、电平，复位结束；而手动复位则是当按下按钮后，RST脚被手动置位高电平，使单片机复位。 2)时钟系统：51单片机没有内部振荡电路，因此也需要外部供应时钟信号，XTAL2、XTAL1分别为片内振荡电路输入端与输出端。当使用外部晶振时，振荡电路产生的频率即为晶振频率，其管脚接法如图4-1所示。而当XTAL2脚接地时，时钟信号由XTAL1可单独输入外部提供的时钟信号，如方波信号等。 3)电源系统：VCC，和 GND引脚，供电电压45.5V，TTL电平，由于软件中忽略了电源引脚，在图中并未标示电源及接地，在实际应用中单片机应接这两个引脚，否则就无法工作。 4）程序的烧入引脚：MCS-51单片机，拥有IS

47、P功能，即In-System Programming，能够通过TXD、RXD异步串口来给flash储存器烧录或者擦除程序，同时也可以做到在线调试。由于没有具体连接的硬件，因此在图4.1中并未画出，可以看到需要接的管脚为P3.0和P3.1，在此不做赘述。图4.3 51单片机最小系统4.2.2 AD转换模块的原理及实际应用1) AD转换器的简介 AD转换的AD是Analog-to-Digital的缩写，意即模拟信号到数字信号的转换，也可称为模/数转换，模拟信号可以为电压，也可以为电流，转换为数字信号后即可让计算机、各类芯片、或是仪表来对该信号进行加工处理。一个完整的A/D转换过程，不但包括取样功能

48、，同时需要为信号的保持、数据的衡量以及编码设计相应的电路。而所谓的ADC，即Analog-to-Digital Converter，不难理解它就是AD转换的器件，它分为很多种，不同的A/D转换器有着各自的优劣势。 AD转换器按照其工作原理可分为两类：直接型和间接型。不难想到，直接AD转换器，就是直接的转换Analog-to-Digital，其中包括了逐次比较型和并联比较型。而从制作工艺以及转换的速度分辨率上来看，逐次逼近型AD转换器都具有相当明显的优势，因此这类芯片引用的较多。换个角度看，间接AD转换器在转换的过程中有一个中间量，比如电压/脉宽转换型、电压/时间转换型等等。不仅如此，很多转换芯

49、片甚至整合了基准电压、开关、时钟等，远远超出了原本ADC的定义，简化了我们的使用环境。 在通讯、测量、分析等计算机所经历的环节中，ADC起到了非常重要的作用，不但为模拟信号的处理提供了一条道路，同时也简化了硬件部分的设计。2) 常用AD转换器原理及特点 a）积分型： 积分型AD转换器在工作时，对应输入的电压电流，它会将其转变为相应的频率、时间，通过定时计数器的分析，得到数字量。这样的优缺点也较明显，即分辨率高，且电路不复杂，但是转换需要积分时间，从而速率不高。在AD转换器研究早期，采用积分型较多，而现在使用的不多。 b）逐次比较型： 逐次比较型AD转换器，顾名思义即需要通过一个比较器，对输入量

50、进行多次逻辑比较，从某一位开始，按照顺序逐个将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，最终经k次比较而得到数字量。功耗不高、速度也较快是其较为明显的优点，而当分辨率降下来时，其价格也较为实惠，因此得到了比较多的采用。 c）并行比较型： 相比于逐次比较型，并行比较型同样采用了多个比较器，但不进行多次比较，一次即可完成转换，其速率非常快，因此又称为flash型，但由于所需比较器较多，规模也略显庞大，价格较高，因此应用不是广泛，仅仅适用于速度要求较高的场景。 d）-(Sigma-delta)调制型： DA转换器、数字滤波器、积分器、比较器等组成了-型AD。原理上与积分型相似，将输入电压变换为时间(脉冲

51、宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 e）电容数组逐次比较型： 相比逐次比较型AD，通过电容矩阵，取代电阻数组，避免了所需电阻数组中电阻值一致的麻烦，不再需要高精度的电阻，从而降低了高精度单片AD转换器的成本。因此，最新的逐次比较性AD以电容数组居多。 f）压频变换型（如AD650）： 从工作原理上来说，压频变换型属于间接型，其工作方式是，中间量为频率，即模拟信号频率数字信号。如果抛开一切影响因素，只要采样时间达到累计脉冲总宽度，我们就可以说其分辨率是没有上限的。由此可见，其最大的优势在于分辨率高，而其相对较低的功

52、耗和价格也使其备受好评，而其缺陷就在于需要定时/计数器，无法独立完成AD转换。3) HX711 A/D转换器芯片原理及应用 HX711服务于高精度的压力传感器，其精度为24位。相比于其他芯片，HX711有稳压电源、片内时钟等外围电路集成在芯片内，优势明显，不但有很高的集成度，也有着不低的反应速度和抗干扰性。 HX711的SOP-16L 封装管脚图如图4.4所示：图4.4 HX711 封装管脚图 HX711应用的典型方案如图4.5所示，该方案将XI置0，即选取内部时钟振荡，RATE口接低电平即将输出速率选为10Hz。为了方便起见，电源选择与单片机共用。压力传感器的模拟电源从AVDD口获得，芯片稳

53、压电源通过R14和R16及三极管产生低噪声模拟电源，在AVDD口输出，供压力传感器使用。通道A 与传感器输出信号端相连，通道B不做连接。芯片输出口及控制口DOUT、PD_SCK分别连接单片机的其中一个端口中的一位，如P0.2、P0.1。图4.5 HX711应用典型方案图 TX711与串口有关的管脚为DOUT、PD_SCK，其中，DOUT用来输出串口数据，而PD_SCK用于选择输入通道和增益。当未开始输出数据时，DOUT为高电平，PD_SCK为低电平。当开始传输数据时，DOUT从高电平变为低电平，PD_SCK此时会输入25到27个时钟脉冲，从第一个脉冲开始读取数据，第24个脉冲读取最后一个数据，

54、之后的脉冲作为一个选择信号，用于设置下一次转换的通道及增益。具体选择方式及数据输出时的脉冲信号的时序图如下所示：表4.1 PD_SCK选择方式图4.6 数据输出时的脉冲信号的时序图 在本次设计中，HX711的DOUT口连接至51的P0.2脚，PD_SCK口连接至51的P0.1脚，不考虑主程序的情况下，单片机读取HX711的A/D转换信号的C语言程序如下，实际应用中还需根据具体情况做出调整。sbit DOUT=P02; sbit PD_SCK=P01; unsigned long ReadCount(void) unsigned long Count; unsigned char i; PD_S

55、CK=0; /使能信号PD_SCK 置低 Count=0; while(DOUT); /AD转换未结束则等待，否则开始读取 for (i=0;i<24;i+) PD_SCK=1; /PD_SCK 置高（发送脉冲） Count=Count<<1; /下降沿来时变量Count左移一位，右侧补零 PD_SCK=0; /PD_SCK 置低 if(DOUT) Count+; PD_SCK=1; Count=Count0x800000; /第25个脉冲下降沿来时，转换数据 PD_SCK=0; return(Count);4.2.3 单片机外围电路 本次设计中，单片机所要完成的功能除了收集

56、传感器数据，还需通过电力载波芯片向远程控制端发送数据，并自行处理数据从而控制继电器达到开关路灯的效果，因此51单片机的外围电路除了传感器，载波芯片，还应有最终控制路灯的继电器。 图2和图3分别为电力载波芯片与传感器模块与单片机的连接电路图，由于在第二章和第三章已经对其进行了详细介绍，在此不做赘述。图4.7 单片机外接PLC芯片图4.8 单片机外接压敏传感电路与光敏传感电路 继电器作为一种控制元件，专门用于控制电路的开关状态。简单的说，当其接收到的输入量达到一定值时，能够改变其控制的开关的状态，具有隔离功能，不但可以保证低电压侧电路的安全性，又可以传递不同电路之间的信号，起到自动控制的作用。其工作原理即利用了控制回路产生的电磁效应，其电磁力吸引衔铁克服弹簧的弹力（或拉力）拉向另一侧与铁片接触，从而导通其控制回路，继电器的实物图及原理图如