基于單片機(jī)的電力線載波溫濕控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 俊，楊 平，單聯(lián)柱

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，四川 成都 611731)

以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)交互信息的輸入輸出，信息量大，被廣泛應(yīng)用于工控系統(tǒng)、移動(dòng)電子設(shè)備中[1]。利用電力線網(wǎng)絡(luò)作為高速數(shù)據(jù)的傳輸媒介，能夠創(chuàng)造出很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。電力線載波通訊是利用電網(wǎng)的電力線作為傳輸媒介的有線傳輸模式，作為載波通訊在同一電力變壓器范圍內(nèi)無需另外架設(shè)線路，成本低，使用方便。雙音多頻DTMF(Dual Tone Multi Frequency)信號(hào)由于具有較強(qiáng)的抗干擾能力和可靠的信號(hào)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，已逐漸被廣泛使用。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用以單片機(jī)為核心結(jié)合PID算法的智能載波溫濕控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 P89V51單片機(jī)簡(jiǎn)介

P89V51是PHILIPS生產(chǎn)的高性能、低功耗的8位微控制器。它具有64 KB的 Flash，1 KB RAM，雙工 UART通道，有很強(qiáng)的外部擴(kuò)展能力。片上集成了存儲(chǔ)、控制單元，能有效地控制系統(tǒng)體積，可以很容易地嵌入設(shè)備內(nèi)部。在需交互控制的設(shè)備中，基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)可以單獨(dú)工作，而不跟設(shè)備其他部分發(fā)生交叉影響。其低廉的成本及穩(wěn)定的工作狀態(tài)成為工控、家電、儀器儀表設(shè)計(jì)的首選。

2電力線載波溫度控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理

電力線載波是一種有線傳輸方式，不需要專門的傳輸線路，只需借助通常的電力線就可以完成數(shù)據(jù)傳輸[2]。其傳輸信號(hào)由專門的芯片產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用DTMF信號(hào)為載體，即：

其中 f1、f2為不同信號(hào)的頻率，A1、A2為兩個(gè)頻率信號(hào)的幅值。發(fā)送端通過調(diào)制耦合至電力線；接收端通過解調(diào)還原獲得傳輸信號(hào)。電力線上的信號(hào)為電源信號(hào)和載波信號(hào)的疊加。載波信號(hào)的加載和卸載也就是電源信號(hào)和載波信號(hào)的疊加和分離過程。

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，系統(tǒng)包括終端模塊、控制模塊、編碼解碼模塊、耦合電路等部分，分別實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送、接收和處理。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

控制單元通過接收外部鍵盤信息或傳感器信息產(chǎn)生控制信號(hào)，經(jīng)信息識(shí)別、處理后通過編解碼芯片MT8888產(chǎn)生發(fā)送端信號(hào)，經(jīng)耦合電路至電力線發(fā)送。在接收端，通過耦合電路將載波信息卸載，逆向通過MT8888解碼至控制單元，從而執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)功能。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.2系統(tǒng)終端

采用Sensirion公司推出的可以同時(shí)測(cè)量溫度和濕度的數(shù)字式傳感器SHT15。內(nèi)部集成溫濕傳感器、A/D轉(zhuǎn)換、放大器、I2C等，不需外圍器件即可直接輸出標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。測(cè)量穩(wěn)定、精度高，濕度精度為±2.0%RH，溫度精度為±0.5℃。將SHT15輸出的數(shù)字量做如下的轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫濕度值。

其中，Tc表示攝氏溫度，RH 表示相對(duì)濕度；c1、c2、c3、t1、t2是濕度調(diào)節(jié)參數(shù)，d1、d2是溫度調(diào)節(jié)參數(shù)。相關(guān)關(guān)系見表 1和表 2。

表1 濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)

表2 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)

溫箱內(nèi)部采用電熱絲和電風(fēng)扇調(diào)節(jié)溫度。檢測(cè)到溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，電熱絲通電，當(dāng)溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，電風(fēng)扇通電降溫，兩者均通過繼電器實(shí)現(xiàn)工作。

按鍵模塊選用8緩沖驅(qū)動(dòng)器，三態(tài)的74LS244擴(kuò)展8個(gè)按鍵。按鍵沒有按下時(shí)，IO輸入被拉高為高電平；當(dāng)按鍵按下時(shí)，相應(yīng)管腳被拉低，產(chǎn)生外部中斷信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中讀按鍵信息。使能芯片，單片機(jī)通過74LS244讀取按鍵狀態(tài)。每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)于電力線上的各個(gè)溫箱設(shè)備，各控制設(shè)備既是主控設(shè)備也是被控設(shè)備，方便實(shí)驗(yàn)員隨時(shí)調(diào)節(jié)各溫箱情況。

溫度調(diào)節(jié)模塊通過旋轉(zhuǎn)編碼器即旋鈕進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，能比較準(zhǔn)確地設(shè)定溫度值。旋轉(zhuǎn)編碼器是通過轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)內(nèi)部電路產(chǎn)生 90°相位差的正、反計(jì)數(shù)脈沖，不直接改變信號(hào)，轉(zhuǎn)速越高其脈沖寬度就越窄[3]。當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相相位超前B相90°；反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，B相超前A相90°。編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)柵格，A相就產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，觸發(fā)一次中斷，在中斷服務(wù)程序中通過判斷B相的值來確定是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)并計(jì)數(shù)。為了有效地消除旋轉(zhuǎn)時(shí)的抖動(dòng)，編碼器產(chǎn)生的信號(hào)通過施密特觸發(fā)器整形后再接到單片機(jī)[3]，同時(shí)在代碼中做一個(gè)相應(yīng)的延時(shí)能達(dá)到很好的效果。

為了能直觀地反映溫箱內(nèi)的環(huán)境情況，本設(shè)計(jì)增加了通用的12864液晶模塊。該液晶模塊的控制芯片為ST7920，支持繪圖、字符和漢字，在一般的應(yīng)用中足以勝任。當(dāng)液晶控制碼為寫狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至液晶控制單元，顯示各溫箱溫濕度值及變化趨勢(shì)，并能顯示預(yù)計(jì)溫度變化時(shí)間等信息。

2.3編解碼模塊

編解碼電路以MT8888為核心單元，通過控制單元的控制，可以分別執(zhí)行編碼、解碼。當(dāng)有按鍵操作時(shí)，單片機(jī)被喚醒進(jìn)入中斷，讀旋轉(zhuǎn)編碼器變量，獲取溫度調(diào)節(jié)信息，對(duì)所選擇溫箱進(jìn)行溫度設(shè)定，將數(shù)據(jù)由單片機(jī)P1口送至MT8888。MT8888工作于DTMF發(fā)送模式時(shí)，單片機(jī)發(fā)送4位BCD碼于 TDR(發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器)中控制芯片內(nèi)部分頻器合成DTMF發(fā)送信號(hào)，由8號(hào)引腳輸出經(jīng)耦合電路加載至電力線上，同時(shí)將修改信息送液晶顯示，方便管理。

在被控設(shè)備端，其原理大致與主控設(shè)備端相似。此時(shí)，MT8888工作于接收模式。通過耦合電路卸載電力線上的DTMF信號(hào)，送MT8888解碼后經(jīng)RDR(接收數(shù)據(jù)寄存器)送單片機(jī)。單片機(jī)通過中斷服務(wù)程序，在P1口獲取解碼后的BCD碼信息。通過對(duì)比接收到的數(shù)據(jù)和各終端設(shè)備設(shè)定數(shù)據(jù)，判斷是否執(zhí)行操作，并返回操作信息。在整個(gè)過程中，任意終端設(shè)備均可以了解在整個(gè)電力線系統(tǒng)中其他設(shè)備的工作狀況。

2.4電力線耦合模塊

按照低壓電力線通信耦合技術(shù)的要求，必須進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離，同時(shí)確保較高的載波信號(hào)加載效率。為此，本系統(tǒng)采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的“復(fù)合耦合”[4]。載波接收耦合電路如圖2所示，變壓器在耦合載波信號(hào)的同時(shí)使通信電路與強(qiáng)電隔離。二極管D1、D2起限幅作用，用來保護(hù)后續(xù)電路。其調(diào)諧回路的諧振頻率應(yīng)滿足：

若將中心頻率選在 460 kHz，電容取值為22 nF，經(jīng)計(jì)算可得電感L的取值在5.7 nH左右，即通過調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)繞組電感量來調(diào)節(jié)中心頻率。變壓器T1將電力線與耦合電路的其余部分相隔離，從電力線上接收載波信號(hào)，濾除來自電力線上的干擾噪聲。

圖2 接收耦合電路

發(fā)送耦合電路如圖3所示，三極管Q1和變壓器T1組成調(diào)諧功率放大電路。同樣變壓器在耦合載波信號(hào)的同時(shí)使通信電路與強(qiáng)電隔離。在Q1和前級(jí)運(yùn)放之間通過一個(gè)電阻R1耦合載波信號(hào)，同時(shí)避免后級(jí)電路產(chǎn)生自激振蕩，也能相應(yīng)的增加放大器的負(fù)載阻抗。前級(jí)運(yùn)放輸出的信號(hào)經(jīng)R1輸入到功率放大管 Q1，再經(jīng)Q1和諧振網(wǎng)絡(luò)組成的單調(diào)諧放大器放大耦合到電力線上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送。

圖3 發(fā)送耦合電路

3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用并行邏輯結(jié)構(gòu)，主要分為主控部分和被控部分。根據(jù)各設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色不同，自行切換到相應(yīng)的模式。系統(tǒng)默認(rèn)為被控模式，即接收模式。系統(tǒng)程序由初始化程序、中斷程序、接收發(fā)送程序、溫度控制程序及終端人機(jī)交互程序等構(gòu)成。初始化程序包括單片機(jī)初始化、MT8888預(yù)置模式、按鍵初始化、顯示初始化等。系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化程序，完成后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待收發(fā)中斷信號(hào)，從而判斷是否主控。當(dāng)有按鍵中斷產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入主控發(fā)送模式，通過解析按鍵信息，執(zhí)行發(fā)送動(dòng)作，將溫濕度調(diào)節(jié)信號(hào)經(jīng)電力線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。處于被控接收模式的設(shè)備，在MT8888收到接收中斷后，耦合卸載電力線數(shù)據(jù)。通過單片機(jī)解析收到的數(shù)據(jù)信息，判斷是否是本機(jī)需要執(zhí)行的操作。若是則控制溫濕度調(diào)節(jié)模塊執(zhí)行操作，否則放棄信息。同時(shí)，每臺(tái)設(shè)備還間隔2 s將本地狀態(tài)廣播給電力線網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備。從而讓使用者可以在任一設(shè)備了解及控制所有設(shè)備。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，單片機(jī)通過中斷信號(hào)喚醒工作，在判斷中斷信號(hào)的合法性后再執(zhí)行操作，可以避免誤操作和毛刺信號(hào)等干擾，同時(shí)利用看門狗定時(shí)器，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠[5]。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

3.2 PID控制算法

系統(tǒng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，通過 PID算法，經(jīng)單片機(jī)發(fā)送控制量e(k)=(測(cè)量值-設(shè)定值)，調(diào)節(jié)溫箱溫濕度。由于溫濕度的測(cè)控響應(yīng)緩慢有滯后性，本文采用增量 PID算法[6]，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)整，以克服超調(diào)和振蕩。其公式為：

圖4 主程序流程圖

設(shè)定一個(gè)閾值參數(shù) ε。當(dāng)|e(k)|>ε時(shí)，表明偏差較大，系統(tǒng)采用較大的加熱量加熱或是多個(gè)風(fēng)扇同時(shí)散熱，加大調(diào)節(jié)量；當(dāng)|e(k)|＜ε時(shí)，表明偏差較小，此時(shí)加入積分環(huán)節(jié)，減小調(diào)節(jié)量，保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。從而實(shí)現(xiàn)PD調(diào)節(jié)器到PID調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換。

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，以電力線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道，通過PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)的各溫箱設(shè)備的溫濕度控制，是集監(jiān)測(cè)、管理、控制于一體的計(jì)算機(jī)測(cè)控設(shè)備。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)成本低廉，安裝調(diào)試方便，工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)?？稍鎏砥渌麄鞲衅鳒y(cè)控模塊，適用于需要分散布局的應(yīng)用環(huán)境，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

[1]趙林惠.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]高宇.低壓電力線載波系統(tǒng)及抗干擾問題研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2004.

[3]余昌勝，許力.旋轉(zhuǎn)編碼器抗抖動(dòng)接口電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2004，31(8)：33-36.

[4]呂仲瑜，孟力，李璐.低壓電力線載波通信中的抗干擾問題[J].電測(cè)與儀表，2003，40(6)：36-39.

[5]于洪州，程建.51系列單片機(jī)軟件抗干擾設(shè)計(jì)[J].集成電路通訊，2007，25(2)：16-18.

[6]馬江濤.單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004，12(12).