1、 天津工业大学2013届本科生毕业设计（论文） 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日天津工业大学毕业论文任务书 题目基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计学生姓名额外特温特学院名称电气工程与自动化学院专业班级过多个地方课题类型实际课题课题意义 基于电力载波技术的智能化路灯控制系统能够弥补当前路灯控制器的不足，将电力载波技术应用于路灯控制过程中，实现主控站和从控制站之间的信息交换，从而实现路灯的智能化，并且成本低，易于推广应用。它能够实现远程控制，并和现有的电力线兼容，检修方便，可
2、以提高城市路灯的利用率，节能。任务与进度要求312-3.30：对此设计进行初步的了解和资料查询，对本设计方案具有初步的轮廓4.2-4.30：完成控制设计，及硬件电路设计，5.4-5.30 ：完成毕业论文任务书初稿，并对设计的硬件进行调试；5.31-6.7： 完善任务书，准备毕业答辩，按时完成主要参考文献1 M.- H. Shwehdi, “A Power Line Data Communication Interface using Spread Spectrum Echnology in Home Automation J,” IEEE Trans. Power Delivery, vol.
3、 11, no. 3, July 1996, pp. 1232-1237.2 张辉.现代通信原理与技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2002.3 齐国清.信号检测与估计M.北京：电子工业出版社，2010.4 朱小龙.数字通信技术M.北京：化学工业出版社，2004.起止日期2013年3月12日2013年6月7日备注院长 教研室主任 指导教师 毕业论文开题报告表 2013年 3月10日姓名发给学院电气工程与自动化专业自动化班级梵蒂冈题目基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计指导教师东方省一、与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义： 国外研究情况：国外很多国家已经将此技术
4、应用于智能化大厦三A 系统之中，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。课题研究的主要内容：主单片机和从单片机之间通过电力载波技术来进行通信。主单片机用来实现对从单片机的控制，从单片机完成对路灯的控制，并对此灯的状况进行自检（检测此灯的电流），将路灯的工作状况通过电力载波技术传送到主控机上，并显示出来。 课题研究的目的：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。改变传统的控制方式，实现了城市路灯的远程集中管理。课题研究的意义：智能化路灯控制系统能够弥补当前路灯控制器的
5、不足。它能够实现远程控制，并和现有的电力线兼容，检修方便，可以提高城市路灯的利用率，节能。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果3.2-3.304.2-4.305.4-5.305.31-6.7对此设计进行初步的了解和资料查询；完成控制设计，及硬件电路设计；完成毕业论文任务书初稿，并对设计的硬件进行调试；完善任务书，准备毕业答辩，按时完成本论文设计出总体的框架图，查相关资料；利用eagle 和 Protel 99 SE绘图工具完成一些电路图绘制，利用Multisim仿真软件一些电路仿真；用keil编写程序；最后调试。完成课题的现有条件AT89S52单片机开发板，电脑，各种参考书籍审查意见指
6、导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日 天津工业大学本科毕业论文评阅表（论文类）题目基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计学生姓名电话费 学生班级自动化094班指导教师姓名股份规范性评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10课题调研、文献检索能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获取新知识的能力。15论文撰写结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。10文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，
7、书写格式符合规范。10外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5论文水平论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，论证过程有说服力。15有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。15论文有独到见解或有一定实用价值。10合计100意见及建议：评阅人签名： 年 月 日 天津工业大学毕业论文成绩考核表学生姓名啊学院名称电气工程与自动化学院专业班级为题目基于电力载波技术的智能化路灯控制系统设计1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 年 月 日3毕业设计（论文）
8、总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)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M
9、ultisim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；ABSTRACT This paper first analyze the low-voltage power line channel characteristics, and establish the corresponding channel model; then based on its overa
10、ll 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 drawin
11、g 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 t
12、he 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 microcomput
13、er 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
14、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245.3 软件调试问题及其解决27第六章 论文总结28参
15、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
16、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
17、、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
18、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
19、，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
20、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
21、、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。
22、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。同步是电力载波通信系统中的重要组成部分。如果没有同步就会出现大量的错码乱码，载波同步系统的性能指标主要有：有效率、精度、同步建立时间、同步保持时间。 噪声源：可以是人为因素造成，也可以是设备或者系统本身所具有的，但不是人们希望的15。1.3 电力载波技术的简单应用在一些涉及任务复杂、可靠性要求较高、实时性要求较强的领域，PLC技术因为其抗干扰能力、抗衰减能力的限制并未得到实际应用。 下面就对电力载波技术的现有系统的应用做
23、一个简单介绍。列如：在图1-2所示， 是一个电力载波技术在欧美应用很成熟的领域，由图中可以很明显的看到。病人的一切病状信息可以通过电力载波技术传送给医院，而医院的建议，诊断结果也可以借助于电力载波技术传送给用户，实现高效，及时的医疗检测系统。此网络的布局和大小，都是根据现有的电力线布局而来。 图1-2 医院监控网络 相对于国外的这些成熟的应用，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。虽然在远程抄表领域已经进入实际使用阶段，但是稳定性，可靠性，安全性这些基本问题并没有得到解决，并没有实现所谓的智能和自动。针对我国目前的现状，研究电力载波技术对我国现
24、代化建设具有重要意义。可以提高我们的工作效率，改变落后产能。可见研究低压电力线通信对我国经济社会发展也具有非常重大的意义。 第二章 FSK调制方式2.1电力线通信技术的发展状况 通过前言和第一章对通信系统和电力载波技术的了解。我们可以看出，选择合适的调制方式对于提高系统的可靠性和有效性具有重要意义。怎么样选择合适的调制方式，要从PLC技术的发展说起。 电力载波通信技术的诞生已有很长时间了。但因干扰大，信号污染严重，只有在很少的相对封闭的地方实际应用。早期的PLC技术和现代PLC技术有很大的不同。早期主要借助于电力载波机，在通信的两端口都安装有阻波器（用来减少能量的损耗）。如表2-1所示，其发展
25、历程：表2-1 电力载波发展历程 由表中可以看出，电力载波技术经过了电力载波机、功能单一的电力载波芯片到现在的网络设计中。通过现代载波技术的发展，让其在更广阔的领域应用成为可能。本论文主要针对KQ-130模块的需要，对其电力线的信道，信道建模具有详细分析。 实际应用表明，电力载波技术的信道变化剧烈，干扰强，各种突发噪声多等一系列问题。在这些问题的严重影响下，通信的可靠性、安全性、有效性等受到严重威胁，同时这也在很大程度上限制了它的使用。 因此，探索一种实际可行、可操作的调制方式是非常重要的。技术上调制方式可分为数字调制方式和模拟调制方式。两个调制方法的原理基本相同，如图2-2所示，输入的基带信
26、号通过调制器、信道再到解调器直到最后的基带信号输出，但在信道过程中，一定会出现各种噪声。 采用数字键控的方法来实现数字调制信号称为键控法5。基于本论文KQ-130模块采用的是FSK的调制方式，所以下面将对FSK调制技术做一个详细的介绍。其他的PSK技术、ASK技术应不涉及，不做详细介绍。在图2-2中，也明显的表示出了调制方式的基本框图。FSK调制技术也在此基础上演变而来。 图2-2 数字调制系统结构图2.2 FSK调制技术 FSK（Frequency-shift keying）移频键控指的是用载波的频率变化来传递数字信息8。在目前的通讯技术领域，大多数采用的是FSK技术，此技术很常见，由于简单
27、，也很普遍。2.2.1 FSK调制基础 FSK调制技术是日常通讯中一种常见的、应用比较成熟、抗干扰很强的调制技术。而且在中低速数据传输通讯中得到了很广泛的应用。 FSK有两个分类，连续和离散的FSK16。不管连续和离散，都是根据其输出波形进行确定的。而且，以目前数字技术的发展，大多的离散FSK朝着连续FSK发展5。2.2.2 FSK调制方式在2FSK中，随着输入数据的不同，两个频率发生器的变化，相应的输出是二进制的1 和0。 图2-3 非连续相位FSK产生 如图2-3所示，两个频率发生器f1和f2根据输入的二进制数据通过变换开关进行不断的切换，然后经过放大电路对信号的放大，从输出电路的输出端输出不连续的FSK信号。这种FSK 的调制方式在传统的通信设备中采用较多。目前的越来越多的这种调制方式朝着连续FSK发展。 如图2-4所示，接收到的FSK信号，通过带通滤波器来进行波形变化和信号调制，
