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城市路灯自动控制系统毕业设计doc

时间：2024-02-10 16:10:08   作者: 智能灯杆解决方案

  题目： 城市路灯自动控制系统硬件设计 摘要：随着中国经济的加快速度进行发展，人类对电力能源的需求日益增大，电力资源日益缺乏。因此如何节能降耗已成为近几年来人们关注讨论和研究的话题。 本文研究的路灯控制管理系统是针对我国城市在路灯照明的控制方面产生的巨大能源消耗和浪费而开发出的新的智能型的路灯控制管理系统。本文详细的介绍了该系统的设计与实现。本文详细的介绍并分析了以GPRS技术、电力载波技术、单片机芯片AT89S52、光敏传感器为主要部件的硬件电路。通过时间控制和环境参数控制相结合的方法去控制路灯。实现随着光照强度的大小和在一定时间段内路灯都有着的不同表现，午夜路灯间隔开以节省电源，光照很足时路灯全部自动断开不工作等功能。 该路灯控制管理系统是一种智能型控制管理系统，电力资源既能获得合理利用。跟着社会的发展，路灯控制管理系统会得到更广泛的应用，有很光明的前景。 关键词:GPRS、PLC、单片机、光敏传感器 Abstract: With Chinas rapid economic development, human power energy demand increases day by day, the power increasing scarcity of resources. So how to saving energy and reducing consumption has become in recent years people pay more attention to the discussion and the research topic. This paper studies the street lamp control system is in view of our country city in street lighting control enormous energy consumption and waste and to develop a new type of intelligent lighting control system. This paper introduces the system design and implementation. This paper introduced and analyzed with GPRS technology, PLCtechnology, the single chip AT89S52, photosensitive sensor for the main components of the hardware circuit. By the time control and environmental parameters control combination method to control the street lamp. Achieve with the light intensity of the size and within a certain period of time lights have different manifestations, midnight lamps spaced to save power, illumination is enough when the street lights automatically disconnect function does not work. The street lamp control system is a kind of intelligent control system, electric power resources to rational use. With the development of society, street lamp control system will be more widely used, has a very bright future. Key words: GPRS、PLC、single chip、Photosensitive sensor 目 录  TOC \o 1-3 \h \z \u  HYPERLINK \l _Toc325264576 第一章 绪论  PAGEREF _Toc325264576 \h 1  HYPERLINK \l _Toc325264577 1、路灯自动控制系统模块设计的前景  PAGEREF _Toc325264577 \h 1  HYPERLINK \l _Toc325264578 2、路灯自动控制系统节能方式探讨  PAGEREF _Toc325264578 \h 1  HYPERLINK \l _Toc325264579 1.2.1 照明稳压调光控制装置  PAGEREF _Toc325264579 \h 2  HYPERLINK \l _Toc325264580 1.2.2 半夜路灯交替亮灯方式  PAGEREF _Toc325264580 \h 2  HYPERLINK \l _Toc325264581 3、无线网络的优点  PAGEREF _Toc325264581 \h 2  HYPERLINK \l _Toc325264582 第第二章 路灯自动控制系统模块设计的总体方案  PAGEREF _Toc325264582 \h 4  HYPERLINK \l _Toc325264583 2.1系统总体结构  PAGEREF _Toc325264583 \h 4  HYPERLINK \l _Toc325264584 2.2中央控制室  PAGEREF _Toc325264584 \h 4  HYPERLINK \l _Toc325264585 2.3 集中控制器  PAGEREF _Toc325264585 \h 4  HYPERLINK \l _Toc325264586 2.4 路灯控制器  PAGEREF _Toc325264586 \h 4  HYPERLINK \l _Toc325264587 第三章 路灯自动控制系统硬件设计  PAGEREF _Toc325264587 \h 6  HYPERLINK \l _Toc325264588 3.1 GPRS通信  PAGEREF _Toc325264588 \h 6  HYPERLINK \l _Toc325264589 3.1.1 GPRS网络概述  PAGEREF _Toc325264589 \h 6  HYPERLINK \l _Toc325264590 3.1.2 GPRS网络的协议和结构  PAGEREF _Toc325264590 \h 6  HYPERLINK \l _Toc325264591 3.2 电力载波通信简介  PAGEREF _Toc325264591 \h 7  HYPERLINK \l _Toc325264592 3.2.1 工作频段  PAGEREF _Toc325264592 \h 8  HYPERLINK \l _Toc325264593 3.2.2 传输速率  PAGEREF _Toc325264593 \h 8  HYPERLINK \l _Toc325264594 3.2.3 双向通信  PAGEREF _Toc325264594 \h 8  HYPERLINK \l _Toc325264595 3.2.4 调制解调方法  PAGEREF _Toc325264595 \h 9  HYPERLINK \l _Toc325264596 3.2.5 扩频通信原理  PAGEREF _Toc325264596 \h 9  HYPERLINK \l _Toc325264597 3.3 PLC技术可行性研究  PAGEREF _Toc325264597 \h 10  HYPERLINK \l _Toc325264598 3.4 路灯控制整体实现  PAGEREF _Toc325264598 \h 11  HYPERLINK \l _Toc325264599 第四章 系统各部件详细说明  PAGEREF _Toc325264599 \h 12  HYPERLINK \l _Toc325264600 4.1 GPRS模块的硬件设计  PAGEREF _Toc325264600 \h 12  HYPERLINK \l _Toc325264601 4.2 电力线载波模块的硬件设计  PAGEREF _Toc325264601 \h 13  HYPERLINK \l _Toc325264602 4.2.1耦合电路  PAGEREF _Toc325264602 \h 13  HYPERLINK \l _Toc325264603 4.2.3接收电路  PAGEREF _Toc325264603 \h 15  HYPERLINK \l _Toc325264604 4.2.4陶瓷滤波电路  PAGEREF _Toc325264604 \h 15  HYPERLINK \l _Toc325264605 4.2.5 存储电路  PAGEREF _Toc325264605 \h 16  HYPERLINK \l _Toc325264606 4.2.6 直流电源电路  PAGEREF _Toc325264606 \h 16  HYPERLINK \l _Toc325264607 4.3 路灯控制器的硬件设计  PAGEREF _Toc325264607 \h 17  HYPERLINK \l _Toc325264608 4.3.1 AT89S52的介绍  PAGEREF _Toc325264608 \h 17  HYPERLINK \l _Toc325264609 4.3.2 光照信号测量电路的设计  PAGEREF _Toc325264609 \h 20  HYPERLINK \l _Toc325264610 4.3.4时钟电路  PAGEREF _Toc325264610 \h 22  HYPERLINK \l _Toc325264611 4.3.5复位电路的设计  PAGEREF _Toc325264611 \h 23  HYPERLINK \l _Toc325264612 4.3.6 显示电路的设计  PAGEREF _Toc325264612 \h 23  HYPERLINK \l _Toc325264613 第五章 心得体会  PAGEREF _Toc325264613 \h 25  HYPERLINK \l _Toc325264614 参考文献  PAGEREF _Toc325264614 \h 26 第  PAGE 27 页 共 26 页 第一章 绪论 1、路灯自动控制系统模块设计的前景 跟传统的路灯控制管理系统相比，传统路灯控制管理系统就是采用人工控制，到了一段时间就开启路灯，到了一段时间关闭路灯，完全是人工控制路灯的开关。 一个国家路灯市场规模与当地道路长度与种类、国民生活水平有关。理论上道路长度愈长、愈宽、重要道路(如高速公路)比率愈高，路灯需求数量将随之增长。不过路灯需求与实际装置数量，会受到国民生活水平影响。国民生活水平愈高国家，民众对于道路使用频率与道路安全要求越高，相对的路灯装置数量也较多。中国绝大多数都是能源缺乏国家，随着经济发展，能源供给问题更严重。2008年10月中国政府启动“公共机构节能条例”，要求各级政府单位理应当将节能产品、设备纳入政府集中采购目录，并严格监控能源消耗状况。同时，也公布了“民用建筑节能条例”规定建筑设计企业应当选择合适的可再生能源，用于采暖、制冷、照明和热水供应等。正因为这两项法规的实行，提供地方政府采购LED等相关节能产品的法源依据。虽然国家积极地在倡导节能环保也采取了许多措施，例如采用人工控制手动进行开关灯的工作，还有采用定时控制的措施：天天定时开定时关不论气候季节变化，还有的在夜晚降低路灯的供电电压使其变暗来减小能源消耗。 这些控制方式明显存在着较大的问题，人工控制不仅浪费了人力资源，而且还会造成不必要的安全风险隐患。定时控制存在着在天气不好或季节变化天黑的早或晚的情况下光照条件没得到及时改善。降低供电电压会影响路灯的常规使用的寿命和出行安全。所以说，设计出一个智能型的路灯控制管理系统在社会会有个广泛的应用前景。 2、路灯自动控制系统节能方式探讨 绿色照明是当今照明界发展的一种趋势。目前，在道路照明工程中，电网电压受负荷的影响较大，在负荷高峰时偏低，在负荷低谷时偏高。每当傍晚，道路上交通量高峰时，恰值电网负荷高峰，由于电网电压偏低，光源发出的光通量低，路面照度低；而接近午夜时，道路上交通量处于低谷，此时电网负荷也是低谷，由于电网电压偏高，因此光源发出的光通量高，路面照度高。而人眼在黑暗中经过一段时间就有了适应黑暗的能力,深夜时亮度只需刚刚天黑的70%就有相同的“感觉亮度”。因此,路灯在深夜过高电压下运行会大大浪费电能。所以,科学地控制路灯,不仅能满足大家行路行车的安全,还能节约电能及延长灯具的常规使用的寿命,从而减轻维修工作量和减少运行的成本。为改变此现状，一般都会采用如下几种方法： 1.2.1 照明稳压调光控制装置 在负荷不变的情况下，电能的消耗与电压的平方成正比，与用电时间成正比，电压越高，时间越长，耗能越大。稳定照明电压能节约大量电能的消耗。稳定调光控制装置的基本性能是在黄昏时分将低于220V 的电压调到220V，在源电压高到某值时，可按设定的电压180V(高压钠灯)将光源电压调下来，从而有效地降低路灯的电流、有功功率、无功功率，大量节省能源和资金。由于此装置具有稳压软启动功能，可以克服因气体放电灯低压启辉失败而极度影响路灯寿命的坏因，同时克服了光源电压升高10％时光源冷启动大电流冲击烧灯现象。目前，常用的调光控制装置有两种，分别为可控硅调压系统和扼流圈调压系统。可控硅调压系统通过控制器发出相应的电脉冲，控制可控硅导通角，对供电电压做出模拟调节，使可控硅电源按设定值输出电压，供路灯照明使用；扼流困调压系统也是通过微控制器采集电压值，启动调压系统，按预设调压百分比进行电压调整。 1.2.2 半夜路灯交替亮灯方式 在路灯系统中增铺一到两条电缆，对线路上的路灯分别控制，在接近午夜交通量小的时候，熄灭部分电缆控制路灯，以达到节能的目的。但这样做也有缺点，道路照明的均匀度差且灯光零乱,对城市交通及道路景观有一定的负面影响。系统中重点考虑怎么在控制方面做节能设计。 3、无线网络的优点 从功能从可靠性来说，没有一个无线网可以与移动通信网相比拟，总体来说，有以下优点： 1、覆盖域广，目前移动通信网全国覆盖率95%以上，非边远区覆盖率几乎100%。GPRS 用户可随意分布和移动自己网络点，无须担心线路维护或有线移机时导致通讯中断。建设新监控点无需进行拉线，埋线等工作。较光纤，或专线系统投资较少，设施安装方便。通信距离远，任何场合都可以设中心站。覆盖较好，比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好。 2、GPRS 网络接入速度快，提供了与现有数据网无缝连接。GPRS 网本身就是一个分组型数据网, 支持TCP/IP、X.25 协议，无需PSTN 等网络转接，直接与分组数据网（IP 网或X.25 网）互通，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。采用TCP/IP 协议，较以前无线数据网络（集群，双向传呼，GSM短信息）而言，网络接入更直接方便。 3、网络可靠性高。首先网络有较大冗余设备及信道；其次设备复用；再次，一旦基站特殊情况下损坏，移动公司抢修非常及时。 4、稳定性高，抗自然干扰能力强；另频段专用，不会受到人为干扰。GPRS 能最好支持频繁、少量突发型数据业务。通信质量稳定可靠，永不掉线、GPRS资费便宜，计费合理。GPRS 资费包月比有线电话网络资费还便宜。路灯监控数据采集业务没有大数据量信息传输，不必要采用资费很高专线（DDN、帧中继）。GPRS还可通信数据量和提供服务的品质进行计费。GPRS网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间保持这种连接，并只传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。这样，营业点即不用频繁建立连接，必支付传输间隙时费用。GPRS是移动通信网中一种新技术，完成了无线Internet接入，这种技术数据传输时，将数据来进行分组（TCP/IP）传送，并提供透明通道。网络容量仅需要时才分配，一旦分组完成发送任务，信道容量立即释放，提供了即时连接和高效传输，实现了实时线功能。，它是一种经济高效分组数据技术。组网方面主站和从站设备均可使用动态IP和固定IP两种工作方式，当组成小规模监测网时，主站和从站均采用动态IP方式，用动态域名解析使用公网，可节省费用（不用专门租用DDN等专线）；组成大网时，主机可采用固定IP，并用专网，以提高系统效率，但条件不具备时仍可使用动态IP和公网，此时效率仅比固定IP低0.2%。 第二章 路灯自动控制系统模块设计的总体方案 2.1系统总体结构 按照路灯远程测控系统的设计的基本要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器3层网络结构。系统的总体结构如图2.1所示。 图2.1 系统的整体结构 2.2中央控制室 中央控制室是总系统的最高控制中心，它的硬件最重要的包含监控中心计算机、路由器、中心服务器、Internet接入设备、与集中控制器通信模块（本系统通过GPRS模块与集中控制器通信）等。 2.3 集中控制器 集中控制器在总系统中起到桥梁作用，它通过电力线磁感线与路灯控制器通信，还通过GPRS模块与中央控制室通信。所以它的硬件组成部分主要有控制器CPU、GPRS模块、电力线载波模块、晶体振荡电路、时钟电路等。它主要是负责信息的采集和发送，控制命令的传递等。 2.4 路灯控制器 路灯控制器直接实现路灯开关控制以及路灯控制状况信息的反馈，并且在发送的信号不能到达目标路灯控制器时，要有路灯控制器在其中作中继传递，以保证信号顺利传输。同时，当路灯控制器无法给电力载波调制解调器反馈信息时，也要有路灯控制器作中继传递。这样就要求路灯控制器有这样几部分所组成：控制器CPU、电力线载波模块、陶瓷滤波电路、晶体振动电路、直流电源电路、继电器以及电流电压检测电路。 第三章 路灯自动控制系统硬件设计 系统的通信方式选用GPRS与电力磁感线通信相结合。中央控制室与电力载波调制解调器之间采用GPRS通信，电力载波调制解调器与路灯控制器的通信是电力磁感线通信的方式。路灯控制器之问的通信采用PLCC通信方式，实现电力载波调制解调器与目标路灯控制器之间的可靠通信，其实质就是中继通信。下面进行通信方式的比较选择。 3.1 GPRS通信 3.1.1 GPRS网络概述 GPRS是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信演讲的过度技术，因此也称2.5G通信技术，是由英国BTCellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+（1997年）规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户更好的提供有移动分组的IP或者X.25链接。 GPRS在现有的GSM网络基础上叠加了一个新的网络，同时在网络上增加了一些硬件设备和软件升级，行程了一个新的网络逻辑实体，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用。GPRS技术160Kbps的高速传送速度几乎能让无线上网达到公网ISDN的效果，实现“贴身携带互联网”。使用GPRS，数据实现分组发送和接受，用户永远在线而且按流量、时间计费，迅速降低了服务成本。 通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的科技，它以分组交换技术为基础，在移动用户和数据网络之间提供一种链接，给移动用户更好的提供高速无线服务，用户通过GPRS可以再移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发E-mail、进行Internet浏览等。 3.1.2 GPRS网络的协议和结构 GPRS通信是基于TCP(Transmission Control Protocol)/IP(Internet Protocol)协议的网络通讯，它支持两种不同的传输层协议，分别是面向连接的TCP协议和无线连接的UDP(User Datagram Protocol)协议。TCP和UDP的主要不同之处在于： ①从对系统资源的要求上看，TCP较多，UDP少。 ②UDP程序结构较简单。 ③TCP是基于流模式的，UDP是基于数据报模式的。 ④TCP能确保数据正确性和数???的顺序，而UDP可能会丢包，数据顺序也没有保证。 另外，结合网络的情况具体看它们的区别： ①TCP传输存在一定的延时，大概是1600ms，UDP响应速度稍微快一些。 ②从协议的包头结构来看，TCP包头至少有20字节，UDP的包头则小很多。 ③从GPRS网络端口资源分析，UDP十分紧缺，变化很快。而TCP采用可靠链路传输，不存在端口变化的问题。 该系统中要求中央控制室和GPRS模块能相互的、实时的传输数据。TCP本身就是可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足这一要求。而对于UDP传输，在一段时间没有数据流造后，端口容易改变，产生的影响就是从中央控制室向GPRS模块发送数据，GPRS模块接收不到。从通讯的可靠性方面来说，不容许传输过程中的数据丢失或者最大限度的要求数据的可靠性。否则，根本没办法实现远程监控。从这一点来看，很显然在无线数据传输过程中，TCP比UDP更能保证数据的完整性、可靠性，存在更小的丢包牢。从经济性的角度考虑，要求降低费用，和费用直接相关的就是流量了，流量低，费用就低了。虽然TCP本身的包头要比UDP多，但是UDP在实际应用中往往需要维护双向通道，就必须要通过大量的包数据来维护端口资源。总的比较下来，UDP的实际流量要比TCP还要大。 基于对以上几点的考虑，文中认为TCP传输更能满足该系统对通讯的要求，所以在该系统的GPRS通讯部分，选择了TCP协议。 中央控制室与电力载波调制解调器之间的通信方式是GPRS无线 电力载波通信简介 电力载波通信（Power Line Carrier，以下简称PLC）是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。PLC 技术出现于20 世纪20 年代初期，那时主要集中在11kV 以上的高压远距离传输。到了20 世纪50 年代，高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程显示、设备保护及语音传输等领域。50 年代后至90 年代早期的30 多年中，PLC 开始应用在中压和低压电力网络。20 世纪90 年代中后期以来，低压电力载波通信成为国内外电气工程、网络工程等领域的热门研究课题。低压电力线载波通信,其解决方案的优劣直接影响到系统的技术水平和实用性。一个合理的解决方案必须是在充分地考虑了PLC 技术特点的基础上提出： 3.2.1 工作频段 早在20 世纪90 年代初期，欧洲就提出了BS EN 50065 标准，此标准对与于低压电力线上的载波信号的频段、频带和电平等做出了具体的规定。迄今为止，这一标准仍是全球唯一具有针对性的标准，全世界范围内在低压电力线上的任何方式载波无不严格地遵循它。此标准的第一部分即：BS EN 50065-1 对频段的规定是： 3KHz-9KHz 电力公司专用频段 9KHz-95KHz 电力公司和经电力公司许可的用户使用的频段 95KHz-148.5KHz 其它用户使用的频段 当今的技术发展日新月异，全球不少重量级的公司（例如Microsoft、Intellon、THOMSON、3COM、AMD 等）都不惜高昂的研发费用，开发低压电力线资源，低压电力线作为一种新的通信载体，将在未来家庭网络技术方面发挥出不可替代的作用。可以相信在不久的将来，低压载波电力线将同无线电波一样变得十分宝贵，因此将受到严格的管理和控制。 3.2.2 传输速率 载波通信的传输速率是自动抄表系统的一项重要技术指标，也是载波通信技术水平的一项重要标志。通信速率（波特率）和误码率是一对矛盾，波特率越高，误码率就越高，通信成功率就越低。因此波特率的设计至关重要。对于抄表系统而言，考虑到成本的因素，不宜追求很高的传输速率，在性价比合适的前提下，通常速率应在2400bps 以下。对实际使用来讲，从300bps～2400bps 都是可行的，但如果太低（比如300bps 以下），仅仅用于抄表尚可以使用，但如果系统具备较强的管理功能，太低的传输速率就无法满足了。另一方面，速率太低，多数情况下需要设备长时间地处于发送状态，整体功耗就会很大。 3.2.3 双向通信 在抄表系统中，低压载波通信必须是双向的，这是因为：低压电网上丰富噪声而且是客观存在的，对载波信号所呈现出阻抗也是动态的，而且在用电负荷很大时，阻抗是很小的。因此，设计通信时必须面对这个客观事实。再加上其他因素的影响，数据通信的成功率会受到较大的影响，有时甚至会造成从集中器到表端设备通信的持续性失败，这种情况下就需要系统有中继的功能，而切实可行的中继方法是表端设备（采集模块或采集终端）在集中器的干预下进行中继，这就要求从集中器到表端的载波通信必须是双向，否则将会严重影响数据的完整性，有时会因为通信的原因迫使用户更换采集模块，其麻烦程度和经济损失是不言而喻的。 3.2.4 调制解调方法 由于电力线信道中存在着大量的无规律干扰源，有窄带的，也有宽带的，并且电力线的阻抗随机变化，对载波信号的衰减很大。目前市场销售产品的调制/解调方法大致分为点频和扩频，而扩频又分为窄带扩频和宽带扩频。通常点频方式需要较大的发送功率，载波信号幅度有可能超出规定标准。宽带扩频容易提高传输速率，但成本较高，而且占用较宽的频带也是资源的浪费。 3.2.5 扩频通信原理 PLC是以电力网为通信信道，实现数据传递和信息交换。与其它通信方式相比，可大大节省通信网建设费用。扩频通信是信息时代的三大高技术通信手段之一，具有窄带通信所不具备的优良性能，如抗干扰性强，误码率低等优点。即使在背景噪声恶劣的情况下，也能保证可靠的通信。理论分析和实验表明，将扩频技术应用于电力线载波通信是可行的。 扩频通信的主要优点: ① 频谱密度低，电磁辐射小 扩频通信在相对较宽的频带上扩展了信号频谱，降低了信号的功率谱密度,使信号能量不再集中在一个很窄的频带，降低了电磁辐射的发射功率，降低了对其它通信系统的干扰。 ② 抗干扰性强，误码率低 扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，对于各种形式随机干扰或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰，只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性。这样，通过窄带滤波技术提取有用信号时，各种干扰信号只有很微弱的成份，信号的信噪比很高，抗干扰性增强。 ③ 可以实现码分多址 由于在扩频通信中存在PN码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。 ④ 安装简便，易于维护 扩频通信设备是高度集成的，采用了现代电子科技的尖端技术，因此十分可靠、小巧，大量运用后，成本降低，安装便捷，易于推广应用。实现扩频有三种途径：直接序列调制（DS）、跳频载波（FH）、线性调频（Chirp）和跳时调制（TH）。在电力系统应用的主要是直序调制和线性调频扩频系统。在这里只讨论直序扩频调制。所谓直序扩频调制，就是用高速率的伪噪声码序列（PN码）和低速率信息码序列相乘，从而将基带信号扩展到很宽的频带范围内，达到扩频的目的。扩频信号经过BPSK调制后发送到线路；在接收端，在保证同步的情况下，利用相关接收技术，接收端产生的伪噪声码序列和发送端伪噪声码序列相同时，就可以正确地解扩出信息码。 3.3 PLC技术可行性研究 目前的路灯监控系统只能实现对每条支路路灯的开关灯控制，不能实现对每盏灯的单独控制，无法了解各条路灯线路上的具体每盏灯的工作情况，没办法实现对每盏路灯的调光节能控制，也实现不了系统自动识别每盏路灯是否故障。为了克服上述，利用最新的低压电力线载波（PLC）技术能轻松实现单灯控制器。它通过现有的220V低压电力线利用载波技术远程控制每盏路灯，检测路灯的工作状态，能轻松实现调光节能，还能够自动识别路灯故障。 采用PLC技术的优点: a. 考虑路灯真实的情况，无需另外铺设通信线路，减少系统投资。 b. 可以自动监测路灯网中的任一盏灯的工作状态。 c. 投资回报率高，可节省大量电费。 d. 可延长路灯的常规使用的寿命。 设计的单灯控制单元接路灯的输入端，具备可识别的独一地址，并由微处理器、载波单元、A/D转换单元、存储单元、继电器等组成。单灯控制单元可实现路灯开关，调光控制，状态检测以及PLC通信等四部分功能，其中前三部分功能模块实现起来非常容易。单灯控制单元的PLC通信采用主从式链状网络，按照各个单灯控制单元在通信中的功能不同，区别为主节点和从节点。通信时由主节点对各从节点轮询，所有通信都由主机发起，通信的目的从节点是唯一的，从机只有得到主机命令后才可以向主机回复命令，这样的仲裁机制保证了在同一电力线上同一时间最多只能有一个PLC模块向外进行通信。由于一般单个PLC的通信一般500米以内，而对于路灯支路来说，这样的通信距离是不够的，因此在通信链路上，相隔少数的单灯控制单元，必须设定通信中继节点，这些节点也是主节点，负责链路的中继传输。各个中继之间距离合适，这样才能确保整条支路的正常通信。 通过以上的介绍，在本系统中采用PLC在电力线载波调制解调器与路灯控制器之间通信。 3.4 路灯控制整体实现 可见光由LX1970接受可见光并转换成电流信号，此信号由AD转换器转换成数字信号输入到74LS373锁存器中，再由主单片机AT89S52的P0口读取出来。分析对比与设定的值比较要不要开启路灯。 第四章 系统各部件详细说明 通过总体设计结构的介绍，主要是对GPRS模块的设计、电力线载波模块的设计、路灯控制器的设计。 4.1 GPRS模块的硬件设计 GTM900B共有40个引脚，通过ZIF(Zero Insertion Force)连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电路、SIM卡电路、指示灯电路等连接。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。第1—10引脚为电源部分；其中1—5脚为电源电压输入端VBAT， 6—10脚为电源地GND；11、12为RXD1，TXD1引脚(用于跟踪和调试)；13脚为模块正常启动指示信号，对外输出电压(高电平有效，严禁外部拉低)；14脚为模拟数字采样引脚；24—29脚为SIM卡引脚：分别为SIM_CD、SIM_RST、SIM_DATA、SIM_CLK、SIM_VCC和S1M_GND；33—40脚为语音接口用来接电线脚为开关机控制信号线PWON，当供给GTM900B的电源大于3．3V，同时给PWON一个至少10ms的低电平，模块开始工作。 图4-1 GPRS发送模块的电路原理图 反之在模块正常工作时，如果外部CPU将GTM900B的PWON信号拉低2～3秒，模块将进入正常关机流程，保存一些信息，完成网络注销；30脚为备份电池供电信号线脚为复位信号线为指示灯状态控制信号线位数据输入/输出分别为UART_DSR0、UART_RI0、UART_RXD0、UART_TXDO、UART_CTDO、UART RTS0、UART_DTR0和UART_DCD0。GTM900B的外围电路连接图如图4-1所示 4.2 电力线载波模块的硬件设计 图4-2电力线载波模块的硬件设计框图 4.2.1耦合电路 一般来说，要把扩频载波信号耦合到电力线上去，在电力线扩频收发器和电力线之间需要一个耦合器。耦合器在电路中主要有三个作用：内部的高频耦合线圈实现强电侧和弱电侧的物理分离；内部的高通滤波器保证导通高频信号而阻断电网工频；实现阻抗匹配。本系统采用的带有高通效果的耦合电路如图4.2-1所示，主要由电容C1和耦合线圈)构成。由于低压电网的工频(50Hz)和本系统扩频信号的信号频率(120KHz)相差将近2500倍，所以电容C1和耦合线圈原边电感对这两种频率信号的阻抗各不相同。对于工频信号，电容CHI的阻抗远大于线圈原边电感的阻抗，所以电容C1承担了电力线KHz的系统信号，线圈原边电感的阻抗远大于电容C1的阻抗，所以系统扩频信号几乎都加在了耦合线圈上。这个电路能把工频与扩频信号叠加和分离开来。 4.2.2功率放大电路和整形滤波电路 功率放大电路将PL3106的P1.7脚输出的载波信号进行功率放大后耦合到电力线上发射出去，当芯片的载波功能被使能并处于发送状态时，载波信号由PL3106管脚P1.7(PSKout)输出，此脚输出时应接一个上拉电阻，载波输出时PSKout点的波形为0—5V变化的方波，其中富有丰富的谐波；经过推挽电路进行功率放大后，P1.7的方波信号被放大为A点信号。 图4.2.2功率放大电路和整形滤波电路 功率放大器工作在开关状态。由于正常的发射时问很短，所以在选择三极管时应注意其功率参数，而在测试时要注意上班时间不能太长，否则会损坏功率放大器的输出三极管。载波发射功率的大小与该放大电路的电源幅值的高低、电源电流提供能力比相关，在一些范围内增加电源功率，提高电源幅值，可以轻松又有效增加发射功率，从而得以延长载波通信距离。 由于放大后A处的信号富含谐波，为减少对电网的谐波污染，在耦合发送至电力线之前有必要进行滤波整形。由电容电感完成整形滤波后，再发送至耦合电路。其载波信号功率放大图4.2.2所示。 4.2.3接收电路 如图4.2.3所示，接收电路和发送电路中R11隔离，在本地强信号下可以轻松又有效的吸收衰减，电感L11和电容C11，组成了并联谐振回路，具有对120KHz信号的选频作用，以完成对有效信号的带通滤波，若选择电容C11为1．5nF，则由谐振公式算得电感L=1．17mH。 良好的选频回路能大大的提升载波接收的灵敏度。接收的载波信号被二极管D11和D12控制在0．7V，接收信号经电容C12引入到芯片内部进行混频处理，SIGIN被内部上拉后平移到2．5V±0．7V，以利于后续处理。 4.2.4陶瓷滤波电路 接收到的120KHZ信号经并联谐振后由SIGIN脚进入芯片，和内部的600KHz本振信号进行混频，得到中频带宽的差额信号频率为480KHz。该混频信号从陶瓷滤波器FLTl脚进入到陶瓷滤波器的输入脚，陶瓷滤波器滤波后再送回芯片的FLT0脚进行内部限幅放大。然后由芯片内的硬件解扩电路进行相对有效数据的还原；还原后的数据位锁存到P1．7脚，同时产生同步HEAD信号的低电平。陶瓷滤波器接口电路图4.2.4如下所示。 4.2.5 存储电路 存储电路是由CAT24WC32组成，其接口电路如图4.2.5所示。CAT24WC32是一款专用的EEPROM，与PL3106的MCU通过I2c总线.6 直流电源电路 直流电源???路如图4.2.6所示，为系统提供+12V，+5V，+3．6V电压。将220V交流电通过低频变压器转变成约30V交流电，经过整流滤波将交流电转为直流电。再经过开关电源：占片LM2576降压为12V，为继电器和载波功率放大电路提供电源；通过LM7805降压，为单片机提供+5V电源：在整流桥的直流侧引出一路电源 通过LM2576为GTM900B模块提供+3．6V电源。 4.3 路灯控制器的硬件设计 4.3.1 AT89S52的介绍 AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。? ? AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 引脚介绍： 外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可当作输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可当作输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能 P3.0 RXD（串行输入） P3.1 TXD（串行输出） P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT0(外部中断0) P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器写选通) RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。 在正常的情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。若需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。 在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 存储器结构： MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。 数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。 当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。 该设计电路主要是通过单片机和按键对时钟芯片DS1302进行时间设置控制路灯的开关时间，和通过光敏电阻感应外界的光照情况从而控制路灯的开关，还有构成复位和晶振电路对该系统来进行初始化和起振电路让其运行，通过电阻和三极管驱动路灯点亮，再经过单片机后通过驱动器SN7404驱动数码管显示时间。路灯断电后，充电电池给时钟芯片DS1302供电让其继续工作，让时间继续走下去，等其再次通电后，时间显示当前时间。根据当前时间路灯会作出不同的响应。 4.3.2 光照信号测量电路的设计 光敏传感器的种类非常之多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。 光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光敏传感不只局限于光的探测，它还可当作探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行全方位检查。前述的光敏传感器一般都是单个探测元件，使用时需要用户自行设计探测阵列。 1功能说明 Lx1970型可见光亮度传感器是美国Microsemi公司的产品，基于LX1970可构成平板显示器的亮度监控系统，还可作用户外照明灯的控制器，实现黄昏时自动开启路灯，清晨时自动关闭路灯。 LX1970芯片中包含PIN型光电二极管、高增益放大器和两个互补电流输出端，芯片特点如下。 （1）PIN光电二极管阵列的光谱特性及灵敏度都与人的眼睛十分相似，能代替人眼去感受环境亮度的明暗程度，并将接收到的可见转换成电流信号，进而对背光源的亮度来控制。光电二极管阵列峰值响应波长为520mm，电流灵敏度为0.38μA/lx,暗电流为10nA。 图4.3.2 LX1970引脚图 （2）LX1970亮度传感器非线性误差小，重复性好。外围电路简单，价格低，使用起来更便捷。无需使用蓝光滤光片，即可以轻松又有效地衰减紫外光和红外光。 （3）两个互补输出端的电流不对称仅为±0.5%，可选任一端作为输出。 （4）微功耗，低压供电。采用＋2～＋5.5V电源，电流电源低至85μA（典型值）。工作时候的温度范围是－40～＋85℃。其外观尺寸仅为2.95mm×3mm×1mm. LX1970采用MSOP-8表贴塑料封装，其引脚排列如图 4.3.2所示。 VDD和VSS分别接电源的正、负极。SNK为电流接收器的引出端，SRC为输出电流源的引脚端，NC均为空脚。 由光电二极管产生的电流经过高增益放大器送到两个电流输出端，一个是电流洗手器的引脚SNK，另一个是输出电流源的引脚SRC，二者的电流信号分别为ISNK、ISRC。 LX1970接受光的波段与人眼非常相近，并且也像人眼一样灵敏。其峰值波长为520nm，波段大约为350-800nm，能覆盖整个可见光波段（400-700nm）.LX1970在峰值波长为520nm时的灵敏度K=0.38μA/lx即照度每变化1lx，输出电流应变化为0.38μA。要将照度转换成亮度L（其单位为cd/㎡），可以假定光线照射在一个能满足全反射条件的理想平面上，此时1lx相当于0.34 cd/㎡，这样既可得到亮度值。通常要用实验的方法测定亮度与照度的比例系数。 2电路图 测量光亮度的电路如图4.3.3 所示，整个电路的关键是亮度传感信号的提取，用到的主要器件为52单片机、锁存器74LS373、8位A/D转换器ADC0809以及可见光亮度传感器LX1970，可见光由LX1970接受可见光并转换成电流信号。在SRC端串联一个电阻，该电阻两段电压数值就间接反映了系统所在环境可见光强度的大小。 图 4.3.3测量光亮度的电路 图 4.3.3 中，AT89S52单片机的读写控制信号/WR、/WD分别与P2.7经过或与门连接到ADC0809的启动端START和输出允许端OE，计算得ADC0809的端口地址为：7FFFH。 本系统不需要对可见光亮度作高速的采样分析，因此能采用延时的办法读取A/D变换后的电压数字量，一般说来，ADC0809完成一个A/D变换的时间为200μs,若需要及时读取数字量，可以将ADC0809的EOC端经过反相器连接到52单片机上的外部中断O端口，ADC0809转换完成后通过触发外部中断O在中断服务程序当中完成数据的读取和处理。 4.3.4时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。AT89S52单片机允许的时钟频率是因型号而异的。 晶振的选择： 6MHz的晶振，其机器周期是2us。 12MHz的晶振，其机器周期是1us, 也就是说在执行同一条指令时用6MHz的晶振所用的时间是12MHz晶振的两倍。 为了更好的提高总系统的性能我选择了12MHz的晶振。 振荡方式的选择： 内部振荡方式，AT89S52内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件以后就组成振荡器，产生时钟送至单片机内部的各个部件，这样就构成了内部振荡方式。 外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适合用来使单片机的时钟与外部信号一致。 在我的这个设计中没有也无需与外部时钟信号一致，所以我选择了内部振荡方式，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振我选择了12MHz，相对于6MHz的晶振，总系统的工作速度更快了。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值我选择了30pF。内部振荡方式所得的时钟信号稳定性高。 4.3.5复位电路的设计 计算机在启动运行是都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 AT89S52单片机有一个复位引脚RST，它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平。使器件复位，只要RST保持高电平，AT89S52保持复位状态。此时ALE、/PSEN、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。复位以后内部寄存器的初始状态为（SP=07，P0、P1、P2、P3为0FFH外，其它寄存器都为0。 复位电路的设计如图4.3.5所示： 4.3.6 显示电路的设计 显示电路的设计如图4.3.6所示： LCD1602液晶简介 1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。 字符型LCD1602通常有14条引脚线条引脚线条线脚)和地线脚的LCD完全一样，引脚定义如下表所示： 编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极 LCD的特性： +5V电压，对比度可调 内含复位电路 提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 有80字节显示数据存储器DDRAM 内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM 8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM??  第五章 心得体会 为期三个多月的毕业设计即将结束了，我完成了路灯控制管理系统的设计。本系统模块设计特点：1．电路采用动态显示方式，硬件电路最简单。2．采用中断定时的方法，准确度高，相对于延时来说计时更加准确。3．数据处理速度快，采用了12MHZ相对传统的6M晶振单片机工作速度明显更快。另外，本设计也存在着缺点，那就是驱动能力不强。 从刚接到毕业设计课题：我首先是查找一些相关的书籍及资料，并根据真实的情况拟定设计的具体方案，进而达到优化方案。在研究设计电路时，遇到了很多困难，但在老师和同学的帮助下使得本次设计达到了预定的要求。同时，通过这次毕业设计，在每个方面都有了很大的提高，特别是在理论和实践结合方面使我受益匪浅，使我大学里学习的理论知识在根本上得到一次最完整的实践和提高。也为我即将面临的工作奠定了很好的基础。 在本次毕业设计中深深认识到自己的每个方面的不足之处，蹦着提高自身能力及检测四年所学知识的目的，我严格要求自己，每一环节都认认真真地对待，定期向知道老师报告进展情况和请教不懂的地方，得以完成任务。 在以后的工作中，我必须进一步深化在实践中去丰富理论，完善知识结构。由于环境条件的影响，理论与实践还是有一定的差距，这也要求我们在实践中注意检验的积累。 参考文献 [1] 王海韬. 城市路灯远程监控系统的研究. 电子工程师. 2001,6 [2] 王振宇. 监控与数据采集系统在城市路灯管理中的应用. 电子工程师. 2002.9 [3] 宋筠毅. GPRS通信在路灯系统中的研究及应用. 南京理工大学. 2004.5 [4] 王刚. 路灯远程监控系统结构及关键技术探讨研究. 南京理工大学. 2004.5 [5] 郭寰. SCADA技术在供水调度中的应用. 给水排水杂志. 2001.4 [6] 李国辉. 基于GPRS技术的路灯监控系统的设计. 内蒙古工业大学. 2005.5 [7] 张洪润. 单片机应用设计200例（上册）. 北京航空航天大学出版社. 2006.7 [8] 曹达仲等. 移动通信原理、系统及技术. 清华大学出版社. 2004.3

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