基于LM1893芯片和單片機實現(xiàn)教室電器智能節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計

1 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

教室電器智能節(jié)能系統(tǒng)主要由人體檢測、亮度檢測、溫度檢測、單片機模塊、電力線載波通信模塊、上位機控制軟件6個功能模塊組成。

該系統(tǒng)以PC機作為上位主機，各下位機由單片機組成，各下位機之問無數(shù)據(jù)傳輸，只與主機產(chǎn)生數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 紅外檢測模塊

教室人數(shù)統(tǒng)計由2個人體檢測電路實現(xiàn)，分別安裝于教室門口內(nèi)、外兩側(cè)。門內(nèi)外兩側(cè)的紅外傳感器只要檢測到有人進教室或出教室，其輸出將有電平跳變，從而先后觸發(fā)單片機的中斷，單片機根據(jù)中斷次數(shù)和順序統(tǒng)計教室人數(shù)。紅外傳感器采用熱釋電紅外傳感器D203S，其外圍電路如圖2所示，IClA是一級低頻信號的放大電路，放大后信號濾波電路選出信號0.2～10 Hz的信號。

在靜態(tài)時，6，7腳的電壓也是1/2VCC，當(dāng)有信號后，6腳的電壓就會在1/2VCC上下擺動，這個電壓再通過IClB進行放大，輸入到后面的比較電路，該門限電路不管輸入信號是在1/2VCC上偏還是下偏，都將在上下門限值之間輸出一個高電平，此高電平經(jīng)過光耦后的信號作為單片機INT0外部中斷的請求信號。

1.2 電力載波通信模塊

上位機須根據(jù)單片機的檢測數(shù)據(jù)自動控制教室照明和風(fēng)扇的開通與關(guān)斷，而上位機與各個單片機之間的信號傳輸是通過2片電力載波芯片LM1893將信號在電網(wǎng)上調(diào)制或解調(diào)來實現(xiàn)。

LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高性能專用電力載波通信芯片，具有使用方便、價格低廉、精度高和可靠性好的特點，采用移頻鍵控的調(diào)制解調(diào)方式，抑制噪音的FSK調(diào)制方式，可實現(xiàn)任意編碼方式的數(shù)字序列半雙工通信，載波頻率在50～300 kHz之間可選擇。

單片機機與電力載波通信芯片LM1893連接電路如圖3所示，上位機與LM1893的外圍電路基本與此類似。LM1893的5腳為TX／RX發(fā)送接收控制端，由單片機的P1.0端控制，高電平為發(fā)送狀態(tài)，低電平為接收狀態(tài)。LM1893輸入端17管腳與單片機的串行發(fā)送端相連，當(dāng)控制端為電平時，由單片機輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)LM1893芯片內(nèi)部的調(diào)制振蕩單元，調(diào)制為125 kHz的正弦模擬信號，經(jīng)過功率放大后從芯片的I／O（第10管腳）輸出，最后通過信號耦合變壓器將此模擬信號耦合到電網(wǎng)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

當(dāng)控制端為低電平時，接收端12管腳與單片機的串行輸人口接收端相連。從電力線上來的信號經(jīng)高壓耦合電容和變壓器T組成的耦合電路從LM1893的10腳送入內(nèi)部平衡限幅放大器，經(jīng)芯片內(nèi)部電路的解調(diào)處理，從數(shù)據(jù)輸出端12腳輸出數(shù)據(jù)信號（TTL電平），從而實現(xiàn)單片機的接收。上位機的發(fā)送接收的方式和原理與此相同，不贅述。

2 、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 通信協(xié)議

為了保證電力線通訊的順利進行，本系統(tǒng)采用的通信協(xié)議遵守《地區(qū)電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)條件》，并且參照X-10協(xié)議。在電力線載波通信的過程中，因為采用異步半雙工工作方式，所以一定要有包含控制機制的傳輸協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。上位機和下位機需采用適當(dāng)?shù)膮f(xié)議和時序配合。該設(shè)計中，每次通訊過程總是由上位PC機首先發(fā)起，通訊時單片機先進入通訊狀態(tài)，等待與計算機通訊。上位機向下位機發(fā)送的命令為系統(tǒng)碼、地址碼、命令碼和校驗碼。

由于采用共用的電力線通訊，為避免電力線上的雜波載波信號對本系統(tǒng)主機和各從機的誤接收，在發(fā)送地址信號前，加了一個系統(tǒng)碼。而校驗碼是對此碼前所傳送的所有數(shù)據(jù)進行簡單加法，保留1個字節(jié)，進位自然溢出得到的數(shù)值，數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮辗綄λ盏降臄?shù)據(jù)的正確性進行判斷。同理，從機向主機發(fā)送命令為起始碼、地址碼、數(shù)據(jù)塊和校驗碼。

2.2 上位機軟件實現(xiàn)

上位機采用Delphi 7作為開發(fā)環(huán)境，對數(shù)據(jù)的存儲采用數(shù)據(jù)庫Paradox，此單端數(shù)據(jù)庫由Borland公司開發(fā)，可采用BDE引擎，與Delphi 7融合較好。對串口RS 232直接使用Windows API函數(shù)和多線程技術(shù)實現(xiàn)通信功能，串口通信軟件由負(fù)責(zé)人機交互的主線程和對串口進行處理的后臺輔助線程組成。

通信軟件構(gòu)架如圖4所示，主線程是串口通信程序的管理者，用來初始化串口（通過調(diào)用Win32 API函數(shù)），自定義通信事件消息，創(chuàng)建、刪除輔助線程，進行人機交互的操作及協(xié)調(diào)好各線程運行。輔助線程是串口通信軟件的核心，包括讀線程和寫線程。輔助線程對串口進行實時監(jiān)視，當(dāng)監(jiān)測到預(yù)定義的事件時，立即調(diào)用相應(yīng)的線程進行處理并向主線程發(fā)相應(yīng)的消息，如串口出錯，則退出線程并向主線程報錯；如接收到數(shù)據(jù)就調(diào)用讀線程自動接收數(shù)據(jù)并進行處理。

本系統(tǒng)由于對實時性要求不高，波特率選用在600～1 200 b／s之間，上位機的自定義幀格式為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位地址幀識別位，1位停止位，無奇偶校驗位。上位機工作流程如圖5所示，上位機通過RS 232串行發(fā)送口TXD以廣播形式向下位機先發(fā)系統(tǒng)碼后發(fā)地址碼，經(jīng)LM1893調(diào)制成125 kHz的正弦信號，通過耦合變壓器，耦合至電力線上。上位機發(fā)送后將設(shè)置LM1893為解調(diào)狀態(tài)處，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。而所有從機的LM1893已處于解調(diào)狀態(tài)，完成接收數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)通過中斷服務(wù)子程序由單片機串行接收口RXD輸入各自CPU，如果起始碼和地址碼都正確，從機將LM1893設(shè)置為調(diào)制狀態(tài)，將地址確定信號返回信息給主機。主機收到數(shù)據(jù)，對正誤標(biāo)識進行判斷，如收到正確返回信號，則繼續(xù)與此從機通信；如遇錯誤標(biāo)識或在一定時間內(nèi)沒收到回送信息，則進行命令重發(fā)。

2.3 下位機軟件實現(xiàn)

由于涉及到單片機多機通訊，因此單片機串行口工作方式選為方式3，通訊格式為每11位構(gòu)成一串行幀：1位起始位（0），8位數(shù)據(jù)位（最低有效位在前），1位地址幀識別位（1），1位停止位（1），無奇偶校驗位（上位機的地址幀的識別位將進入單片機RB8）。

下位機軟件流程如圖6所示，其中flag1是當(dāng)前通信單片機的標(biāo)志位，當(dāng)flag1=1時，表示此單片機正在通信，其他單片機的flag1全置零，防止誤動作；flag2是為了防止由于錯誤通信，還沒有發(fā)送有效數(shù)據(jù)就導(dǎo)致相應(yīng)用電設(shè)備的誤動作，通過軟件設(shè)計減小錯誤的發(fā)生。

最后，由于交流電網(wǎng)上的干擾因素較多，為了盡可能的排除干擾，接收端得到正確可靠的信號，要求接到電力載波芯片10管腳的信號耦合變壓器的設(shè)計既要保證有用信號的正確耦合，又要隔離電網(wǎng)雜波。除此之外，上位機軟件可通過校驗碼和對每個數(shù)據(jù)重發(fā)10次，接收端對接收的10個數(shù)據(jù)取相同個數(shù)最多的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)去處理來盡量減少干擾引起的通信失敗。

3 、結(jié)語

實驗證明基于電力載波開發(fā)的教室電器智能節(jié)能系統(tǒng)能可靠地完成PC機與單片機完數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，實現(xiàn)對教室照明系統(tǒng)的智能控制，達(dá)到了節(jié)能的作用。若將其做些適當(dāng)?shù)母难b應(yīng)用于諸如社會生產(chǎn)等其他方面，將會為全社會帶來可觀的經(jīng)濟效益。由于在實際測試中基于載波的通信系統(tǒng)，交流電網(wǎng)干擾因素較多，為了盡可能排除干擾就要從系統(tǒng)的軟件和硬件的設(shè)計同時著手。對于通訊速度要求不高的系統(tǒng)，如網(wǎng)絡(luò)抄表系統(tǒng)能、智能大樓控制系統(tǒng)，電力線載波通訊有很大的實用和推廣價值。

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