基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计

毕业论文基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计姓名学院电气工程与自动化学院专业自动化指导教师职称教授2013年5月1日院长教研室主任指导教师毕业论文开题报告表天津工业大学本科毕业论文评阅表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；ABSTRACTThis 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 (24)5.3 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。