电力载波智能灯控制系统.docx
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电力载波智能灯控制系统
室内公共照明智能控制系统研究与开发Indoorpubliclightingintelligentcontrolsystemresearchanddevelopment
原创性声明
本组郑重声明:
本小组声明所呈交的电子设计作品是该小组所有成员在导师指导下进行的创新设计工作及取得的研究成果。
尽我们所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果。
项目负责人签名:
陈培权黄家明张维超
日期:
2012年9月1日
摘要
室内公共照明智能控制系统研究与开发用220V电力线传送数据,通过电力线传送数据控制LED灯,不需专用线路,系统由电力载波模块,S3C2440中控端,STC12C5A60S2单片机处理端,计量模块,1W大功率LED照明灯,LED驱动电源等组成。
通过220V电力线传送数据实现了用S3C2440作为中控端策略性控制LED灯具照明系统,实现了LED的手动、自动调光功能,还融入了电量采集,烟雾检测报警,对LED进行动态分组管理控制和利用中继技术进行远距离传输等功能。
关键词:
电力载波;S3C2440;STC12C5A60S2;LED调光;LED驱动电源
Abstract
Indoorpubliclightingintelligentcontrolsystemresearchanddevelopmentuses220Vpowerlinestotransmitdata,throughthepowerlinedatatransmissioncontrolLEDlightsandnoneeddedicatedlines,thesystemconsistsofpowerlinecarriermodule,S3C2440centralcontrolterminal,STC12C5A60S2single-chipprocessingend,ameteringmodule,LEDrightswith1Whigh--powerandLEDdrivingelectricsource.The220VpowerlinesdatatransmissionachievesthatitusesS3C2440asthecentralcontrolterminalstrategycontrolLEDlightingsystem,theimplementationofLEDmanuallyandautomaticallydimmingfunction,butalsointoelectricenergyacquisition,smokedetectionalarm,ontheLEDdynamicgroupingmanagementcontrolanduseoftherelaytechnologyforlongdistancetransmissionandotherfunctions,itprovesthatthepowerlinescantransmitdataaccurately
KeyWords:
PowerLineCarrier;S3C2440;STC12C5A60S2;LEDdimming;LEDdrivepower
1引言
电力线载波(PLC)是电力系统特有的通信方式,电力线载波通讯是指利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。
最大特点是不需要重新架设网络,只要有电线,就能进行数据传递,节约投资或线路改造费用。
随着环境污染和能源危机的日益严重,节能降耗成为人们普遍关注的话题。
据测算,中国照明用电约占全社会用电量的12%左右。
如果把在用的白炽灯全部替换LED照明灯,年可节电480亿千瓦时,相当于减少二氧化碳排放4800万吨。
从而绿色照明领域的研究受到越来越多的重视。
照明节能主要有两种途径。
一是使用新型照明器件;另一种是使用智能照明系统,即通过优化照明系统的运行来达到节能的效果。
LED作为新一代绿色照明光源,具有节能、环保、寿命长等特点,以LED灯具取代传统照明灯具,对缓解当前环境恶化和能源短缺有重要意义,是未来照明的发展趋势。
伴随着国家的推动,LED在室外照明工程中的应用相对已是比较普遍,但在室内照明工程的应用却处在初步阶段,但是目前LED蓬勃发展的趋势,给LED室内照明产品的开发和推广注入强大动力,LED室内照明在未来几年必将进入发展的快车道。
LED在室内照明领域具有较多优势。
LED的亮度和可调光光色,能完美满足室内装饰色彩气氛,对开发情景照明的市场,具有传统光源难以比拟的优势。
LED光通量利用率高,且体积小,易于LED灯具的外观设计和配光分布的控制。
在色彩照明领域,LED已经表现出了很明显的节能优势,而在室内白光照明领域,节能效果也十分明显。
随着人们生活水平的提高,人们越来越向往城市、家居智能化管理,对照明的要求也越来越高,除了要求满足普通的照明外,还要求按环境调光,希望光线能按需所给,而且也要求控制方便,操作简单。
同时实现节能,降低运行费用,而且实现工程方面也要求简单,影响低,改动的地方少,维护简单。
传统照明模式,只能是白天关灯、晚上开灯,而采用智能照明控制系统后,用户可以根据是否有人在照明范围内活动,把不必要的照明灯具关掉,在需要时自动开启;系统还能充分利用自然光,自动调节走廊亮度。
同时,系统能自动检测烟雾,进行烟雾自动报警,确保人们生活在一个安全的环境中,系统还加入了自动抄表功能,不再需要逐个单位抄表,只要轻轻一个点就能自动抄表。
控制系统实现了不同工作场合的照明工作模式,在保证必要照明的同时,有效减少了灯具的工作时间,节省了不必要的能源开支,也延长了灯具的寿命。
照明智能控制系统的通信介质目前主要有三种即传统传输介质(通常是双绞线)、电力线和无线通信。
由于低压电力载波网络以低压电力线路作为传输通道,不存在使用传统传输介质如双绞线、同轴电缆等需要铺设线路的缺陷,由于供电方便可以方便的克服无线传感器网络能量限制瓶颈问题,利用现有的低压电力线作为传输介质进行数据通信,直接利用已有的电力线资源而不需要铺设额外的通信线路,具有网络安装维护成本低、通道可靠性高、覆盖面广、使用方便、不用重新布线、永久在线、安装周期短等优点。
基于以上原因,本项目研究中使用电力载波技术构建智能照明控制网络。
电力线通信技术出现于20世纪20年代初期。
应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话,它的应用范围是在同一个变压器的供电线路以内,将电信号从电力线上滤下来。
1991年美国电子工业协会确认了三种家庭总线,电力线是其中一种。
在中国,20世纪40年代已有日本生产的载波机在东北运行,作为长距离调度的通信手段。
从1999年起,中国电力科学研究院就开始对高速PLC进行研究,并在2001年8月,在沈阳建立了第一个实验网络。
又从2001年12月起,国电通信中心开始组织国内外厂商在北京居民区开展PLC应用试验。
电力载波通信和电力系统的安全稳定控制系统、调度自动化系统被人们合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱,目前,它更是电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础。
在我国,以数字微波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竞相发展的今天,电力载波通信仍然是地区网、省网乃至网局网的主要通信手段之一,仍是电力系统应用区域最广泛的通信方式,仍是电力通信网的重要的基本通信手段;从理论研究到运行实践,我国都取得了可喜的成效。
如今,电力载波通信产品已经出现在市场上,然而由于各方面的原因,我国PLC产品的发展与使用均落后于电力载波通信技术本身的发展,消费者对PLC产品的接收还需要一段时间,据有关专家分析,这主要是因为电力载波通信产品的稳定性、操作性还没有达到很高的水平,消费者对其产品依然缺乏认识,更缺乏信任。
目前PLC技术在我国的应用还处在试验阶段,还未形成适合我国国情的成熟产品,存在着缺陷和问题。
产品的研发、推广和应用涉及政策法规电网安全、电磁兼容、技术体制、准入标准等多方面的问题
目前电力载波通信存在干扰、必须在同一地变压器供电线路内传送数据的问题,我们通过软件和硬件配合的方式来确保通信的准确,在输入端接共模电感,消除来自电网的干扰以及消除电力载波对电网的污染,使用中继方式延长数据传送距离通过电力线控制LED来说明电力线能传送数据,利用电力线能传送数据的特点可以实现家庭、工厂、办公楼、路灯等智能远程控制,组成智慧城市的一部分。
1室内公共照明智能控制系统研究与开发总体设计方案
2系统设计
2.1灯的选择
方案一:
控制节能灯节能,节能灯利用高频电子镇流器将50HZ的市逆变20-50HZ高频电压去点燃荧光灯,节能灯的亮度、寿命比一般的白炽灯泡优越,显色性也比较高,尤其是在省电上口碑极佳,价格低,性价比高。
方案二:
控制LED灯,LED灯是世界公认高节能灯,LED具有发光效率高,节能,超长寿命,光线健康,绿色环保。
LED灯工作在低压状态,安全可靠,发出的光线没有紫外线、红外线,无辐射。
目前我们国家正在大力支持LED的发展。
综上所述,虽然节能灯性价比高,但节能灯含有有害金属——汞,发出的光线有紫外线,不利于人体健康,因此使用节能灯不符合环保概念。
目前LED的价格虽然较高,但有业内人士预计,随着技术发展,LED灯的价格将以每年30%的速度下降,这表明LED的春天也即将到来,我们最终选用LED作为照明工具。
2.2终端控制单片机选择
方案一:
STC89C51单片机,该单片机有片内程序存储器、片内数据存储器、片外程序存储器(可扩展)与片外数据存储器(可扩展)3个地址空间,内部有FlashROM,片内RAM分为低128字节RAM和特殊功能寄存器,有2个定时器。
方案二:
STC12C5A60S2系列单片机是STC生产的时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令完全兼容传统8051,但速度快8——12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。
共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。
综上所述,虽然传统8051单片机的应用比较成熟,但传统8051单片机内部资源比较少,没有A/D转换,如果外接的话会增大系统体积,STC12C5A60S内部有集成A/D转换,无需外接,节省体积,所以我们选择方案二。
2.3计量芯片的选择
方案一:
CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换器(ADC),它可以精确测量瞬时电压,电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率,用于研制开发单相、2线或3线电CS5463具有与微控制器通讯的双向串口,可编程的电能-脉冲输出功能。
CS5463还具有方便的片上系统校准功能。
具有温度传感器,电压下降检测,相位补偿功能。
方案二:
ADE7755是一种高准确度电能测量集成电路,其技术超过了IEC1306规定的准确度要求,ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路,所有其它信号处理都使用数字电路,这使ADE7755在恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期稳定。
综上所述,考虑到家庭使用电器比较多,会存在各种干扰信号,ADE7755的抗干扰能力比较强,性价比高,所以我们选择ADE7755。
2.4中控端芯片的选择
方案一:
S3C6410,ARM1176JZF-S内核,最高800MHz系统频率;128MBytesDDR内存,采用两片SamsungK4X51163PC芯片,运行速度266MHz,可以升级到256MBytesDDR内存;
方案二:
S3C2440:
主频400MHz;SDRam内存控制器,支持NorFlash和NandFlash(SLC)支持2种Flash启动内部LCD、I2C、Camera等控制器,s3c2440A采用了ARM920T的内核,0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。
其低功耗,简单,优雅,且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。
它采用了新的总线架构AMBA。
综上所述,虽然S3C6410性能总体来说比S3C2440的高,但是S3C2440的价格比较低,而且也能满足我们所需的资源,网上关于S3C2440的学习资源也比较多,S3C2440性价比高,所以我们选择S3C2440
3硬件电路设计
3.1LED驱动电源设计
1WLED驱动电源是使用BP1302芯片,BP3102是一款高精度原边反馈的LED恒流控制开关。
芯片工作在电感电流断续模式,适用于全输入电压范围功率5W以下的反激式隔离的LED恒流电源。
BP3102具有多重保护功能,包括LED开路保护、LED短路保护、芯片过温保护、过压保护、欠压保护和FB短路保护等。
电路如图3.1所示,D1,D2,D3,D4组成整流桥,C1(4.7uF/400V)、C4是滤波电容,FB是Nzux的信号取样端,CS是电流采样端,交流正弦波正半周期时,LED灯不亮,交流正弦波负半周期时LED亮,当LED电流过大时,辅助采样线圈电流增大,FB电流采样端电流增大,DRIAN端导通,Np线圈电流下降,LED电流降低;当LED的电流减少时,辅助采样线圈电流减少,FB采样电流减少,DRIAN断开,Np电流增大,LED电流增大;这样LED的电流就会稳定在一个固定值,达到恒流的目的。
3.2PWM调光电路设计
用场效应管(FR470,N沟道)作为开关,单片机控制场效应管的栅极(G),LED阳极接场效应管漏极(D),阴极接地。
通过改变栅极的通断时间来控制灯光的亮度。
(电路图,如图3.2)
3.3烟雾检测电路设计
烟雾检测硬件电路如图3.3所示,烟雾传感器MQ2探测的物质和浓度分别是
液化气和丙烷(100ppm-10000ppm)、丁烷(300ppm-5000ppm)、甲烷(5000ppm-20000ppm)、氢气(300ppm-5000ppm)、酒精(100ppm-2000ppm),当室内烟雾浓度达到设定值时6脚的电平升高,最终大于比较器正相输入端,7脚的由原来的低电平变为高电平,只需检测7脚的输出就能知道烟雾的浓度是否超过安全值,7脚连到单片机的P2.5,当7脚输入低电平时单片机将会驱动蜂鸣器以及小LED灯报警。
3.4电力载波模块电路
电力载波电力如图3.4所示,KQ-330E引脚介绍
1P—IRX,载波信号输入
2P—AGND,模拟信号共地点
3P—VAD,模拟电路电源与AGND之间并联一只470uF电容
4P—VCC,+5V
5P—DGND,数字电路共地点
6P—RX,调制数据输入,接单片机TXD
7P—GL,零点检测输入,接光耦的集电极
8P—T1载波频率输出
9P—TX,解调后的数据输出端,接单片机RXD
10P—MODE,载波数据模式控制
11P—NC
VAD与AGND之间接入一个大于470UF的电容,保证内部模拟电源上的纹波小于2mv。
提高内部灵敏度,VAD与+5V之间模块内部串联-只限流电阻。
载波模块与单片机连接电路
3.5终端控制电路设计
终端控制整体电路如图3.6所示,P5接220V交流电D4是电源指示灯,S1,S2分别是DS1,DS2的开关,只要改变S1,S2的状态就能改变DS1,DS2的状态,而且这两个开关不会影响到中控端对灯的控制,U3A用于判断灯的好坏,灯好时输出高电平,灯坏时输出低电平,DS2是灯的好坏的指示灯以及烟雾报警时光报警灯,当照明灯坏了后,指示灯会一直保持亮的状态,直到换一盏好的灯后才会灭,U3B是烟雾检测的输出端,烟雾浓度超过设定值时输入低电平,如果浓度超过设定值时蜂鸣器会声报警、DS2会光闪烁报警,DS1302是时钟芯片,用于和中控端同步时间,实现定时开、关灯,R4(光敏)和人体红外感应用于走廊灯,当中控端给终端控制一个自动调光的指令后,当有人时灯会亮,而且会根据环境亮度来调节灯亮度,然后延时10多秒(时间可调)后自动关灯。
4.软件设计
4.1中控端软件设计
4.1.1中控端功能
4.1.2中控端主界面
4.1.3中控端程序流程图
4.1.4中控端分组程序流程图
中控端分组程序见附录1
4.2自定义协议
采用五字节发送指令协议:
第一字节:
固定数据0X04
第二字节:
功能号(四位)+单个或分组操作标志(一位)+从机号(三位)
功能1(自动调光):
单体:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能1+1+从机号
字节3:
灯序号
字节4和字节5均为0x00
分组:
节1:
固定0x04
字节2:
功能1+0+000
字节3:
0x00
字节4:
0x00
字节5:
组号
功能2(手动调光)
单体:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能2+1+从机号
字节3:
调光数据
字节4:
灯序号
字节5:
0x00
分组:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能2+0+000
字节3:
调光数据
字节4:
0x00
字节5:
组号
功能3(定时开关)
单体:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能3+1+从机号
字节3:
判断是否开启功能(1位)[1为开启]+设定开灯或关灯时间标志(1位)[1为设定开灯]+时数据(5位)
字节4:
发送分数据
字节5:
灯序号
分组:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能3+0+000
字节3:
判断是否开启功能(1位)[1为开启]+设定开灯或关灯时间标志(1位)[1为设定开灯]+时数据(5位)
字节4:
发送分数据
字节5:
组号
功能4(电量采集)
主机发送:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能4+从机号[系统从机号只发送1号从机]---即此固定为0x41
字节3:
0x00
字节4:
0x00
字节5:
0x00
从机发送:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能4+本机号
字节3:
采样数据高位
字节4:
采样数据低位
字节5:
0x00
功能5(判断灯的好坏)
从机发送:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能5+本机号
字节3:
灯序号
字节4和字节5均为0x00
功能6(分组)
字节1:
固定0x04
字节2:
功能6
字节3:
组号
字节4:
从机号
字节5:
灯序号
功能7(一级普通搜索)
主机发送:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能7
字节3,字节4和字节5均为0x00
从机发送:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能7+本机号
字节3,字节4和字节5均为0x00
功能8(中继搜索)
主机发送:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能8+一级已被搜索的从机号
字节3:
0x00
字节4:
一级普通搜索的信息
字节5:
0x00
功能9(中继搜索从机间通信)
一级从机:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能9+从机号
字节3,字节4和字节5均为0x00
二级从机:
字节1:
固定0x04
字节2:
功能9+本机号
字节3,字节4和字节5均为0x00
功能10(中继搜索从机返回值的功能)
字节1:
固定0x04
字节2:
功能10
字节3:
本机地址
字节4:
被搜索到的从机信息
字节5:
0x00
功能11(校时)
字节1:
固定0x04
字节2:
功能11
字节3:
校时数据
字节4:
校分数据
字节5:
0x00
4.3终端控制分组程序流程图
终端控制其它功能程序流程图与分组流程图类似。
(接收端分组程序见附录2)
5室内公共照明智能控制系统研究与开发特色和创新处
1、该系统完全通过220V电力线传送数据,没有任何数据线,只要有电线,就能进行数据传递,不需要重新架设网络,永久在线,安装周期短,使用起来方便,通道可靠性高,网络安装维护成本低。
2、本系统将两种照明节能途径结合起来,一方面采用led作为照明灯具,另一方面顺应绿色智能照明的世界潮流,设计智能照明控制系统。
达到节能减耗的目的。
6.参考文献
【1】刘守义,钟苏主编.数字电子技术基础.北京:
清华大学出版社,2008
【2】郝文化等编著.ProtelDxp电路原理图与PCB设计.北京:
机械工业出版社,2004
【3】丁向荣等编著.单片机应用系统与开发技术.北京:
清华大学出版社,2009
【4】张涛主编.电力电子技术.第二版.北京:
电子工业出版社,2009
【5】苏士美主编.模拟电子技术.北京:
人民邮电出版社,2005
【6】王俊鹍主编.电路基础.第二版.北京:
人民邮电出版社,2007
【7】杨恒编著.LED照明驱动器设计.北京:
中国电力出版社,2009
【8】宏晶STC12C5A60S2技术文档
【9】曾宪权编著.VisualC++.NET程序设计实用教程.北京:
清华大学出版社,2009
附录1:
中控端分组程序
打开分组对话框
*/
LONGOnGP(HWNDhDlg,UINTmessage,WPARAMwparam,LPARAMlparam)
{
DialogBox(g_hInst,MAKEINTRESOURCE(IDD_DIALOG4),g_Dlg,About4);
returnTRUE;
}
/*
分组对话框初始化
*/
LONGOnInitGp(HWNDhDlg,UINTmessage,WPARAMwparam,LPARAMlparam)
{
ShowCursor(FALSE);
g_DlgGP=hDlg;
co=dt=ldt=0;
for(inti=0;i<10;i++)
for(intj=0;j<20;j++)
GN_before[i][j]=GN[i][j];
for(inti=0;i ComboBox_AddString(GetDlgItem(hDlg,IDC_GP_COMBO1),text[i]); for(inti=strlen(ZD);i>=0;i--) { ComboBox_DeleteString(GetDlgItem(hDlg,IDC_GP_COMBO2),i); } for(inti=0;i { ComboBox_AddString(GetDlgItem(hDlg,IDC_GP_COMBO2),text[ZD[i]-1]); } ComboBox_SetCurSel(GetDlgItem(hDlg,IDC_GP_COMBO1),0); ComboBox_SetCurSel(GetDlgItem(hDlg,IDC_GP_COMBO2),0); for(inti=0;i<8;i++) { if(GN[0][ZD[0]-1]&1< Button_SetCheck(GetDlgItem(hDlg,GPCheckID[i]),TRUE); else Button_SetCheck(GetDlgItem(hDlg,GPCheckID[i]),FALSE);
- 配套讲稿:
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