【文章內(nèi)容簡介】 集處理、電力載波通訊、微機控制、嵌入式、電子信息、軟件開發(fā)等技術(shù)，為監(jiān)測領(lǐng)域提供了穩(wěn)定精確地通訊技術(shù)。將電力載波通訊技術(shù)應(yīng)用到遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測中去，可以實時地有效地監(jiān)測遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的 各種環(huán)境參數(shù)，為遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的管理和研究提供便利。通過傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后由電力載波進行通訊，最后由上位機實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)溫度的參數(shù)信號，對于分析和研究遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)實時情況提供了依據(jù)。電力載波系統(tǒng)無需布線只需要各處都有的電力線即可完成通訊，具有靈活性好、安裝方便等優(yōu)勢，可以成為監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展方向?；陔娏d波的遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，利用了電力網(wǎng)絡(luò)本身的低成本、易于實現(xiàn)、通訊方便、簡單易于建立等優(yōu)點。將電力載波通訊技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上以及民眾的生活中，具有更積極的現(xiàn)實意義和應(yīng)用意義。 2 系統(tǒng)設(shè)計框圖 本 設(shè)計 的主要目的是設(shè)計一套基于電力載波的遠程溫度監(jiān)控 和檢測 系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在采集到溫度后自行進行數(shù)據(jù)處理，由發(fā)送模塊將信號發(fā)送到電力線上，接收模塊檢測到電力線上的信號后將信號進行處理，最后將處理后的正確信號由串口傳送到上位機中，由監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進行保存與顯示。 從而達到對水溫的監(jiān)控和檢測。 系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖 如圖 ： 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 4 頁 共 30 頁 圖 系統(tǒng) 總體設(shè)計框圖 本 設(shè)計 的主要研究內(nèi)容包括電力載波終端硬件設(shè)計、電力載波 上位機硬件 設(shè)計、遠程溫度監(jiān)控系 統(tǒng)上位機軟件設(shè)計等。 (1)電力載波終端硬件設(shè)計。系統(tǒng)終端硬件模塊設(shè)計需要使用單片機控制模塊實現(xiàn)核心控制；信號采集與處理模塊實現(xiàn)遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理 ； 電力載波通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)主從點的電力載波通訊功能 ； 數(shù)碼顯示模塊實現(xiàn) 對實時溫度 數(shù) 據(jù)顯示 ；同時接收來自上位機的控制命令，對繼電器進行控制，從而達到控制加熱器 ，控制水溫 目的 。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，選擇合適的單片機以及硬件模塊，并進行合理的硬件接口設(shè)計。按照系統(tǒng)設(shè)計電路原理圖，將各模塊進行 設(shè)計 ，使各個模塊按照系統(tǒng)設(shè)計要求正常工作。 (2)電力載波 上位機硬 件 設(shè)計。 系統(tǒng)的程序軟件設(shè)計需要實現(xiàn)裝置初始化，主循環(huán)程序，信號定時的采集與處理，載波發(fā)送和接收進程 ， CP2102 通訊模塊實現(xiàn)下位機與上位機通訊功能 ，采集信號的定時掃描顯示，通道識別和標(biāo)識符識別與處理等功能。 (3)遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計。 遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件主要包括了接收串口上傳的溫度實時顯示和保存數(shù)據(jù)、及向下位機發(fā)布控制命令等功能。 電力載波模塊 主控 PC機 電力載波模塊 電力載波模塊 單片機控制系統(tǒng) 溫度采集傳 感 器18b20 加 熱 器系統(tǒng) 單片機控制系統(tǒng) 溫度采集傳感器 加熱器系統(tǒng) 市電220V 數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度 數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 5 頁 共 30 頁 3 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 按照 設(shè)計 內(nèi)容的研究要求，設(shè)計系統(tǒng)方案。 系統(tǒng)模塊主要包括增強型單片機最小系統(tǒng)模塊設(shè)計、信號采集與處理模塊設(shè)計、 數(shù)碼管 顯示模塊設(shè)計、電力載 波通訊模塊設(shè)計、CP2102 通訊模塊設(shè)計、繼電氣控制模塊設(shè)計?？紤]到成本、接口與穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用AT89S51 單片機做系統(tǒng)的處理器 。以及溫度傳感器采用 DS18B20 數(shù)字傳感器，它具有極高的可靠性和優(yōu)越的長期穩(wěn)定性， DS18B20 是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度數(shù)字傳感器，并擁有專用的溫度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù) 。數(shù)碼管 顯示模塊采用了四位一體共陽極數(shù)碼管，電力載波通訊模塊采用 KQ130F 芯片，它是一款高效率的功率放大芯片 。CP2102 通訊模塊采用了 CP2102 作為串行通訊的收發(fā)控制器，該芯片具有性能穩(wěn)定，抗干擾能力強等優(yōu)點。 電力載波終端硬件設(shè)計 電力載波終端硬件設(shè)計包括了系統(tǒng)模塊設(shè)計和 PCB 板設(shè)計與制作兩部分。系統(tǒng)模塊主要包括單片機最小系統(tǒng)模塊設(shè)計、信號采集與處理模塊設(shè)計、 數(shù)碼管 顯示模塊設(shè)計、電力載波通訊模塊設(shè)計、穩(wěn)壓電源產(chǎn)生模塊 、 CP2102 通訊模塊設(shè)計、 繼電器控制模塊設(shè)計。電路板的設(shè)計主要經(jīng)過對于整機結(jié)構(gòu)以及成本的考慮在 AD 繪圖軟件上進行設(shè)計。 系統(tǒng)模塊設(shè)計 為了降低開發(fā)的難度，以及提高開發(fā)效率，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計原理，讓各部分功能模塊之間盡量減少耦合度，這樣更有利于后期開發(fā)的移 植，為系統(tǒng)的升級和優(yōu)化減輕了工作量。電子載波終端硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成： AT89S51 單片機最小系統(tǒng)、信號采集與處理模塊、 數(shù)碼管 顯示模塊、電力載波通訊模塊、 CP2102 通訊模塊 ,控制電路等。硬件系統(tǒng)的工作原理是：載波從節(jié)點裝置的單片機最小系統(tǒng)經(jīng)信號采集與處理獲得信號數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行均值濾波處理，然后控制顯示模塊顯示數(shù)據(jù)有效值，同時載波收發(fā)電路將數(shù)據(jù)傳送到裝置主節(jié)點，裝置主節(jié)點通過 CP2102 通訊上傳到上位機。 51 內(nèi)核單片機最小系統(tǒng)擁有控制功能和數(shù)據(jù)處理能力強、可靠性高、易擴展、功耗低、體積小、成本低 等特點。單片機是具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、只讀存儲器 ROM、隨機存儲器 RAM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等集成到一塊芯片上構(gòu)成微型的具有高效智能的處理數(shù)據(jù)能力的計算機。單片機又稱為 “ 微控制器 ” 。通過對單片機的性能、控制功能、價格等進行比較，以及對于載波通訊的了解，結(jié)合資源的需求，采用了普通 51 單片機。 AT89S51 是為載波通訊應(yīng)用設(shè)計的一款低成本 SOC芯片，該芯片可以做監(jiān)測系統(tǒng)裝置的 CPU， AT89S51 單片機采用純數(shù)字技術(shù)設(shè)計， AT89S51 的最小系統(tǒng)主要包括了： 晶振 ；外部 RAM， 載波通訊芯片 RX/TX 引腳匹配電路：以及系統(tǒng)運行指示燈；系統(tǒng)自動復(fù)位電路。晶振主要用的是直插式無源晶振，加 2個 30PF桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 6 頁 共 30 頁 起振電容。 如圖 。 圖 單片機最小系統(tǒng)圖 信號采集與處理系統(tǒng) 設(shè)計 信號采集系統(tǒng)主要 是 溫度采集 。遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各個分站點上傳的數(shù)字信號，可以準(zhǔn)確地判斷遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作情況，為遠程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的溫度控制 和檢測 提供了可靠依據(jù)。因此， 溫度 采集系統(tǒng)是設(shè)計的關(guān)鍵。該系統(tǒng)中 溫度 的采集均采用了數(shù)字傳感 器方式，提高了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性。其中溫度采集部分采用 DS18B20數(shù)字溫度傳感器， 單片機 通過單總線方式 采集傳感器的數(shù)字信號，然后經(jīng)過算法處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的可靠顯示。 溫度的采集主要是 采用 DS18B20 溫度 傳感器，它具有極高的可靠性和優(yōu)越的長期穩(wěn)定性， DS18B20 是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度數(shù)字傳感器，并擁有專用的溫度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。 溫度 傳感器包括一個 NTC 測溫元件，與 單片機 的 進行連接進行數(shù)據(jù)的傳送方式是單總線結(jié)構(gòu)。傳感器的單線制串行接口使系統(tǒng)的集成變得簡易快捷。 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 EERAM。高速暫存 RAM 的結(jié)構(gòu)為 8字節(jié)的存儲器，頭 2 個字節(jié)包含測得的溫度信息，第 3和第 4 字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第 5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。 DS18B20 工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。低 5 位一直為 1， TM 是工作模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式， DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶要去改動， R1 和 R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù) ，來設(shè)置分率。 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。 高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯 1。第 9 字節(jié)讀出前面所有 8桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 7 頁 共 30 頁 字節(jié)的 CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第 2 字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以 ℃ ／ LSB 形式表示。 當(dāng)符號位 S＝ 0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位 S＝ 1 時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與 RAM 中的 TH、 TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若 T＞ TH 或 T＜ TL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只 DS18B20 同時測量溫度并進行報警搜索。 在 64 位 ROM 的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（ CRC）。主機 ROM 的前 56 位來計算 CRC 值，并和存入 DS18B20 的 CRC 值作比較，以判斷主機收到的 ROM 數(shù)據(jù)是否正確。 DS18B20 的測溫原理是這這樣的 ,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1， 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2的 脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 溫度寄存器 中，計數(shù)器 1和溫度寄存器被預(yù)置在 55 ℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時，溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到 0時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)器門仍關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值使用該款傳感器檢測信號的處理過程中會調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。從 而保證了 CPU采集到的溫度信號值的可靠性和精確度。 DS18B20 的性能特點如下： ● 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信； ● 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； ● 無須外部器件； ● 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為 ~； ● 零待機功耗； ● 溫度以 9或 12 位數(shù)字； ● 用戶可定義報警設(shè)置； ● 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件； ● 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作； 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 8 頁 共 30 頁 電力載波通訊系統(tǒng) 設(shè)計 電力載波通訊部分是該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點和難點，該系統(tǒng)的電力載波通訊系統(tǒng)部分，主要包括了 電壓隔離電路 、 接收電路， 和載波 發(fā)送電路 三部分。其中電壓隔離電路主要實現(xiàn)強電 220V 和弱電的 12V 的轉(zhuǎn)換，以及裝置外部和裝置內(nèi)部的電氣隔離。接收電路主要實現(xiàn)信號接收和濾波作用，增加載波通訊的靈敏度，最大可以達到 32dBuV。 載波發(fā)送電路部分 主要實現(xiàn)了載波信號的功率放大作用，也起到了信號 耦 合效果，其中主要用到的電源信號是裝置提供的直流 12V 電源，調(diào)制方式有很多種，究竟選擇哪一種調(diào)制方式是由載波信道的特性決定的。 設(shè)計采用了一種常 用的數(shù)字調(diào)制方式。 常見的 數(shù)字調(diào)制方式包括頻移鍵控、振幅鍵控、相移鍵控，由于電力線上的信號時變衰減較大，所以我們不采用振幅鍵控；又因為相移鍵控涉及到相位檢測，而且電力線上干擾噪聲多樣，這使得相位檢測出現(xiàn)一定的困難。所以，本設(shè)計采用頻移鍵控數(shù)字調(diào)制方式產(chǎn)生已調(diào)信號。 頻移鍵控數(shù)字調(diào)制方式包括二進制頻移鍵控、最小頻移鍵控、高斯濾波的最小頻移鍵控。這幾種調(diào)制方式各有其特點，二進制頻移鍵控實現(xiàn)容易、轉(zhuǎn)換速度快、波形好。 最小頻移鍵控消除了碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位突變，從根本上解決了包絡(luò)起伏問題，其頻譜滾降得到了顯著改善。 高斯濾波的最小頻移鍵控在抗干擾方面有顯著的作用。雖然，最小頻移鍵控和高斯濾波的最小頻移鍵控有很多優(yōu)點，但是，其實現(xiàn)困難。所以，本設(shè)計采用二進制頻移鍵控的調(diào)制方式。 2FSK（二進制頻移鍵控）信號的產(chǎn)生通常有兩種方式：頻率選擇法，載波調(diào)頻法。 本設(shè)計采用二進制頻移鍵控的調(diào)制方式， 通信模塊的硬件實現(xiàn)由載波耦合電路、載波信號發(fā)送端電路（信號功率放大電路和輸出功率控制電路）、濾波接收單元（接收濾波電路和解調(diào)電路） 。 圖 信號耦合電路 在 圖 信號耦合 中，電容 C11 濾除交流 50Hz 信號，采用隔離變壓器 T2 使 電力線回路和通信單元安全隔離，并由電容 C11 和隔離變壓器的次級線圈電感 L 構(gòu)成高通濾波器的功能。電容 C11 采用長壽命高性能的安規(guī)電容，因為安規(guī)電容存在壽命問題，隨著使用時間的推移，容量會變得越來越小，若容量小于 10nF 將導(dǎo)致耦合電路失效。 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 9 頁 共 30 頁 圖 過零檢測電路 圖 過零檢測電路 ， 圖中 :PHASE：火線 ZERO：零線 ZCHK：過零信號輸出 ,連接的 ZCP_DET(14)引腳需要滿足在 220V 市電條件下：上升沿零點（芯片引腳檢測到由低轉(zhuǎn)為高電平時刻）滯后實際市電的零點 400177。50us ； 下降沿零點（芯 片引腳檢測到由高轉(zhuǎn)為低電平時刻）滯后實際市電的零點 450177。50us 。 圖 功率控制部分 在圖 ,所起的作用是當(dāng) 15V電源電壓被拉低到 控制其輸出電流，保證 15V電源電壓不至于被拉低到太低而致使整個系統(tǒng)無法正常工作，其最突出的是可優(yōu)點以很好的保證低電壓試驗?zāi)軌蛲ㄟ^。 桂林電子科技大學(xué)實訓(xùn)（論文）報告用紙 第 10 頁 共 30 頁 圖 發(fā)送電路 在圖 ， TS5 是一顆 20V 的肖特基穩(wěn)壓管，但在這里沒有用到它的穩(wěn)壓特性，用到而是它的正向?qū)妷旱偷奶攸c，來保護 P溝道的 MOS 管，考慮到產(chǎn)品的可靠性，推薦這 顆穩(wěn)壓二極管選用 1N5817 或 SS12，或具有更低正向?qū)妷旱亩O管。電阻 R8/ 在這里起到保護載波芯片的作用，因為載波芯片采用的是 MOSFET 工藝，不推薦驅(qū)動容性負載，而這套放大電路的輸入是容性的，所以在這里串聯(lián)一顆 的電阻來保護載波芯片； US6M2 內(nèi)部具有一顆 P溝道的 MOS管和一顆 N溝道的 MOS管， P溝道的耐流為 1A， N 溝道的耐流為 ，這就使整個載波電路的耐流為 1A，所以供給這個放大電路的電源的功率不能太大，假如電源能提供的功率非常大，當(dāng)外界的阻抗很小時，就會有很大的電流流過 US6M2 這顆器件，當(dāng)超過它的額定值時，有可能會把 US6M2燒掉，所以推薦載波通信電路采用變壓器供電。 圖 接收 電路 在接收電路中，如圖 信號接收 電路 由信號耦合電路、帶通濾波器 BPF 和模擬前端 AFE三部分組成，其主要功能是對來自電力線上的擴頻通信信號進行有效的接收和模擬解調(diào)。其中，信號接收電路的設(shè)計目標(biāo)是提高頻帶內(nèi)的信號接收功率（信號耦合電路設(shè)計的一部分，需要同發(fā)送部分統(tǒng)一設(shè)計。），并最大限度地抑制來自電力線上的噪聲干擾，且使無源濾波網(wǎng)絡(luò)的插入損耗最小。 接受電路接