a路灯控制系统毕业设计

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三镇流器

由于气体放电灯（如荧光灯、霓虹灯、卤素灯、金卤灯等）是一种负阻性电光源要使其正常稳定工作，需加一个限流装置。这个限流装置叫做镇流器。目前气体放电灯使用的镇流器有两种：（1）电感式镇流器；（2）高频交流电子镇流器。由于电感式镇流器工作在市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量铜和硅钢等金属材料，散热困难、效率低、有频闪，所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法，而高频交流电子镇流器就是一种有效方法。电子镇流采用高频开关变换电子线路的方法实现镇流，具有无频闪、效率高、体积小、重量轻、可调光，不使用大量铜材和硅钢材料的特点，所以自20世纪70年代以来，高频交流电子镇流器一问世，由于它的体积小、发光效率高（发光效率与工作频率关系曲线如图2所示）无频闪效应，适应供电电压范围宽、节能的一系列优点，受到了用户的欢迎。据统计，世界上照明用电占了世界上产生的总电量的1/4，如仅将现用的200亿只灯泡中的50亿只换成节能的电子镇流灯泡，就可节省200GW的电能，从而少建几十个电站。由于高频交流电子镇流器节能和巨大的市场潜力，进入20世纪90年代后，各种气体放电照明灯广泛采用高频电子镇流器，形成一个"绿色照明"的新兴产业。"绿色照明"是90年代初国际上对节约电能、保护环境照明系统的形象说法。美、英、法、日等主要发达国家和部分发展中国家先后制定了"绿色照明"的计划，并已经取得明显效果。事实上，照明的质量和水平已成为衡量社会现代化的一个重要标志，成为人类社会可持续发展的一项重要标志。目前，我国已成为照明器具的生产大国，现有照明器具生产企业1000家，电光源产品有60多个门类3500多个品种规格，灯具产品30多个门类500多个品种规格。我国照明节能大有潜力可挖。目前，荧光灯、稀土三色紧凑型荧光灯已生产出适合家用的H、双H、O、D、双D、SL型等多种产品。这种灯与照度相同的管型荧光灯相比约节电27%，与白炽灯相比，可节电70%。2001年，按每户仅用一只节能灯计算，全国4亿只节能灯就可节电2000万千瓦电力，投资只需120亿元，而要生产2000万千瓦的电力，即需投资500亿元。所以在我国照明节能是一项很重要的课题。目前，世界上一些著名的大专院校、科研院所、公司都投入了较大的力量进行高频交流电子镇流器的科研开发、生产。如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心（VPEC），李泽元教授领导的科研中心每年都有相关论文和实验报告在IEEE功率电子学学刊刊出，并提出了如高频能量反馈、采用电荷泵功率因数校正的电子镇流器等概念，美国加州理工大学（UCT）的S.CUK教授关于单级高功率因数电子镇流器，一种用于紧凑型荧光灯的E类电子镇流器，西班牙、巴西、我国台湾和香港地区的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了一些高水平的科研人员进行开发。同时，国内一些著名科研院所、大学也投入了较大力量进行科研开发。这点可从国内相关科技文献看出。勿容置疑的是我国是世界上电子镇流器的一个生产大国，我国有较多的公司、企业从事这种"绿色电光源"产品的生产。特别是自20世纪80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求》及IEC929（1990）、GB/T15144《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》等技术标准相继颁布与实施，使交流电子镇流器的研究、开发、生产有了统一技术规范。由于高频交流电子镇流器要求体积小、造价低，并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标严格，所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰，使用安全可靠的高频交流电子镇流器并非件易事，所以往往让人感到：看似简单的一个电子产品，但是技术含量很高，是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关（ZVS、ZCS）、LC串并联谐振、功率因数校正、电磁干扰抑制（EMC、EMI）、信号传感、采集和控制、电子元器件、电光源器件等电力电子技术的方方面面。同时，如何测量高频交流电子镇流器的技术参数，如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰（EMI），也是高频交流电子镇流器的研究热点。实践证明，要做出一只高性能的高频交流电子镇流器，还需对它的负载--镇灯旷的私技敏术胖特瓶性池、处灯烘对蹲电末源西的僵技冰术界要汇求粪有守所晨了绩解惩，温否封则费要宣做互出慎高蛛性语能遮的聚高弓频扎交梁流或电蒸子垫镇碧流茂器拘是房不晕现央实盛的溜。绳由单于豆对云电心网视供际电售质瓶量倾的即要讨求雀不拿断割提懂高啊，袭国毫际梦电熟工痰技图术治委泉员伤会串1适9弦8法2封年百分扁别帐制杀定睛了睬I炉E呆C袜5铅5燃5酷-皮2寄《罗家贿用伍设禽备渗及禽类仁似扮电旷器舌设膀备岛对议供姓电改系兄统摧的虚干耕扰减》勾标点准纱，棚和容I敏E限C盖1横0慢0吉0脾-离3亲-鲜2砖《茄电炎磁耳兼额容创性州标之准骆》醉，派分翅别曾对戴相债关垦电闪器兽设谋备卵的灾功世率选、花谐盟波辉成坛分炕、伸电第磁锯辐短射票干伸扰汪等辆技要术赔指妨标骨做拌出维了欣要冻求愈，破对抛高横频旺交如流慌电晚子甚镇抛流安器情而中言概也膀相系应烫增狡加惹了寨电克路屈的妄设匀计端难燕度渗和漏制甚造买难种度咳。

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（二）双级谐振式高频交流电子镇流器

针对单级半桥谐振式高频交流电子镇流器电路存在的以上缺陷，人们又开发设计出了双级谐振式高频交流电子镇流器电路。它主要在普通的单级谐振高频交流电子镇流器的基础上，再加了一级有源功率因数校正（APFC）电路，用以进行交流市电输入整流滤波的功率因数校正，并限制高次谐波成分，从而达到减小电磁幅射干扰，提高输入侧功率因数的目的。并且由于有源功率因数校正（APFC）还有预稳压的作用，同时还可以调光（调节APFC输出电压），所以既可提高电子镇流器的电性能，又可提高电子镇流器的可靠性。有源功率因数校正按电路构成可分为：降压式、升/降压式、反激式、升压式等几种。按控制市电输入电流的工作原理可分为：平均电流型、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型几种。按功率因数校正电路中电感电流的工作方式又可分为：电流连续型（CCM）、电流不连续型（DCM）。由于升压式有源功率因数校正电路具有PF值高、THD小、效率高，但需输出电压高于输入电压，适用于75W-2KW的应用场合，所以目前应用最为广泛。由于DCM型APFC电路简单，开关管应力小的优点，所以在电子镇流器中应用广泛。两级式具有APFC功能的高频交流电子镇流器电路由于增加了一级有源功率因数校正电路，所以增加了电路的复杂性，使成本提高许多，虽然双级式高频交流电子镇流器性能好，但由于成本、体积等原因也很难于大范围推广使用。

(三)无源功率因数校正

针对两级式有源功率因数校正电路的缺点，人们又试图探讨用无源功率因数校正的方法来提高高频交流电子镇流器的性能，如经常提到的有采用三只二极管和二只电容器的逐流电路的无源功率因数校正和高频复合能量反馈等方法，虽然在理论分析上可行，并有相应的实验结果、结论，但是至今未见广泛使用。还需进一步提高技术性能，但无疑这是一个很好的发展方向。

（四）常用高频交流电子镇流器调光

由于高频交流电子镇流器具有节能的优点，特别是在不需电子镇流器满功率进行的场合下，采用调光控制节能效果会更加明显。

调光控制有一个用户可控制的调光控制输入端并应具有以下基本功能：能检测灯电流、灯电压、灯功率；利用反馈电路来调节用户设定的亮度。

常用的调光方法主要有以下四种：占空比调光法、调频调光法、调节高频逆变器供电电压调光法、脉冲调相调光法。

1、占空比调光法

这种调光控制法利用调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占空比，实现输出功率调节，对半桥逆变的最大占空比为0.5，以确保半桥逆变器的两个开关管有一个死时间，以免两个开关管共态导通损坏。

这种调光方法存在的问题是：如果电感电流连续并滞后于半桥电压Uxy，则开关可能导通时工作在零电压状态，关断瞬间需采用吸收电容达到ZCS工作条件，这样可进入ZVS工作方式，这是优点，EMI和开关管应力可明显降低。然而，如果占空比太小，以至电感电流不连续，将失去ZVS工作特性，并且由于供电直流电压较高，而使开关管上的应力加大，这种不连续电流导通状态将导致可靠性降低和加大EMI幅射。

除了小的脉冲占空比，当灯管发生故障时，也会出现不连续电流工作状态，当灯为开路故障时，电感电流将流过谐振电容，由于这个电容的容量较小，所以阻抗较大。除非两个开关管有吸收电路保护，否则开关管将承受很大的电压应力。2、调频调光法

调频调光法也是常用的调光方法。如果高频交流电子镇流器的开关频率增加，则电感的阻抗增加，这样，电感电流就会下降。

调频调光法的局限性：

A．调光范围由调频范围决定，如果调频范围不大，则功率调节范围也不大。

B．为了实现在低灯功率工作条件下实现调光，则调频范围应很宽（即从25KHZ--50KHZ）。磁芯的频率范围、驱动电路、控制电路可能限制调光范围。

C．在整个调频范围内不易实现软开关。轻载时，不能实现软开关，并使开关管上的电压应力加大。硬开关的瞬态过渡是EMI幅射的主要来源。

D．如果半桥逆变器不工作在软开关状态，则导致逆变器的损耗加大，导致效率降低。

E．当开关频率在红外遥控的频率范围内时，荧光灯将发射低电平的红外线，如果调频范围很大，其它的红外遥控装置如电视机将会受到影响。

F．灯电流近似反比于逆变器开关频率，调光与开关频率间不是线性关系。

G．当灯管发生开路故障时，将出现DCM工作状态，特别是当开关频率很低时。

3、改变半桥逆变器供电电压调光法

利用改变半桥逆变器供电电压法实现调光有以下优点：

A．调节半桥逆变器供电电压来实现调光。

B．采用固定占空比（约0.5）的方法，使半桥逆变器工作在软开关电感电流连续的宽调光范围调光（这也可使开关控制电路简化）。

C．由于开关频率固定，所以可以针对给定的灯型号简化控制电路设计。

D．由于开关频率刚好大于谐振频率，所以可以降低无功功率和提高工作效率。

E．由于开关频率固定，所以可以较方便的确定无源器件的参数。

F．在较宽的灯功率范围内（5%--100%）保持ZVS工作条件。

G．在很低的半桥逆变器供电电压下，将会失去软开关特性，将会出现电感电流不连续的工作状态。然而在直流供电电压很低的情况下，这种工作状态不再是个问题，这时的开关管应力和损耗将很小，即使硬开关在低直流供电电压情况下（如20V），也不会产生太多EMI幅射。

H．可实现平滑和几乎线性的灯功率控制特性。

I．可得到低功率解决方案，半桥逆变器的供电电压可以选得很低（如5%--100%的调光范围对应30-120V），这样可采用低电压电容和MOSFET。

J．调光控制仅通过控制SEPIC变换器输出电压实现。由于半桥逆变器工作在恒频工作状态，所以可采用简单的AC/DC控制即可实现调光。

K．灯电流近似和DC变换器的电压成正比，调光几乎和SEPICDC变换器的输出直流电压成正比。调光曲线如图6所示。

4、脉冲调相调光法

利用调节半桥逆变器中两支开关管的导通相位的方法来调节输出功率，从而达到输出调光的目的。调相法调光曲线图如图7所示。

相控调光法主要有以下特点：⑴可调光至此1%；⑵可在任意调光设定值下启动；⑶可应用于多灯应用场合；⑷调光相位灯功率关系线性好。

（五）两级高功率因数电子镇流器常用IC及特点

由于高频交流电子镇流器的巨大市场和经济效益，国际上许多有实力的半导体厂商纷纷开发相应的集成电路，以方便用户、生产厂商使用，大批量生产。有的半导体厂商还给出了相关的电子镇流器设计软件。世界上主要生产、开发高频交流电子镇流器的主要生产厂商有：美国国际整流器公司（IR）、莫托罗拉公司（MC）、美国微线公司（ML）、韩国三星公司等。下面以美国IR公司为例，介绍其主要电子镇流器用控制集成电路、相关设计软件。

美国国际整流器公司（IR）主要有以下型号的新型高频交流电子镇流器控制集成电路，它们分别为：IR21571、IR2159/IR21591、IR2167、IR2153、IR2156等型号。它们分别用于以下场合：

①IR21571：驱动600VMOSFET的荧光灯和高强度放电灯（HID）的电子镇流器驱动控制集成电路。

②IR2159/IR21591：调光控制和600VMOSFET驱动控制功能合一的电子镇流器控制集成电路。

③IR2167：具有PFC功能的高集成度，600VMOSFET驱动控制集成电路，常用于荧光灯和高强度放电灯（HID）的驱动控制。

④IR2153：IR2153/IR2151驱动控制集成

电路的改进型，用以驱动半桥功率变换级。

⑤IR215振荡频率可偏程和用于高压半桥驱动。

⑥IR2153、IR2156：常用于卤素灯的控制驱动。

下面以IR21571、IR2159/IR2157为例介绍其主要功能。如表1所示。表1常用IR电子镇流器IC特点

特点型号

IR21571IR2159/IR2157

启动功率低√√

电源供电稳压二极管保护√√

600V半桥驱动√√

工作频率可编程控制√-

死时间控制√固定

闭环调光√-

模拟调光接口√-

过流保护√√

故障保护√√

过温保护√√

邻近谐振保护nearresonanceprotection√√

自动再启动关断√√

功率因数校正--

电源供电电压稳压--

DIP和SOLC封装1616

（六）IR公司的相关设计软件

美国IR公司为了方便它的IC使用和高频交流电子镇流器电路设计，它推出了相关设计软件，软件具有以下特点：

IR公司的相关电子镇流器设计软件具有以下功能和相应设计步骤：1、设计步骤：

(1)对给定的电路类型和输入电压范围，可生成相应的电路图、元件表和印刷电路板图。

(2)良好的图形设计界面，可给出电子镇流器的电参数、元件值和整个电子镇流器的相关文件。

2、主要特点：⑴三步设计流程；⑵灯型号流览；⑶设计流览；⑷良好的显示界面；⑸电子镇流器工作点的计算；⑹电子镇流器工作点的图形表示；⑺Windows的图形显示界面；⑻LC谐振腔元件参数计算；⑼PFC元件参数计算；⑽IR21571外围相关元件参数计算；⑾电路图；⑿元件清单；⒀PCB图；⒁电参数图；⒂元件参数表。

灯的选择和电路基本设计选择主要包含：

灯的选择含以下内容：灯型号、灯功率、灯管工作电压、最大灯管预热电压、灯管最小点火电压、预热电流、预热时间（秒）。

基本设计选择含以下内容：最低电源电压、最大电源电压、预热直流总线电压、启动点火直流总线电压、直流工作总线电压、PFC工作频率、镇流器工作频率。并且BDA软件有两种工作方式：

1．标准3步法（含以下步骤）：选灯型、选择电路形式、自动生成设计结果。

2．高级工作方式（含以下设计步骤）：

①工作点计算和IR21571外围元器件计算；

②允许预先设定所要求参数值；

③设计灵活，方便。三、单级高性能、高功率因数高频交流电子镇流器

由于双级式高频交流电子镇流器使用元件多，价格较高。所以尽管性能指标好，但也难于大批量生产、使用，为了进一步简化电路，提高电子镇流器的性能指标，国内外的一些科研院所、高等院校、大公司纷纷提出了单级新型、高功率因数高频交流电子镇流的新概念、新电路，下面分别加以介绍。

（一）高功率因数、低电磁幅射、具有宽调光范围的电子镇流器

这种电路由香港城市大学的S.Y.RonHui教授（Ph.D）提出。

这种镇流器具有以下特点：(1)低电磁幅射，传导干扰低，可调光范围宽；(2)功率调节范围为10%--100%；(3)采用SEPICDC/AC变换调压；(4)低EMI，低电压应力；(5)可用于单管、多管荧光灯照明。

（二）一种改进电荷泵功率因数校正（CPPFC）的电子镇流器

这种电路由美国李泽元教授领导的VPEC的JinRongQian教授（Ph.D）和李泽元教授提出。

主要有以下特点：(1)引入了电荷泵的概念、工作原理、电路；(2)提高功率因数的工作原理分析；(3)波峰比为1.6，200V交流电压输入，效率为80%；(4)只用一个电感，由于电荷泵采用了一个电容，而电容又比电感在电路上好处理。

（三）一种用于紧凑型荧光灯的新型自激E类电子镇流器

由美国（CIevelandStateUniversity的LouisRobertNerone教授（Ph.D）提出。论文和实验对点火和灯电路稳态运行进行了分析、讨论，并给出了实验结果。有限流保护功能，可适用于任何Q值和占空比，价格低。

（四）一种改进单级电子镇流器起动特性的新方法

由我国台湾NationalChungChengUniversity的Tsai-fuＷｕ教授（Ｐｈ.Ｄ）和他的学生Yong－JingWu提出，并给出了实验结果。

这种方法主要有以下特点：

１、利用同步开关技术（SynchronousSwitchTechnique,SST）来改进电子镇流器的启动特性。

２、利用变形单级电子镇流器技术实现镇流（Single-StageInverter、SSI）。

３、讨论了ＰＦＣ半级和逆变电路半级间功率不平衡而引入的较高电压应力对开关器件的影响。

４、讨论了电子镇流器的工作状态、控制策略和元件电压应力间的相互关系。

５、讨论了利用热阻检测电路来减小灯丝溅射的问题，并通过实验证明了这种电路灯管开关工作18000次后灯丝无明显溅射。

６、论文和实验电路对单级镇流电路的变化特性进行了分析，并给出了实验结果。

（五）采用反激推挽集成变换器的电子镇流器

该电路和实现主要由巴西federalUniversityofMinasGenais的RicardoNedersondoPrado教授（Pｈ.Ｄ）等人完成。

这种电子镇流器具有以下特点：(1)由于采用反激式电路，所以电路简单，使用灵活；(2)具有隔离、自启动、单开关的电路特点；(3)可实现短路保护；(4)反激式ＡＰＦＣ，所以具有不必使输出电压高于输入直流电压，可在ＤＣＭ工作方式下，在固定导通时间控制方式下得到功率因数近似为１的效果；(5)由推挽变换器实现灯的高频交流供电、镇流；(6)仅用一级电路就可实现ＰＦＣ和高频变换，实现了单开关变换，简化了电路；(7)通过占空比控制可实现调光。

（六）基于单级高功率因数的电子镇流器

该工作由巴西FederalUniversityofEspiritoSantO,Vitoria的MarcioAimeidaCo教授（Pｈ.Ｄ）及他的同事完成的。

它具有以下特点：(1)单功率级，高功率因数，半桥功率逆变器工作在谐振状态；(2)自激振荡式，功率因数校正工作在DCM模式，输入、输出隔离；(3)由于工作在自激振荡方式，所以具有保护作用；(4)实验模型：40W荧光灯、40KHZ、220V交流市电供电；(5)给出了实验结果和模型分析。

（七）一种新型单级恒功率高功率因数电子镇流器

这项工作由西班牙的UniversityofOviedo,Gijon大学的ManuelRico－Secades教授（Pｈ.Ｄ）和他的几个同事共同完成的。该电子镇流器具有以下特点：(1)由buck－boost和半桥LC谐振共同组成单级高频交流电子镇流器；(2)具有可调光和恒功率特性；(3)高功率因数（0.98）；(4)给出了实验电路、稳态分析、低频电路模型；(5)给出了设计实例、方法；(6)给出了实验结果。

（八）基于反激变换器的单级高功率因数电子镇流器

该项工作由西班牙的3.7部分的科研课题组完成。

该项工作具有以下特点：

１、将反激变换PFC和半桥变换合为一体，作为单级高频交流电子镇流。

２、反激工作于恒频、恒占空比。

３、由于在ＰＦＣ中引入了一个变压器，所以逆变器的输入电压可以设定，从而优化了逆变器的设计。

４、给出了实验电路、稳态分析、实验结果。

四、总结

通过以上的分析讨论可以看出，貌不惊人的高频交流电子镇流器的设计、制作是一个涉及电路拓扑、电子元器件选择、电路动态静态分析，电光源等多学科的一个知识密集性电子产品。它主要要求在电路尽可能简单的条件下实现高效率、高可靠、低谐波成分、低电磁幅射干扰、高功率因数。所以对电路设计、选型、生产提出了较高的要求。随着电子技术、电子元器件、电路拓扑水平的不断提高，高频交流电子镇流器的质量、性能会不断提高。回顾自20世纪70年代世界上第一只高频交流电子镇流器的面市，到今天高频交流电子镇流器广泛进入家庭、楼堂馆所的照明，印证了高频交流电子镇流器的不断发展，质量、性能不断提高的过程。四组群控制器工作原是与系统组成4．1组群控制器系统组成图1给出了一种组群控制器设计方案。它包括CPU模块、线路状态检测模块、交流接触器驱动模块、后备电源模块、时钟模块、控制策略模块、电能计量模块、温湿度检测模块、GSM通信模块和电力载波通信模块。CPU模块采用CPU结构。主微控制器采用高性能、8位、40引脚、具有8KBFlash、多路8位A/D的RISC单片机PIC16F877，负责与GSM通信模块和电力载波模块通信，与交流接触器驱动控制，与实时时钟的读取和校准以及根据照明控制策略发送控制指令等功能。从微控制器采用与主微控制器同一系列的高性能8位、28引脚、多路8位A/D、具有4KBFlash的RISC单片机PIC16F873。该控制器负责HYPERLINK"/Article/guanli/Index.html"管理电能计量模块、后备电源及监控模块、温湿度监控模块和线路状态检测模块等。4.2GSM模块GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)系统是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的主要方式。基于GSM的短信息服务，是一种在移动网络上传送简短信息的无线应用,是一种信息在移动网络上储存和转寄的过程。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游,建立上述系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短信应用将得到迅速普及。笔者开发设计的基于GSM网络的温度数据采集与无线传输系统正是借助该网络平台,利用短信息业务实现数据的自动双向传递。系统模型图如图2所示终端处理模块终端处理模块存储器数据收发模块数据采集模块存储器数据收发模块数据采集模块E2PROM单片机2MSC12101210PC机GSM模块2单片机1单片机GSM模块1GSM网络图2系统模型图本系统由数据采集部分、数据接收和发送部分、终端处理部分等三个模块组成。数据采集模块将采集到的温度数据存入存储器中。数据收发模块采用双单片机共用E2RPOM的方式，单片机2控制数据从存储器转存入E2PROM中；单片机1负责将数据从E2PRROM中读出，并经GSM模块2借助GSM网络将数据发送出去，单片机1不仅控制数据的发送，也控制数据的接收。在这里E2PROM是数据临时存储和上传的中转站。终端处理模块负责将接收到的数据交给计算机处理，并将处理后的结果存放到数据库中，以供查询。当终端处理模块需要向GSM模块2发送控制命令时，GSM模块2接收过程正好与上述过程相反，从而实现数据的自动双向传递。系统中三个模块相互独立，彼此又相互依赖，共同完成数据的传输。数据收发模块在系统中起着承上启下的作用，是系统的核心模块。该模块以双单片机为核心，以RS232通信接口，在物理层上实现与GSM模块的连接。由于篇幅的限制，本文主要介绍单片机控制这一模块工作的软件实现过程。旨在对怎样用单片机控制GSM模块收发短信息进行探讨。1GSM模块MZ28MZ28是中兴通讯推出的GSM无线双频调制解调器，主要为语音传输、短信发送和数据业务提供无线接口。MZ28集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，特别适合于迅速开发基于GSM无线网络的无线应用产品。带有人机接口（MMI）界面的应用产品内部与MZ28的通讯可通过标准的串行接口（RS232）进行。MZ28使用简单的20-PINZIP插座与用户自己的应用系统相连，此ZIP连接方式提供开发所需的数据通信、音频和电源等接口信号。MZ28可以作为无线引擎，嵌入到用户自己的产品当中，用户可以用单片机或其他CPU的UART口，使用相应的AT命令，对模块进行控制，达到使其产品可以轻松进入GSM网络的目的。2串口控制SMS的工作原理单片机与GSM模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为19200bps。采用这种RS232电缆方式进行连接时，数据传输的可靠性较好。RS232接口方式连接，通过串行接口集成电路和电平转换电路与GSM模块连接，电路比较简单，所涉及的芯片包括单片机89C52和电平转换芯片MAX232，是非常常见的接口电路。需要说明的是，该接口通过I2C总线扩展了一个E2PROM存储器芯片AT24C64，它的主要作用是存储采集到的数据。该芯片能够反复擦/写，能够持久保存数据，而且断电信息也不会丢失，这些特性正是存储数据所必需的。GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。每个短信的信息量限制为160字节。现在市场上大多数手机均支持GSM07.05规定的AT指令集。该指令集是ETSI（欧洲通信技术委员会）发布的，其中包含了对SMS的控制。利用GSM手机的串行接口，单片机向手机收发一系列的AT命令，就能达到控制GSM模块收发SMS的目的。必须注意的是，用单片机实现时，编程必须注意它发送指令与接收到的响应都是字符的ASCII码。用单片机控制GSM模块收发短信息所涉及到的AT指令见表1。表1AT指令AT指令功能描述AT+OFF关机并重新启动AT+CSDH=0在TEXT模式下在返回值中不显示详细的头信息ATE0关闭回显AT+CMGF=1选择短信格式为TEXT模式AT+CMGS发送短信息AT+CMGR读取短信息AT+CMGD=0删除全部短信息3软件的实现上位机模块和下位机模块半双工通信协议的实现3.1.1应答和重发上位机模块和下位机模块的通信双方遵照半双工通信方式进行。即数据传送是双向的，但是任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接收数据。因为E2PROM的读出和写入不能同时进行，为了避免一方在发送信息帧时（这里的信息帧指的是下位机模块发送的数据帧和上位机模块发送的命令帧，下同），另一方也会发送数据，必须把信道变成半双工方式，尽管效率可能不如全双工方式，但通过此举牺牲效率可以换取模块工作性能的稳定。双方采取的顺序是：发－>收到应答后－>再发。按照整个系统的设计思路，上位机模块（即图1中的GSM模块1，下同）发送的帧包括命令帧、确认帧和非确认帧；下位机模块（即图1中的GSM模块2，下同）发送的帧包括数据帧、确认帧和非确认帧。其中确认帧和非确认帧是发送数据后等待对方发送的应答帧，以此作为继续发送下一帧和重新发送上一帧的依据；命令帧和数据帧是信息帧。当一方先发送完信息帧，如果收方接收到对方的信息帧，而又没有信息帧需要发送，那么情况就比较简单，收方将根据信息帧的正确与否决定发送确认帧还是非确认帧，以使对方决定是继续发送还是重新发送；如果此刻收方也有信息帧需要发送，那么收方将不立即发送应答帧，而是立即发送本方的信息帧给对方，并等待对方对此帧的应答帧，在收到对方的应答帧后，收方将依据应答帧的内容（即确认帧或者是非确认帧，下同）决定是继续发送下一信息帧，还是重新发送原来的信息帧。如果由于链路本身不可靠等因素造成应答帧的丢失，收方将在一定时间内因为没有收到应答帧而延时重发原来的信息帧。在收到对方的应答帧后，收方将继续发送下一信息帧，并等待对方的应答帧，如此反复，直到收方全部发送完信息帧。在本方收到对方最后一个应答帧后，表明本方全部的信息帧发送完毕。然后收方将发送对方仍然等待的应答帧，通知对方收到的信息帧的正确与否。3.1.2延时重发在双方通信过程中，有两个时间T1和T2，分别表示重新发送信息帧的最大延时。T1表示一方发送完信息帧到收到对方应答帧的时间，如果等待应答帧的时间超过了T1,则发方会重新发送原来的信息帧；当收方接收到对方发送的信息帧，如果收方此时有需要发送的信息帧，则收方此刻不发送应答帧，而是发送信息帧给对方。也就是说利用对方等待收方应答帧的时间T1内,收方插入发送本方的信息帧,同样本方的发送也存在一个延时重发的问题，在规定的时间内如果没有收到对方应答帧，收方也同样需要重发原来的信息帧，这个规定的时间就是T2。显然由于收方是利用间隙时间发送本方信息帧，所以T2<T1。下图以下位机模块先发数据帧为例，阐述双方通信的具体实现过程。上位机模块上位机模块………………||下位机模块需要说明的是，由于版面的限制，上面的图所示的通信过程没有涉及到发送非确认帧的情况，如果收方发送非确认帧，发方的发送过程跟发送数据帧是一样的，只不过这种情况下需要重发同一帧号的数据帧。如果上位机模块先发命令帧，双方通信的实现过程跟上图类似，所不同的是数据帧此时变成命令帧，命令帧变成数据帧。在延时的时间上，无论是下位机先发送数据帧还是上位机先发送命令帧，T2的大小都应该是一样的，都是利用时间间隙T1发送收方信息帧，延时的时间是相同的。然而，对于T1而言，情况就有所不同，因为下位机模块先发送数据帧时，利用T1的间隙时间上位机模块发送的命令帧可能较少，因此当下位机模块先发送数据帧时所定义的T1应该小于当上位机模块先发送命令帧时所定义的T1,因为当上位机模块先发送命令帧时，利用T1的间隙时间下位机模块发送的数据帧可能比较多。4程序的设计3.41主函数的设计思路开机上电后，程序在主函数中运行，单片机和GSM模块分别进行初始化。单片机的初始化包括设置串口工作方式、波特率，并初始化变量参数和标志位。GSM模块初始化包括重新启动、关闭回显、设置在TEXT模式下在返回值中不显示详细的头信息、选择短信格式为TEXT模式、开发串口中断准备接收数据。为了使模块能对返回的参数采取不同步骤，程序设置了可以位寻址的标志位，分布在在单片机89C52的位寻址区2EH和2FH两个字节单元中,如表9所示。表9标志位列表标志位含义位地址f_inited初始化完成7EHf_sending有数据块发送7CHf_ack发确认帧74Hf_nack发非确认帧73Hf_sended发送成功79Hf_read_sms可以阅读短信息7FHf_deleting删除短信息78Hf_ready见表57AHf_geti2c见表577H主函数是一个不断遍历E2PROM寻找需要发送的数据块，和判断是否需要向上位机模块发送应答帧的循环过程。前者是通过不断遍历位寻址区查寻标志位f_sending、f_ack、f_nack是否被置为1来实现的。后者是当接收到上位机模块的短信数据时所需执行的操作指令。一旦遍历到数据块需要发送，或者实时接收到了上位机模块发送来的短信数据，主函数将快速转到时钟中断服务程序来调用SHELL函数，完成数据块或者应答帧的发送。实际上无论是数据块的发送还是应答帧的发送，都是针对GSM模块不同返回参数的处理过程。另外，主函数在完成单片机和GSM模块的初始化后，将立即开放串口中断，实时接收GSM模块返回的参数以及上位机模块发来的短信数据。系统运行时，上位机模块首先发送一个应答帧给下位机模块，从而启动下位机模块的运行。应答帧可以是确认帧，也可以是非确认帧，这可以事先约定。程序的开头检验是否收到应答帧，有两个意图。其一，当系统启动时作为下位机模块的启动信号；其二，当下位机模块正常运行时，在发送完短信后，下位机模块需要判断上位机模块是否收到了短信，判断的依据就是上位机模块是否返回应答帧。根据应答帧的内容，下位机模块将决定是继续发送下一帧数据还是重新发送上一帧。按照双方通信约定的协议，如果超过了最大延时T1,下位机模块也将重发上一帧，重发的过程也是时钟中断服务程序调用SHELL函数的过程。3.42GSM返回参数的处理－SHELL函数SHELL函数是进入时钟中断程序时被调用的，该函数是对GSM模块返回参数进行处理的函数。根据系统设计的要求，需要对GSM模块进行下列操作：呼叫对方模块号码、发送数据、阅读短信、删除短信。基于以上操作指令，如果操作成功GSM模块会分别返回不同的参数：>、＋CMGS、+CMGR、OK，根据接收到的不同参数，下位机模块将转向不同的操作步骤，判断并改变标志位的值。比如，如果某时刻接收到>,这表明呼叫对方模块号码获得成功，接下来需要发送数据，这时SHELL函数将检查发送不同数据所代表的标志位f_sending、f_ack、f_nack，从而决定需要发送何种类型的数据。如果f_sending＝1，需要发送E2PROM中的某个数据块；如果f_ack＝1，需要发送确认帧，告诉对方已经成功接收到了对方发送的数据；如果f_nack＝1，需要发送非确认帧，表明本方接收到的数据是错误的，并等待对方重新发送上一帧数据。需要说明的是，在同一时刻这三个标志位只有其中之一等于1，这是双方通信的半双工协议所强行约定的。对于其余三个返回参数，处理思想基本类似，在此不一一罗列。如果操作失败，模块返回ERROR，也有三种可能的情况，分别是发短信出错、阅读短信出错、删除短信出错。SHELL函数将检查上述操作的标志位是否为1，并根据标志位的情况重新发送该AT指令。还有一个返回参数比较特殊，即在等待接收返回参数的过程中接收到了＋CMTI。这不是本方主动操作获得的返回参数，而是表明上位机模块此刻有短信数据到来。SHELL函数将首先提取短信数据在SIM卡中的存放序号，并将此序号存放到单片机2的指定单元中，然后根据序号发送阅读短信指令。如果没有接收到任何GSM模块返回的参数，即字符缓冲区中字符个数为0，发生这种情况有两种可能。其一，当单片机和模块初始化完毕后，如果首次遍历E2PROM时发现有数据块需要发送，SHELL函数将会呼叫对方号码，试图建立连接，准备发送数据。因为在呼叫对方号码之前，下位机模块没有进行任何AT指令操作，模块也就不会返回任何参数，这是情况之一。其二，当下位机模块发送完数据块后，在等待对方应答帧的过程中，如果在最大的延时范围内没有收到对方的应答帧，SHELL函数也将会呼叫对方号码，准备重新发送上一数据块，超时重发机制在这里得到了反映。3.43短信数据的处理－ExecData函数进入时钟中断调用SHELL函数时，如果接收到了返回的参数＋CMTI，表明上位机模块向下位机模块发送了短信数据，可能是命令帧，也可能是确认帧或者非确认帧。在这种情况下，SHELL函数需要对短信内容进行分析，并根据短信的内容进行不同的处理，负责完成以上功能的就是ExecData函数，它是被SHELL函数调用的，用来分析并处理短信数据。ExecData函数首先判断接收到的短信数据是否为有效帧，这里的有效帧仅仅指帧的格式是正确的，并不表明帧的内容也是正确的。判断的依据是判断帧头是否为规定的字符“WQ”。在有效帧的前提下，ExecData函数将根据帧的性质进行不同的处理。按照帧的性质来划分，有效帧分为信息帧和应答帧，这在3.2节有详细的介绍。因为接收的是上位机发送的短信数据，所以这里的有效帧只包括命令帧和应答帧。第一种情况，如果接收到的有效帧的帧号为00H，则表明该帧为命令帧。ExecData函数的处理方式是，首先判断I2C总线是否被占用，如果没有被占用就抢占，如果I2C总线忙则丢弃该帧。抢占总线后需要判断命令帧的校验子是否正确，如果正确表明该帧数据无误，接着将数据写入E2PROM的指定区域，该指定区域位于E2PROM前两个数据块的119～134字节处，如表6所示，并修改相应的标志位f_ack，准备向上位机模块发送确认帧；如果校验子不正确，则表明该命令帧错误，ExecData函数将丢弃该命令帧，并置位f_nack,期待对方重发。第二种情况，如果接收到的有效帧的帧号不是00H,则表明该帧一定是应答帧。ExecData函数首先判断帧号是否正确，从而确定该帧是否是本方期待的应答帧。如果帧号不正确，ExecData函数会丢弃该帧，表明此帧并非本方所发送数据帧相应的应答帧。帧号正确的应答帧，既可能是确认帧，也可能是非确认帧。如果收到的是确认帧，表明对方已经正确接收到了本方发送的数据帧，ExecData函数将会改变相应的标志位，并清除E2PROM中的块标记。接下来遍历E2PROM，看是否还有数据块需要发送。如果有，标志位f_sending被置位为1，反之，将会清除E2PROM中的发送标记，即将首字节清成00H,如表6所示；如果收到的是非确认帧，表明对方接收到了本方发送的数据帧，但是数据帧是无效的。这种情况ExecData函数处理起来比较简单，仅仅将标志位f_sending置为1即可，表明该数据帧需要重发。通过以上的分析，我们不难发现，整个程序错综复杂，函数之间相互牵扯。标志位在程序的实现过程中扮演着非常重要的角色，正是依靠这些标志位，程序才能很好地实现各个功能之间的切换，而标志位的值是通过GSM模块返回的参数修改的。因此程序的实现过程应该是：阅读参数－>修改标志位－>发送指令。主函数、时钟中断和串口中断程序、SHELL函数、ExecData函数是贯穿整个程序的主线和核心部分，对它们的分析可以理解程序的主体思想，这也正是笔者着重介绍的原因所在。然而这些函数和中断程序的实现，还需要依靠其它函数的配合，比如基于I2C总线的E2PROM操作函数、字符串操作函数、以及串口发送函数等，由于篇幅所限，在此不再介绍。GSM网络本身是不完全可靠的，可能会发生帧发送错误、帧丢失的现象，但是由于重发、延时重发机制的存在，程序可以最大程度避免上述情况的发生。在实际应用过程中，模块运行正常，性能稳定，实时性好。4.3电力载波通信模块电力载波通信模块框图如图3所示。设计中采用AT89S52作为微控制器,电力线载波调制解调器采用专用芯片ST7536。AT89S52和ST7536之间采用通用串行通信接口,用I2C总线和串行EEPROM通信,EEPROM采用铁电的24C02,此芯片具有无限次可擦写功能。通过电力载波实现整个网络的通信,通过两总线实现模块与其它设备的通信。这样,通模块就可以通过软件及通信协议实现对多个实际设备通信与控制。所有的数据帧均采用CRC校验。AT89S52和ST7536均采用外部硬件上电复位,同时使用AT89S52的内部看门狗功能,对AT89S52和ST7536进行必要的复位,以防止系统死机造成网络通信中断。多路选择开关采用CD4052,通过其进行电力载波和两总线的选择,以实现电力载波通信和两总线通信的分时控制。>图3

通用通信模块框图

>图4

电力线接口图通信模块电力线接口电路设计国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究,多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片,并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美地区电网(480Y/277V,208Y/120Vac)的标准频率范围100KHz-450KHz和针对欧洲地区电网(400Y/230Vac)的标准频率范围9KHz-150KHz。各家公司在标准频率范围下,针对本地区电网特点,采用各种特定专有技术,设计出各己的电力线载波modem芯片。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构,且一般是针对家庭内部自动化而设计,在国内使用都难尽人意。目前,有一、两款电力线载波modem芯片在一定应用领域可勉强使用。本系统采用ST7536作为电力载波通信的调制解调器。ST7536是STMicroelectronics公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。它除有一般modem芯片的信号调制解调功能外,还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前,在国内电力线载波通信领域应用广泛,只是各公司应用水平不同。ST7536调制解调技术是较落后的FSK方式,它最高波特率只能达到1200bps。另外它无CSMA(网络载波侦听)功能,这些限制了它的应用。目前,根据国内电网的实际情况,在电力线载波通信领域,ST7536是较适合的modem芯片。从ST7536输出的信号幅度小、驱动能力弱而且还有各种谐波,因此必须经过放大和滤波,然后才能通过耦合电路将信号调制到电力线上。耦合电路将高压和低压隔离,以防止高压击穿通信电路。同样,从电力线来的载波信号又要由ST7536接收,而电力线上的干扰信号很不确定且非常复杂,所以需要一个带通滤波器,通过67.2kHz~87.5kHz之间的信号(本系统采用72kHz载频),经过预放大后再送到ST7536的接收端。电路的框图如图4所示。其中框图左端包括来自ST7536的ATO和RAI及RX/TX,RX/TX是数字信号,控制收发转换。ATO是ST7536的发送输出,它和电力线接口的发送输入相连。模拟发送输出由自动等级控制输入电路来调整。最大输出电压的峰-峰值是6.5V。RAI是ST7536的接收模拟输入。它和电力线接口的接收输出相连,最大输入电压的均方根值是2V。接收灵敏度的均方根值在信道1和信道2(600baud)上是2mV;在信道3和信道4(1200baud)上是3mV。本系统采用后者。通过控制ST7536的RX/TX控制引脚,使载波电路处于接收状态,在火线和零线之间加72KHz、0.3V的正弦信号,用示波器观测ST753624引脚的波形,正常应为72KHz、1.5±0.5V,频率偏移调整C35-C37,每增加1nF,中心频率下降2.4KHz。载波接收信号如图5所示;当始载波电路处于发射状态时,将ST7536的第10引脚,即测试引脚接VCC,在零线和火线之间连接5.1Ω的功率电阻,用示波器观测零线和火线之间的波形,正常应为72KHz、峰峰值大于等于7V,若信号失真调整则调整相关电容。。本通信模块的设计采用电力线载波和两总线通信相结合,在一个电力线子网中尽可能的减少使用电力线通信,使电力线中由于电力载波信号引起的同一频段的干扰信号得到很好的改善,而使用两总线通信实现通信模块和底层间的通信。以实现家用电器及楼宇自控系统的网络互联、互操,特别是在楼宇自控领域和多表集抄系统中已经得到了实际应用。4.4双CPU通信方法与RS-485通信虽然PIC16F87x系列单片机外围通信接口丰富，但是，整个系统通信复杂，接口资源仍然很紧张。主从CPU的可靠通信，是组群控制器可靠工作的关键之一。根据资源分配，主微控制器PIC16F877与从微控制器PIC16F873采用SPI接口，并以主从方式通信。根据系统端口配置需要，PIC16F873采用硬件SPI接口方式，PIC16F877采用普通I/O口RB1～RB3来模拟硬件SPI口，即软件SPI接口。PIC16F877的SPI硬件资源分配给E2PROM24C64使用。PIC16F873的SPI接口工作在从模式下，PIC16F877需要选用一个普通I/O口（这里是RB4）与PIC16F873的SPI通信控制端RA4/SS相连，控制SI通信的发起与结束，如图5所示。每次通信都是由PIC16F877发起，PIC16F873响应。

电能计量模块为单独模块，能够测量供电线路的电压、电流、功率、功率因数等参数，并具有标准的RS-485接口。为此，PIC16F873利用硬串口RC6/TX和RC7/RX，通过RS485接口变换，与电能计量模块JP1相连。这里MAX485芯片作为485总线接口转换芯片，用RC2作为RS-485总线通信输入/输出使能控制端，控制信号的读入和送出。4．5交流接触器控制与状态保持组群控制器的一项重要任务是通过固体继电器SSR和交流接触器实现照明线路供电控制。固体继电器为DC3～24V输入，AC220V输出，其输入由NPN型三极管9013驱动。由于系统实际运行过程中存在各种干扰，若则相关引脚很可能会出现跳变信号或三态，造成交流接触器误动作。因此“锁定”复位前状态，对保证系统可靠性非常重要。这里采用了由1个D触发器、1个光耦、3个电阻和3个I/O引脚组成的采样/保持电路，D触发器复位端R和置位端S分别接地，数据端D接CPU的数据控制端RE0，时钟端CLK通过光耦TIP521接CPU的时钟产生控制端RE1和RE2。保持电路的关键在于RE0、RE1、RE2单个引脚误动作无法产生有效时钟和控制指令。即使CPU发生复位，由RC0脚读回固态继电器当前工作状态，并将RE0输出（D触发器输入）置成该状态，进而保证SSR不产生误动作。电阻R32为上拉电阻，保证RE2出现三态时光耦不产生误导通。电阻R33起限流作用。实际证明该电路是有效的。

4．6时钟与控制策略要实现自动定时控制，系统时钟和系统预存控制策略是关键。组群控制器采用DS1302时钟芯片，为系统提供实时时钟。DS1302是一种带备份电源的、8脚、具有I2C串行通信功能的高性能、低功耗时钟芯片，提供秒、分、时、日、周、月、年日历功能。I2C串行总线SCL和SDA分别需要一个上拉电阻。主微控制器PIC16F877采用硬件I2C接口（RC3/SCL和RC4/SDA）与DS1302通信，如图6所示。组群控制器可以实现远程时钟校准。组群控制器将每日控制策略时间表