電力線載波家電網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘　要：介紹了利用電力線MODEM，采用電力線載波形式，對家電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的遠(yuǎn)程集中控制，可實(shí)現(xiàn)對任意家用電器的選控及對家電網(wǎng)絡(luò)的群控。

關(guān)鍵詞：電力線載波 遙控 AT89C52　　

1　引　言

　　家電網(wǎng)絡(luò)控制是多個(gè)家用電器連網(wǎng)遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)家務(wù)勞動(dòng)和家庭管理的高度自動(dòng)化，是家電自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

　　家用電器如何組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，是家電網(wǎng)絡(luò)控制的一個(gè)重要問題。如果利用傳統(tǒng)的鋪設(shè)專門電纜線的方法，則這些電纜線的安裝和維護(hù)費(fèi)用較高，而且不能方便地分支或連線。在所有的通信方式中，電力線載波通道是最直接、最經(jīng)濟(jì)的通信媒介，但電力線存在各種電磁干擾，必須采取有效手段加以排除后才能利用。本文介紹利用電力線MODEM芯片LM1893，采用電力線載波形式，設(shè)計(jì)出可靠的家電網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，對位于同一配電變壓器范圍內(nèi)的多路家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制。

2　系統(tǒng)組成及工作原理

　　系統(tǒng)組成及原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由一個(gè)主控單元、220V的電力線傳輸通道和若干并接在電力線上的受控單元組成。


圖1　系統(tǒng)組成及原理框圖

主控單元主要由控制電路及調(diào)制器等組成�？刂平缑媸�4×4的鍵盤，鍵盤上的數(shù)字鍵是0～9號(hào)受控電器的地址，鍵盤上的功能鍵（ON、OFF、ALLOFF、RST）是對受控電器實(shí)現(xiàn)開／關(guān)、全開／全關(guān)和復(fù)位的狀態(tài)控制功能。控制電路對按鍵進(jìn)行編碼，輸出編碼信號(hào)通過調(diào)制器變成高頻信號(hào)，調(diào)制載波頻率根據(jù)電力線的頻率特性一般選擇在（40～600）kHz范圍之內(nèi)，本系統(tǒng)中調(diào)制頻率選擇為160kHz，方式為頻率調(diào)制。受調(diào)后的高頻信號(hào)經(jīng)放大、濾波后，由耦合電容送入電力線傳送。

　　受控單元主要由選頻放大、解調(diào)、地址判別及執(zhí)行電路和受控的家用電器組成。由電力線傳送來的調(diào)頻信號(hào)經(jīng)耦合電容，首先進(jìn)入選頻放大級(jí)，放大后的調(diào)頻信號(hào)經(jīng)解調(diào)后，再進(jìn)行譯碼和地址判別。如編碼信號(hào)不是發(fā)給本地址單元的，則執(zhí)行電路不執(zhí)行任何命令。當(dāng)編碼信號(hào)中地址與本受控單元地址相同時(shí)，則執(zhí)行電路將執(zhí)行編碼信號(hào)中的狀態(tài)控制功能，繼電器作吸合或釋放動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)電器負(fù)載的開／關(guān)控制。

3　電力線MODEM芯片LM1893及應(yīng)用電路簡介

　　LM1893為美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的專用于電力線上傳輸數(shù)據(jù)的MODEM芯片，可進(jìn)行半雙工的數(shù)據(jù)通信。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，基帶數(shù)據(jù)對載波進(jìn)行FSK調(diào)制，已調(diào)載波再經(jīng)過片內(nèi)功率驅(qū)動(dòng)器加到電力線中；接收時(shí)由于采用基于鎖相環(huán)的解調(diào)器和針對脈沖噪聲干擾設(shè)計(jì)的脈沖噪聲濾波器，使接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍很寬，靈敏度極高。

　　LM1893典型應(yīng)用電路如圖2所示。第5腳TX／RX是收發(fā)狀態(tài)控制腳：接高電平為發(fā)射狀態(tài)，接低電平為接收狀態(tài)。發(fā)射時(shí)，待發(fā)數(shù)據(jù)由第17腳輸入，控制LM1893內(nèi)部的流控振蕩器產(chǎn)生中心頻率約為160kHz的FSK信號(hào)，經(jīng)放大后從第10腳輸出，耦合至電力線上。接收時(shí)，電力線傳來的FSK信號(hào)經(jīng)高壓耦合電容和變壓器組成的高通濾波環(huán)路之后，再經(jīng)LC并聯(lián)諧振回路選頻，，由LM1893的第10腳輸入，經(jīng)內(nèi)部鎖相、濾波，轉(zhuǎn)換成“1”、“0”數(shù)據(jù)，由第12腳輸出。第12腳設(shè)計(jì)成集電極開路，可直接與TTL、CMOS電路接口。通過調(diào)節(jié)5K可調(diào)電阻，LM1893的中心頻率可在50～300kHz范圍內(nèi)選擇。


圖2　LM1893的典型應(yīng)用電路

4　主控單元電路設(shè)計(jì)

4．1　控制電路設(shè)計(jì)

4．1．1　硬件設(shè)計(jì)

　　用戶通過按鍵控制電器開關(guān)動(dòng)作。例如，順序按下“ON”、“7”兩鍵，實(shí)現(xiàn)第7號(hào)電器開的動(dòng)作。按下“ALLON”功能鍵，實(shí)現(xiàn)0～9號(hào)電器全開。四位LED顯示相應(yīng)功能和數(shù)字信息。

　　控制電路硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。該電路功能主要由專用鍵盤及顯示接口電路 8279 完成。 8279 的片選CS由 89C52 的 P2 . 7 控制，使 8279 的地址高位為零。 74IJS373 對地址低位鎖存，作為 8279 的 AO 信號(hào)。 8279 設(shè)置為編碼掃描方式． 74LS138 對掃描信號(hào)譯碼，由兩個(gè) 74IJS245 分別為數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng)和位驅(qū)動(dòng)。按鍵信號(hào) IRQ 經(jīng)反相整形后作為 89C52 的外中端 INTO 輸人。


圖3　控制電路的硬件結(jié)構(gòu)

4．1．2　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)有鍵盤按下時(shí)，產(chǎn)生中斷INT0，在中斷服務(wù)程序中讀入鍵值，將鍵值轉(zhuǎn)化為鍵盤編號(hào)，存入89C52的內(nèi)部RAM中，并在RAM的特定單元中設(shè)置特定的數(shù)字，作為數(shù)據(jù)來源存于8279的標(biāo)志位。主程序一旦查詢到有按鍵標(biāo)志位，進(jìn)行鍵盤信息處理，先根據(jù)功能鍵的不同，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的程序分支，并發(fā)送相應(yīng)的控制代碼。



4．2　電力線載波調(diào)制電路

　　電力線載波調(diào)制電路如圖5所示。將LM1893的典型應(yīng)用電路中LM1893的5腳接高電平，置為發(fā)射信號(hào)狀態(tài)。外接編碼芯片PT2262即可。



　　PT2262編碼器的D0～D3端輸入主控單元的89C52產(chǎn)生的4位控制代碼，TE端是發(fā)送控制端，低電平有效。PT2262對控制代碼進(jìn)行編碼，從DO端串行輸出代表D0～D3輸入狀態(tài)的數(shù)據(jù)流，與LM18 93的17腳相連，將從89C52送出的控制信號(hào)經(jīng)LM1893調(diào)制處理后發(fā)出載波信號(hào)，再經(jīng)中頻變壓器及耦合電容送到電力線發(fā)送。另外，PT2262的A0～A5是地址碼輸入，可編成“1”、“0”、“開路”三種狀態(tài)，用于對接收端多個(gè)電器的識(shí)別。只有當(dāng)接收端的解碼器編制地址與發(fā)送端的編碼器PT2262的A0～A5編址完全相同時(shí)，信息才被接收。

5　受控單元電路設(shè)計(jì)

　　受控單元的作用是將電力線上的高頻信號(hào)經(jīng)耦合、選頻放大后再進(jìn)行解調(diào)，地址譯碼后對受控電器進(jìn)行狀態(tài)控制。

5．1　電力線載波解調(diào)電路

　　將LM1893的典型應(yīng)用電路中LM1893的5腳接地，置為接收信號(hào)狀態(tài)，外接解碼芯片PT2272即可，電力線載波解調(diào)電路如圖6所示。



由電力線傳送來的調(diào)頻信號(hào)經(jīng)選頻放大，由LM1893解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)由LM1893的12腳輸出到解碼器PT2272。若經(jīng)編制PT2272的A0～A5地址輸入狀態(tài)與發(fā)射端PT2262所設(shè)地址狀態(tài)完全相同，收發(fā)地址匹配，這樣解調(diào)后信號(hào)才能經(jīng)PT2272正確解碼，VT變高，指示傳輸有效 。PT2272輸出與發(fā)射端相同的四位控制代碼D0～D3到地址判別及執(zhí)行電路，去控制電器的開關(guān)狀態(tài)。

5．2　地址判別及執(zhí)行電路

　　地址判別及執(zhí)行電路如圖7所示。地址譯碼采用高速TTL4～16線譯碼器74HC154，它的輸入A～D端與解碼器PT2272的輸出的控制代碼D0～D3相連。D觸發(fā)器74HC74A的CP端與代表電器地址碼的譯碼器的10個(gè)輸出端（“0”～“9”）相連。當(dāng)按下0～9的鍵盤鍵時(shí)，譯碼器的輸出低電平有效，若鍵盤鍵入的受控電器的地址碼與本受控單元撥碼開關(guān)SW－10預(yù)先設(shè)置地址相同（撥碼開關(guān)設(shè)置受控電器的地址編號(hào)），D觸發(fā)器的D端所接高電平就會(huì)出現(xiàn)在Q端，這時(shí)Q呈低電平，使譯碼器輸出端Y10和Y11的ON（開）和OFF（關(guān)）命令能夠通過兩個(gè)或門電路使繼電器動(dòng)作，控制電器的開關(guān)。若鍵盤上鍵入的地址碼與撥碼開關(guān)設(shè)置的地址不符，則D觸發(fā)器的CP無效，這時(shí)Q仍保持高電位，兩或門禁止，ON／OFF命令無效。當(dāng)ALLON（Y12端輸出）命令或ALLOFF（Y13端輸出）命令有效時(shí)，不論或門是否打開，都可通過與門使R－S觸發(fā)器Q端置1或置0，使繼電器吸合或釋放 ，實(shí)現(xiàn)全開或全關(guān)的群控功能。



6 結(jié)束語

本文介紹的是以電力線為通信介質(zhì)的家電網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。主控單元是體積小、功耗低 、攜帶方便的家電集中控制器，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)家用電器(電飯煲、電燈等)的遠(yuǎn)程的開關(guān)控制。受控單元是與家電集中控制器配套的多個(gè)接收插座，通過對插座上的撥碼開關(guān)設(shè)置所連接的電器的地址編號(hào)，從而形成家電連網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝使用方便，性能穩(wěn)定、可靠，但使用范圍僅限于同一配電變壓器內(nèi)，而且同相傳輸?shù)男Ч�最好，異相傳輸需在相線并接600V，1μF的耐壓電容以提供信號(hào)通路。該系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是通信傳輸距離有限，目前最好只有500m 。如需達(dá)到實(shí)用，還有特進(jìn)一點(diǎn)提高通信傳輸距離�！　�

參考文獻(xiàn)

1 張友德等。單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)踐。上海：復(fù)旦大學(xué)出版社。1992
2 王福瑞等。單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全。北京：北京航空航天大學(xué)出版社。1998
3 張?jiān)�正。電力線高頻通信。北京：水利電力出版社，1983
4 National Semiconductor Corporation.Linear Data Book.1992