基于PL2102电力线载波的路灯控制系统

摘要 介绍一种51单片机基于电力线载波技术的路灯控制系统的工作原理和结构；同时介绍直序扩频半双工异步调制解调器PL2102载波芯片，利用它通过电力线载波应用系统可实现路灯的管理和控制；给出用PL2102对路灯进行控制的基本原理和软硬件实现方法，以及其设计原理图。
关键词 单片机 电力线载波技术 PL2102 电力载波芯片

引言

　　路灯系统是公共事业中非常重要的一个部分。现在传统的路灯只能实现路灯的开关，并不能了解路灯的实时工作状况，比如路灯的电压高低、电流的大小、内核的温度以及是否正常工作。同时现在路灯线的盗割很严重，电力线或专用电缆常被人盗割，或被意外事故切断，给供电部门或有关企业和人民群众的生活带来巨大损害。

　　随着社会的不断发展，人民生活水平的不断提高，公共路灯的监控越来越重要。为了提高公共照明系统的质量,及时发现路灯的损坏情况，笔者设计了一套基于电力线载波通信技术的公共路灯远程监控系统。通过电力线载波通信技术来传输控制路灯的信号, 能够实时监控电力线路运行情况，有效地对电力变压器、电力线路等设施发生缺相、断电、断路等现象或遭到人为破坏时，进行监控并及时报警，达到使工作人员做到及时处理，减少损失的目的。

1 系统的工作原理

　　本系统主要由2个部分组成——主机和从机。主机就是一个单片机系统加一些简单的液晶显示屏、小的键盘和通信模块，如PL2102；从机由单片机和一些外围设备组成，如一些A/D采样单元、地址编码单元及相应的通信模块等。主机主要是在路灯的控制室内安置，负责收集从机数据，分析数据，发送指令；从机则直接安装到每个路灯上，负责现场的数据采集和传输，执行主机的指令。一台主机可以控制多台从机。

　　主机通过电力线载波的串行通信方式对从机进行监控。一个通信数据包由8字节数据组成，第1、第2字节是主机标识，第3字节是命令，第4、第5字节是从机地址，第6至第8字节为数据。主机采用广播方式发送命令数据，从机收到通信包后进行数据分析：一是识别主机是否是自己的上级主机，二是识别从机地址是否是自己的地址，只有在全部确认无误后从机才执行命令和相应的操作。

　　从机直接监控路灯的状态，通过电力线载波接收电路接收来自主机的指令，并执行相应的操作；完成对电流、电压、温度的采样处理，判断路灯是否工作正常，并根据数据分析判断路灯的工作状态是否正常。如果工作状态异常，就执行相应的操作，保护路灯，并把数据和警告发送给主机。

2  硬件电路的设计

2.1  主要器件的选择和相关的性能

　　PL2102是专为电力线通信网络设计的半双工异步调制解调器，仅由单一的+5 V电源供电，有一个外部的接口电路与电力线耦合。PL2102除具备基本的通信控制功能外，还内置了5种常用的功能电路：可数字频率校正的实时钟电路， 32字节SRAM，电压监测，看门狗定时器及复位电路。它们通过标准的 I2C 接口与外部的微处理器相连，其中实时钟与32字节SRAM在主电源掉电的情况下，可由3 V备用电池供电继续保持工作。PL2102 是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，并采用大规模数字/模拟混合0.35 μm CMOS 工艺制作，所以在抗干扰及抗衰落性能以及国内外同类产品性价比等方面有着出众的表现。AT89C52是一个低电压、高性能的CMOS 8位单片机，片内含8 KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器（RAM）；采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，芯片内置通用8位中央处理器和 Flash存储单元。

　　AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口；同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本，完全可以满足主机和从机系统的各种需要。

2.2  电路设计

　　电力线载波电路的设计主要分为两个部分：电力载波信号接收电路和发送电路，如图1所示。载波接收和发射原理如图2所示。

图1  载波收/发电路结构

图2  载波电路原理图

图3  数据处理及控制电路

　　接收信号部分：D7主要用于箝位，以防止过大的浪涌电流；C15、C16 和L2 并联谐振工作在f=120 kHz，具有对120 kHz信号的选频作用，以对输入的微小信号进行放大，从而提高接收输出灵敏度。

　　发射信号部分：发射回路电容C14、电感L1（18 μH/200 mA）用于调整发射电流和波形，减小C14 和增大L1将减小发射电流和改善波形；反之，将增大发射电流和波形失真情况。由于线圈的带载能力一定，调整C14 和L1将影响线圈的发射功率和自身功耗。4个晶体管逐级放大，4个二极管起保护作用。发射电压VHH影响发射功率的大小，随着发射电压的下降，发射功率也下降，发射电压越高晶体管的自身功耗越大，一般发射电压选10~18 V。

　　数据处理及控制电路如图3所示。当PL2102收到的载波信号经内部电路处理后，它将解调出数据bit信息，并经RXD_TXD输出，同时 HEAD同步输出低电平。当AT89C52的INT0产生中断并接收bit后，会根据预定格式合成相应的指令信息；同时根据指令中所规定的时间设置来修改开关灯时间及开灯的比例，并执行开关灯的操作等。另外，它还将在开灯后监控电流、温度等参数，以便在严重超标时执行保护措施，同时及时给主机发送故障原因信息。

2.3  载波部分软件设计

　　系统软件采用C语言编写，并全部采用模块化编程。该部分的软件编程中，如何接收并发送载波信号是重点。图4给出了载波通信接收流程，图5是载波通信发送流程。

图4  载波通信接收流程

图5  载波通信发送流程

3  结论

　　经过测试，基于电力线载波技术的远程路灯控制系统，已经能够有效地对路灯的工作状态进行监控。它具有造价低廉，安装简单，传输线路广泛等优点，有着良好的市场前景。

参考文献

[1]  戴佳，等.51单片机C语言应用程序设计[M]. 北京：电子工业出版社，2003.
[2]  姚远,吕康,董世龙,等.基于电力线载波通信技术的公共路灯远程监控系统[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2001(9).
[3]  杜军，邱瑞学.PL2101在路灯控制系统中的应用[J]. 国外电子元件2003(9).
[4]  张瑞红.51兼容载波通信单片机PL3105的通信软件设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2004(7).