采用PL2101芯片和电力载波技术实现路灯控制系统的设计

1 、引言

为实现校园路灯控制的自动化，应用PL2101芯片开发了基于电力线载波的路灯控制系统。该系统采用电力载波通信方式，它将所有的路灯连接到计算机上，并通过计算机监视所控区域内的路灯工作状态，可随时设定开关时间、路灯开启比例或单独革一个路灯的开与关。任一路路灯的工作电流和温度均可随时查询，路灯损坏时可实时报警，并可显示具体地理位置，以便于快速维修；当夜晚（或光线较暗）来临且处在交通高峰时，路灯全部开启，交通高峰期后，进入按比例开启，如午夜之后70%；在凌晨之前时段，路灯开启比例可以降到40%等，这样既兼顾了照明需要，又减少了电力浪费。

2、统工作原理

该系统由三个层次组成，分为总控站、主控站及从控站。总控站由PC机组成，可与主控站通过光缆或无线电连接，以实现对各个主控站的管理，并设定开关灯时间及执行开灯比例指令，同时对主控站返回的信息进行汇总，对有故障的路灯通过图文显示出来，以便准确确定其所在的位置。

主控站内部结构如图1所示。主控站通过光缆或无线方式来接收总控机的指令，并通过电力线载波的串行通信方式来对从控站进行监控。一个通信数据包由8字节数据组成，第一、二字节是主控标识，第三字节是命令，第四、五字节是从站地址，第六至第八字节为数据。从理论上讲，一个主控站最多可控制6万个从站。主控站采用广播方式发送命令数据，从机站收到通信包后进行数据分析，分析的内容：一是识别主机是否是自己的上级主控站，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，主控站才执行命令和相应的操作。

从控站的内部逻辑结构如图2所示，每个从控站可控制三组路灯，它通过电力载波接收电路来接收主控站的指令，并执行相应的操作，完成对工作电流的采样及处理，判断路灯是否工作正常，以便采取合理的保护措施；同时，它可以对现场工作温度进行采样处理，以便在温度超出正常工作范围时采取保护措施，同时将相关信息返送回主控站中。

3 、硬件设计

3.1 主要元件的选择与性能

PL2101是一个新型的直序扩频半双异步调制解调器，载频为120kHz，带宽为15kHz，传输速率为500bps，接收灵敏度高达30μV，另外，PL2101还具有上电复位、电压监测电路、看门狗定时器及可编程实时时钟等附属功能电路。该电路抗干扰能力强，灵敏度高，且与TTL电平兼容。此外，PL2101与MCS51系列单片机的接口非常简单，因而完全能够满足系统要求。

AT89C2051和89C55WD系列单片机是具有Flash存储器且指令与MCS51完全兼容的、高性价比的微处理器。其中89C2051带有2kB Flash存储器，可用于从控站。89C55WD则具有20kB Flash存储器，可用于主控站。

TLC0832是一款8bit二通道三总线的A/D转换器，其特点是体积小巧、占用单片机资源少，且性能优良。

3.2 电路设计

该设计中的接收放大电路如图3所示。其中D7用于箝位，以防止过大的浪涌电流；C5、L1及Q1组成输入信号选频放大电路，以对输入的微小信号进行放大，从而提高接收灵敏度。

发射放大电路如图4所示。这种发射放大电路非常简单，主要由4个三极管组成，四个二极管起保护作用。从控机数据处理及控制电路原理如图5所示。当PL2101收到的载频信号经内部电路处理后，它将解调出数据bit信息，并经RXD输出，同时HEAD同步输出低电平。当AT89C2051的INT1产生断并接收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，同时及时给主控机发送故障原因信息。

主控机信息处理电路如图6所示。它的调制与解调电路与从控机一致，在图中增加了中文液晶显示和一个12键键盘，可用于现场进行电路参数设置。与总控机之间的通信采用行通信协议，并通过中断由SBUF进行收发，员时经SN75176转换成RS-485电平。其物理结构可以是光纤或无线数据传输设备。

总控机的作用是在PC机上用VB开发整个城市路灯控制系统的线咱图，它可在某一路灯发生故障时，准确及时地显示出故障发生的具体位置和可能的故障原因。

3.3 软件设计

该系统软件要用C51语言编写，并采用全部模块化编程。从控机中的单片机程序模块包括对PL2101的接收以及电流和温度采样、路灯控制等，其主程序流程如图7所示。主控机中的程序模块主要包括对总控机通信数据的接收、键盘的扫描、显示以及对从控机发送数据等，其主程序流程如图8所示。图9为其中断程序。

4、 结束语

该城市路灯控制系统开发完成后，目前已被应用在860只路灯的小型应用控制系统中。实际使用证明：该系统性能稳定良好。

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