基于PL2102電力線載波的路燈控制系統

介紹一種51單片機基于電力線載波技術的路燈控制系統的工作原理和結構；同時介紹直序擴頻半雙工異步調制解調器PL2102載波芯片，利用它通過電力線載波應用系統可實現路燈的管理和控制；給出用PL2102對路燈進行控制的基本原理和軟硬件實現方法，以及其設計原理圖。

關鍵詞 單片機 電力線載波技術 PL2102 電力載波芯片

引言

　　路燈系統是公共事業中非常重要的一個部分。現在傳統的路燈只能實現路燈的開關，并不能了解路燈的實時工作狀況，比如路燈的電壓高低、電流的大小、內核的溫度以及是否正常工作。同時現在路燈線的盜割很嚴重，電力線或專用電纜常被人盜割，或被意外事故切斷，給供電部門或有關企業和人民群眾的生活帶來巨大損害。

　　隨著社會的不斷發展，人民生活水平的不斷提高，公共路燈的監控越來越重要。為了提高公共照明系統的質量,及時發現路燈的損壞情況，筆者設計了一套基于電力線載波通信技術的公共路燈遠程監控系統。通過電力線載波通信技術來傳輸控制路燈的信號, 能夠實時監控電力線路運行情況，有效地對電力變壓器、電力線路等設施發生缺相、斷電、斷路等現象或遭到人為破壞時，進行監控并及時報警，達到使工作人員做到及時處理，減少損失的目的。

1? 系統的工作原理

　　本系統主要由2個部分組成——主機和從機。主機就是一個單片機系統加一些簡單的液晶顯示屏、小的鍵盤和通信模塊，如PL2102；從機由單片機和一些外圍設備組成，如一些A/D采樣單元、地址編碼單元及相應的通信模塊等。主機主要是在路燈的控制室內安置，負責收集從機數據，分析數據，發送指令；從機則直接安裝到每個路燈上，負責現場的數據采集和傳輸，執行主機的指令。一臺主機可以控制多臺從機。

　　主機通過電力線載波的串行通信方式對從機進行監控。一個通信數據包由8字節數據組成，第1、第2字節是主機標識，第3字節是命令，第4、第5字節是從機地址，第6至第8字節為數據。主機采用廣播方式發送命令數據，從機收到通信包后進行數據分析：一是識別主機是否是自己的上級主機，二是識別從機地址是否是自己的地址，只有在全部確認無誤后從機才執行命令和相應的操作。

　　從機直接監控路燈的狀態，通過電力線載波接收電路接收來自主機的指令，并執行相應的操作；完成對電流、電壓、溫度的采樣處理，判斷路燈是否工作正常，并根據數據分析判斷路燈的工作狀態是否正常。如果工作狀態異常，就執行相應的操作，保護路燈，并把數據和警告發送給主機。

2? 硬件電路的設計

2.1? 主要器件的選擇和相關的性能

　　PL2102是專為電力線通信網絡設計的半雙工異步調制解調器，僅由單一的+5 V電源供電，有一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通信控制功能外，還內置了5種常用的功能電路：可數字頻率校正的實時鐘電路，32字節SRAM，電壓監測，看門狗定時器及復位電路。它們通過標準的 I2C 接口與外部的微處理器相連，其中實時鐘與32字節SRAM在主電源掉電的情況下，可由3 V備用電池供電繼續保持工作。PL2102 是特別針對中國電力網惡劣的環境所研制開發的低壓電力線載波通信芯片。由于采用了直接序列擴頻、數字信號處理、直接數字頻率合成等新技術，并采用大規模數字/模擬混合0.35 μm CMOS 工藝制作，所以在抗干擾及抗衰落性能以及國內外同類產品性價比等方面有著出眾的表現。AT89C52是一個低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內含8 KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 B的隨機存取數據存儲器（RAM）；采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS51指令系統，芯片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。

　　AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口；同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。AT89C52可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本，完全可以滿足主機和從機系統的各種需要。

2.2? 電路設計

　　電力線載波電路的設計主要分為兩個部分：電力載波信號接收電路和發送電路，如圖1所示。載波接收和發射原理如圖2所示。

圖1? 載波收/發電路結構

圖2? 載波電路原理圖

圖3? 數據處理及控制電路

　　接收信號部分：D7主要用于箝位，以防止過大的浪涌電流；C15、C16 和L2 并聯諧振工作在f=120 kHz，具有對120 kHz信號的選頻作用，以對輸入的微小信號進行放大，從而提高接收輸出靈敏度。

　　發射信號部分：發射回路電容C14、電感L1（18 μH/200 mA）用于調整發射電流和波形，減小C14 和增大L1將減小發射電流和改善波形；反之，將增大發射電流和波形失真情況。由于線圈的帶載能力一定，調整C14 和L1將影響線圈的發射功率和自身功耗。4個晶體管逐級放大，4個二極管起保護作用。發射電壓VHH影響發射功率的大小，隨著發射電壓的下降，發射功率也下降，發射電壓越高晶體管的自身功耗越大，一般發射電壓選10~18 V。

　　數據處理及控制電路如圖3所示。當PL2102收到的載波信號經內部電路處理后，它將解調出數據bit信息，并經RXD_TXD輸出，同時HEAD同步輸出低電平。當AT89C52的INT0產生中斷并接收bit后，會根據預定格式合成相應的指令信息；同時根據指令中所規定的時間設置來修改開關燈時間及開燈的比例，并執行開關燈的操作等。另外，它還將在開燈后監控電流、溫度等參數，以便在嚴重超標時執行保護措施，同時及時給主機發送故障原因信息。

2.3? 載波部分軟件設計

　　系統軟件采用C語言編寫，并全部采用模塊化編程。該部分的軟件編程中，如何接收并發送載波信號是重點。圖4給出了載波通信接收流程，圖5是載波通信發送流程。

圖4? 載波通信接收流程

圖5? 載波通信發送流程

3? 結論

　　經過測試，基于電力線載波技術的遠程路燈控制系統，已經能夠有效地對路燈的工作狀態進行監控。它具有造價低廉，安裝簡單，傳輸線路廣泛等優點，有著良好的市場前景。