四川理工学院基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计
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四川理工学院基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计,毕业设计论文
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四 川 理 工 学 院 毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 系： 电子与信息工程系 专业： 电子 信息工程 班级 ： 2003 级 3 班 学号： 030220319 学生： 杨洪坤 指导教师： 周波 接受任务时间 2007-1-8 教研室主任 （签名） 系主任 （签名） 1毕业设计（论 文）的主要内容及基本要求 本文主要 要求以 单片机作为控制器 ，利用 低压 电力 线作为信号传输的载体，构成一温度控制 系统 的硬件部分 。 该系统具有 以下功能： 1.将现场的温度通过电力线传输到工作室 2.在工作室能够显示现场的温度。 3.当现场的温度超过设定值时，控制室能够实现报警。 4.能够实现现场温度的上升与下降。 2指定查阅的主要参考文献及说明 1毛敏，张为民等 .MCS-51 系列单片机系统及其应用（第 2 版） M.北京：高等教育出版社， 2005， 7 2黄海燕 .低压电力线网络通信技术研究 C. 武汉 ： 武汉大 学学位论文， 2004,10:1-10. 3Masaaki. Introduction to robust, reliable, and High-Speed Power-Line Communication SystemsJ. Communications and Computer Sciences. 2001,1 4 胡烨等 .Protel99SE 电路设计与仿镇教程 M.北京： 机械工业出版社， 2005， 4 5 邬春明 .王艳茹 .基于低压电力线载波技术的病房呼叫系统 J.北京： 电子技术 应用，2005， 9 6 李文辉，基于载波技术客车空调控制装置 J.辽宁： 大连铁道学院学报， 2004， 9 3进度安排 设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期 1 收集资料，整理资料 2007.1. 8-2007.1.20 2 提交方案，写开题报告 、文献综述 2007.3.19 2007.3.26 3 系统的设计 2007.3.27 2007.5.15 4 论文写作 2007.5.16 2007.6.10 5 准备答辩 2007.6.10 2007.6.14 注：本表在学生接受任务 时下达 nts附件 2：四川理工学院毕业设计（论文）开题报告 四川理工学院毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）名称 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 设计（论文）类型 B 指导教师 周波 学生 姓名 杨洪坤 学号 030220319 系、专业、班级 电信系电子 03 级 3班 一、选题依据：（简述研究现状或生产需求情况，说明该设计（论文）目的意义。） 现状： 近年来，随着通信技术的发展，人们在电力 载波（ PLC）通信方面做了大量的研究工作。 其中国外的技术发展较早，生产出了专用的载波芯片，尤其是德国在这方面尤为突出 ，她 也是迄今为止世界上唯一允许电力线通讯进入商业化运行的国家。 电力载波在我国应用起步较早，但与欧美相比，仍然处于初级阶段 。 从相关产品开发来看，尚缺乏独立设计开发的电力载波芯片。 目的及意义： 电力供电网络四通八达，低压电力线连接千家万户，构成最普及的网络，利用它进行数据通信，传输各种信息，不占用无线频道资源，也无需铺设专用通讯线路，省工，省钱，维护简单，有着广阔的应用前景。 传统的温度控制系统普遍采用专门铺设线路，不仅布线安装繁琐、维护不便、利用率低 , 而且实时性差。 虽然无线式温度系统没有布线问题，但它的可靠性差 ，而且无线采集温度控制系统的成本太高 。 因而 可以 设计一种 利用 低压 电力 线作为载波 传输信号， 具有自动控制功能的 温度控制系统是非常有价值的。 二、设计（论文研究）思路及工作方法 本文 的设计思路是 ： 现场的 温度传感器采集到的 温度 数据 传输给 A/D 转换模块，转换 后的数据输入到单片机中，单片机经过处理将数据通过电力载波模块和耦 合电路再 把信号 耦合 到电力线上，传输到工作室，在工作室是相反的过程，把电力线上的信号通过 耦合 电路和信号载波模块接收 后， 再 传到单片机，单片机经过处理， 使 LED 数码管 显示出 当前 现场的温度。当现场的温度 超出 人们的 设定 时， 工作室 单片机 自动 发出指令，使指令信号经过一系列变化， 传输 到现场 ， 控制现场的电机 ，使 之达到开、关的目的 ， 进而 达到升降温 的目的。 三、设计（论文研究）任务完成的阶段内容及时间安排。 2007.1. 8-2007.1.20 收集资料，整理资料 2007.3.19 2007.3.26 提交方案，写开题报告 、文献综述 2007.3.27 2007.5.15 系统的设计 2007.5.16 2007.6.10 论文写作 2007.6.10 2007.6.14 准备答辩 指 导 教师意见 指导教师签字： 年 月 日 教 研 室毕 业 设计 （ 论文）工作组 审 核意见 难度 分量 综合训练程度 教研室主任： 年 月 日 设计（论文）类型： A 理论研究； B 应用研究； C 软件设计； D-其它等。 nts 1 文献综述 （电子 信息工程 杨洪坤 030220319） 1 本课题研究的目的和意义 电力线载波（ Power Line Carrier -电力载波 ）通信是利用 电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。 近年来，随着通信技术的发展 , 人们在电力线载波通信方面作了大量的研究工作。 电力供电网络四通八达，低压电力线连接千家万户，构成最普及的网络，利用它进行数据通信，传递各种信息， 省工、省钱、维护简单、有着广阔的应用前景 7。 电力线载波可以用于多种用途，如温度控制，远程报警，远程抄表等。本 文就是设计的基于电力线载波的温度控制器。传统的温度控制器系统普遍采用 专门铺设 线 路 ，不仅布线安装繁琐、维护不便、利用率低 , 而且实时性差。 虽然无线式温度系统没有布线问题，但它的可靠性差，而且无线采集温度控制系统的成本太高 。 基于以上分析可知： 利用 低压电力线作为传输媒质 , 单片机控制等技术实现温度控制 已成为可能。 本文运用电力线载波技术设计了电力线载波的温度器控制系统。 2 电力线网络通信技术的应用状况 2.1 国外的应用现状 在国外 许多国家的研究机构开展了电力线通讯技术的研究和开发，其中德国RWE 公司的研究颇 引人注目。德国 RWE 电力线通信公司从 1997 年开始与瑞士ASCOM 公司合作开发电力线通讯产品， 2000 年 5 月开始进行 200 户的现场试验。2000 年 11 月起在德国埃森 RWE Plug 公司总部大厅开放电力线通讯演示样板间。2001 春季推出了 RWE PowerNet(电力线通讯上网 )、 RWE PowerSchool(电力线通讯学校联网 )和 RWE eHome(智能家庭自动化 )三项业务及相应产品。从而使 RWE公司成为世界上首家宣布实现电力线通讯接入系统商业化运营的企业 4。 RWE公司的电力线通讯接入系统提供的数据服 务是上行、下行对称的，最大为 2Mbps，nts 2 为多用户共享带宽 ； 德国电信的 ADSL 提供的是不对称服务，下行为 768Kbps，上行为 128 Kbps，为每个用户专用带宽。从最高接入速率上看， RWE 的电力线通讯系统下行接入速率比 ADSL 快 3 倍，上行速率快 15 倍。和 ISDN 相比，电力线通讯的接入速率快 70 倍。 2002 年 RWE 计划推出 IP 电话业务，并深入研究开展视频会议、视频点播、网上电视和网上广播等业务 5。 2.2 国内的发展状况 电力载波 在我国应用起步较早，但与欧美相比，仍然处于初级阶段。从相关产品开发来看，尚缺 乏独立设计开发的 电力载波 芯片。但国内科研机构和厂商已开始重视这方面的研发。国家电力公司国电通信中心于 2001 年初即成立了电力线通信推广办公室来统一管理，试验和推广 电力载波 技术的应用。为了测试 电力载波 技术在中国低压配电网上是否适用，中国 电力载波 办公室于 2001 年 9 月在国家电力公司宿舍区建立了 电力载波 实验室，组织国内外近十家 电力载波 厂商的产品，分别进行 电力载波 网络设备的本地化测试。试验网络运行稳定，家电的使用对上网基本没有影响，可以流畅的进行数据传输。 3 低压电力线载波通信面临的主要问题 3.1 电力载波 的技术 瓶颈 目前使用的 电力载波 组网产品， 其 信号的传输距离还有一定的限制，且信号有较大的衰减，在较长距离传输时需要采用中继设备，这样会增加系统建设的成本及网络建设的周期。因此，研究增加信号的传输距离成为技术突破的一个难点。尽管国内跟踪 电力载波 技术已有几年的基础，也大量生产出国际领先水平的电力载波 产品，但国内厂商的 电力载波 设备多是采用国外芯片，对 电力载波 芯片的研究水平仍有待提高。只有掌握 电力载波 产品的核心技术，才能够根据国内电网的自身特点以及特定需求，研发出符合国内实际情况的 电力载波 产品。 3.2 信道干扰 目前，国 内电力线通信的研发和应用与国外还有一定距离，主要的原因是国内电网与国外的情况有很大不同，从国外引进的电力线通信芯片不能完全适应国nts 3 内的实际情况 。其中主要 面临 以下 几个问题 123。 （ 1）高噪声。包括背景噪声、周期性噪声、以及突发性噪声。背景噪声即电力线上的白噪声，分布在整个通信频带，其幅值一般服从高斯分布。周期噪声主要来自于电力线上的开关设备，其噪声峰值可达 4V。突发性噪声由设备随机接入或断开、以及电火花干扰等引起。 （ 2）阻抗变化范围大。一般配电网电力线的波阻抗在几十欧到 100 多欧。由于线 路上感性负载或容性负载随机地接入，会引线路阻抗的大范围变化，且由于阻抗匹配失衡会产生反射波和注波。 （ 3）损耗大。线路上的串联电感和并联电容造成的分压衰减；不同的相位耦合会造成较大幅度的衰减；信号经过配电盘电源的交会处也会引起损耗。 （ 4） 因在高电磁环境下运行 ,受到各种外部干扰比较大 ,使所传信号质量较差 ,误码率较高。 4 电力线通信前景及展望 21 世纪是 数字化时代，相信随着 电力载波 技术的发展， 电力载波 技术 对于推进我国数字化进程必将产生积极的作用。同时， 电力载波 技术在远程抄表、配网自动化、营销自动化 等方面的广 泛应用，将为实现我国的电网配售自动化、建设电力信息化平台，提供一个良好的网络基础和解决方案。相信随着 电力载波 技术标准的制定， 电力载波 产业链的形成， 电力载波 事业必将走向健康有序的发展道路 。 5总结 ： 我们可以看出 随着通信技术的发展，电力载波的应用也越来越广泛。 但是它所存在的问题也越来越多的被人们发现。首先就是它的抗干扰能力差，尤其是在一些复杂的场合，它的缺陷就暴露无疑；其次是电力载波的误码率，当传输速度过快时，它的误码率也就随着增加。最后，由于我国的电力载波起步比国外晚，在一些专用芯片上，还没有生产出适合我国 国情的芯片，所以我 国电力载波技术发展 得 有些慢。 nts 4 虽然电力载波存在这样的问题，但是在特定的条件下它的应用前景以及空间，还是足以满足许许多多的场合，因此国内外对它的研究一直没有放弃， 我们相信 随着通信技术的发展，以及电子微电子技术的发展，电力载波一定有着广阔的应用空间。 nts 5 参考文献： 1谢飞，熊立翔，杨士中 .低压电力网载波通信信号衰减特性的研究 J.电力技术应用， 2000, 24(1): 36-37 2张明新，马宏锋 .低压电力线载波通信中信号传输特性的研究 J.测控技术，2001,(10): 18-19 3张明新，马宏锋，张英辉，李庆军 .低压电力线载波通信中信号传输特性的研 究 J. 测控技术， 2001,(10):19-21 4高宇 .低压电力线载波通信系统及抗干扰问题的研究 C.广东工业大学学位论文， 2004, 5:1-4. 5黄海燕 .低压电力线网络通信技术研究 C. 武汉大学学位论文， 2004,10:1-10. 6张小伍，涂荣疆 .新一代高速电力线载波通信技术 J.电力系统自动化 ,2000, (2):15-16 7张士文，韩正之 .低压电力线通信技术综述 J.华北电力 技术， 2001,(1):10-12 8Sargeant,et al. Power line communication system J,On United States Patent 5,491， 463, 2000. 9黄海燕 .低压电力线网络通信技术研究 C. 武汉大学学位论文， 2004,10:1-10. 10Masaaki. Introduction to robust, reliable, and High-Speed Power-Line Communication SystemsJ. Communications and Computer Sciences. 2001,12 11 S.Soclof.Design and Application of Analog Integrated CircuitM. Prentice Hall.1992 nts 四 川 理 工 学 院 毕 业 设 计（论 文）说 明 书 题 目： 基于电力载波技术的温度 控制 系统硬件设计 系 别： 电子与信息工程系 专业班级： 电子信息工程 2003 级 3 班 学生姓名： 杨 洪 坤 指导教师： 周 波 教 研 室： 电子信息工程 教 研 室 提交时间： 2007 年 6 月 11 日 ntsnts四川理工学院本科毕业（设计）论文 I 摘 要 本 文 主要设计的 是 以 ATMEL 公司的 单片机 AT89S52 作为控制器 ，利用 低压电力 载波 芯片 KQ-100F 传输 数据的 温度 控制 系统 的硬件部分 。 该系统 具有 实现远程（距离大于 1000 米） 的温度采集、显示以及控制现场的温度上升与下降的能力 ， 特点是 控制灵活、适用范围广。 关键词 ： 电力线载波 ， 单片机 ， KQ-100F， 温度传感器 nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 II ABSTRACT This article mainly describes the hardware of the temperature controlled system which uses AT89S52 as controller and the low pressure electric power carrier wave chip KQ-100F to transfer data. It is convenient to collect and display of the temperature in the distance (longer than 1000 meters). The system has the ability to control the temperatures rising and dropping of the spot. It is easy to control. The applicable scope is broad. Keywords: Electric power carrier wave； MCU； KQ-100F； Temperature sensor nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 1 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1章 引言 . 1 1.1课题的目的和意义 . 1 1.2 电力线网络通信技术的应用状况 . 1 1.2.1 国外的应用现状 . 1 1.2.2 国内的发展状况 . 2 1.2.3电力线通信前景及展望 . 2 第 2章 方案设计与论证 . 4 2.1 系统方框图 . 4 2.2方案设计 . 5 2.2.1数据采集 . 5 2.2.2 继电器 . 7 2.2.3 显示电路 . 8 2.2.4 报警电路 . 10 2.2.5载波耦合电路 . 10 第 3 章 硬件设计 . 13 3.1从机硬件设计 . 13 3.1.1AT89S52 单片机简介 . 13 3.1.2单片机的通信技术 . 15 3.1.3DS18B20 的结构 . 16 3.1.4继电器电路的设计 . 20 3.1.5从机原理图 . 21 3.2主机系统 . 23 3.2.1显示部分原理图 . 24 3.2.2报警电路 . 25 3.2.3载波耦合电路 . 26 3.2.4主机原理图 . 28 第 4章 系统软件设计 . 30 4.1从机系统软件设计流程 . 30 4.2主机系统软件设计流程 . 32 第 5章 调试 . 35 结 论 . 40 致 谢 . 41 参考文献： . 42 附录 1现场从机硬件原理图 . 43 附录 2主机硬件原理图 . 44 附录 3总机实物图 . 45 ntsnts四川理工学院本科毕业（设计）论文 1 第 1 章 引言 1.1 课题的目的和意义 电力 载波（ Power Line Carrier -PLC）通信是 指 利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。 近年来，随着通信技术的发展 , 人们在电力线载波通信方面作了大量的研究工作。 电力供电网络四通八达，低压电力线连接千家万户，构成最普及的网络，利用它进行数据通信，传递各种信息，不占用无线频道资源，亦无需铺设专用通讯线路 , 省工、省钱、维护简单、有着广阔的应用前景 。 电力线载波可以用于多种用途 ，如温度控制，远程报警，远程抄 表等。本文就是设计的基于电力线载波的 温度控制 。传统的温度控制 系统普遍采用专门铺设线路，不仅布线安装繁琐、维护不便、利用率低 , 而且实时性差。 虽然无线式温度系统没有布线问题，但它的可靠性差，而且无线采集温度控制系统的成本太高 。 基于以上分析可知： 随着电力载波技术的发展，应用低压电力线作为传输媒质 , 单片机控制等技术实现 温度控制 已成为可能。 本文运用电力线载波技术设计了电力线载波的温度器控制系统。 1.2 电力线网络通信技术的应用状况 1.2.1 国外的应用现状 英国 NORWEB 通 信公司在 1990 年就开始研究电力线通讯技术， 1996 年 9月在 CIGRE 大会期间向各国代表展示了技术原理和演示产品，传输速率达到1Mbps，但仅进行了小规模现场试验。 1998 年，美国 lntelogis 公司推出了 passport商业化电力线通讯产品，用于户内联网，最高速率为 350kbps。但亦未能大规模商用。到 2001 年初，专用调制解调芯片制造技术的进展明显加速，美国 lntellon公司用于户内联网的 14Mbps 芯片达到实用水平。随之，许多国家的研究机构开展了电力线通讯技术的研究和开发，其中德国 RWE 公司的研究 颇引人注目4。 nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 2 德国 RWE 电力线通信公司从 1997 年开始与瑞士 ASCOM 公司合作开发电力线通讯产品， 2000 年 5 月开始进行 200 户的现场试验。 2000 年 11 月起在德国埃森 RWE Plug 公司总部大厅开放电力线通讯演示样板间。 2001 春季推出了RWE PowerNet(电力线通讯上网 )、 RWE PowerSchool(电力线通讯学校联网 )和RWE eHome(智能家庭自动化 )三项业务及相应产品。从而使 RWE 公司成为世界上首家宣布实现电力线通讯接入系统商业化运营的企业，同时德国也是迄今为止世界上唯一允许电力 线通讯进入商业化运行的国家。 RWE 公司的电力线通讯接入系统提供的数据服务是上行、下行对称的，最大为 2Mbps，为多用户共享带宽；德国电信的 ADSL 提供的是不对称服务，下行为 768Kbps，上行为 128 Kbps，为每个用户专用带宽。从最高接入速率上看， RWE 的电力线通讯系统下行接入速率比 ADSL 快 3 倍，上行速率快 15 倍。和 ISDN 相比，电力线通讯的接入速率快 70 倍。 2002 年 RWE 计划推出 IP 电话业务，并深入研究开展视频会议、视频点播、网上电视和网上广播等业务。 目前最新的由西班牙 DS2公司开发研制的电力线 调制解调芯片的传输速率已经达到了 45Mbit/s 1.2.2 国内的发展状况 电力载波 在我国应用起步较早，但与欧美相比，仍然处于初级阶段。从相关产品开发来看，尚缺乏独立设计开发的 电力载波 芯片。但国内科研机构和厂商已开始重视这方面的研发。国家电力公司国电通信中心于 2001 年初即成立了电力线通信推广办公室来统一管理，试验和推广 电力载波 技术的应用。为了测试 电力载波 技术在中国低压配电网上是否适用，中国 电力载波 办公室于 2001 年9 月在国家电力公司宿舍区建立了 电力载波 实验室，组织国内外近十家 电力载波 厂商的产品，分别进行 电力载波 网络设备的本地化测试。试验网络运行稳定，家电的使用对上网基本没有影响，可以流畅的进行数据传输 5。 1.2.3 电力线通信前景及展望 21 世纪是国际互联网规模和速度发展最快的年代，其用户增长数量每年都在以指数形式增长，从最初的高科技数据网络发展成为人们工作、学习、生活nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 3 中必不可少的桌面工具。据有关市场研究公司预测，在 2007 年之前中国的宽带用户数量将达到 5450 万户，面对如此巨大的宽带用户市场， 电力载波 的发展拉动了网络向千家万户的覆盖 11。 电力载波 技术施工方便、使用灵活，能够利用已有的电力网这一广 泛的基础设施把宽带网络接入到每个家庭，省去在接入方式上的重复建设，对于推进我国数字化进程必将产生积极的作用。同时， 电力载波 技术在远程抄表、配网自动化、营销自动化 等方面的广泛应用，将为实现我国的电网配售自动化、建设电力信息化平台，提供一个良好的网络基础和解决方案。然而，由于 电力载波 技术的传输速度和传输距离有一定限制，它的主要用途不是核心主干网络，而是通信网的外围和末端。发展 电力载波 技术的目的，不是取代光纤通信接入以及 ADSL 等其它宽带接入技术，而是作为以上技术的互补，在特定应用场合发挥各自的长处，为国家信息化 建设节省投资，给广大网民带来利益。 电力载波 在末端用户接入，即从楼内总配电室到每个家庭及入户后采用任意电源插座即能实现连接等功能，具有明显的优势。为此，末端接入的优势必将给已经有宽带网络运营基础的电信运营商和宽带接入服务商提供了增加用户接入率的商机。此外，低压宽带 电力载波 技术也日益得到国内外科研机构的重视，国家电网公司已经立项，研究利用低压电缆作为高速数据传输链路，既可以解决电力系统配网自动化通道问题，又为广大农村用户及西部地区提供一个节省投资的通信传输方式。相信随着 电力载波 技术标准的制定，电力载波 产业链的形 成， 电力载波 事业必将走向健康有序的发展道路 12。 nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 4 第 2 章 方案设计 与论证 2.1 系统方框图 温度器控制系统是由现场 从机 与工作 室 主机 两个部分组成。具体说是由数据采集部分、单片机部分、调制解调载波 与 耦合 模块、显示部分、报警与控制部分组成 6。 此次设计要求实现 以下功能： 1将现场的温度通过电力线传输到工作室 2 在工作室能够显示现场的温度 3. 当温度超过设定 温度时 ， 工作室能够实现报警 4现场的温度 能够实现上升与下降 根据这个要求可以画出 从机 （ 现场单片机 ） 与 主机 （控制单片机） 的方框图 。 从机 部分： 图 2-1 从机 框图 从机 的工作工程：现场有一温度传感器，它采集现场的温度，然后 把此温度通过 A/D 转换器转换成数字信号，传输给 单片机，单片机在把信号通过 耦合芯片 （ KQ-100F） 传输到 220V（ AC）上。现场的压缩机和电炉 是受继电器控制的，而继电器的 控制 信号来自于 主机 工作室，它们可以实现 电机的开 、 关从数据采集 A/D 转换 8051单片机继电器 压缩机 电炉 继电器 载波耦 合 220V（ AC） nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 5 而可以控制 温度的上升与下降。 主机 部分： 图 2-2 主机 框图 主机 的工作过程： 耦合 载波芯片把 220V（ AC） 线 上的信号 耦合 下来，传输到单片机，单片机经过分析、判断和比较后，在 数码管 上实时 显示当前现场的温度，当当前的温度超过要求时，报警电路会 发出声光报警，同时控制部分会发送反馈信号， 再 通过单片机，载波 耦合 芯片等一系列变化后，控制现场的温度实现温度的升与降 7。 2.2 方案设计 2.2.1 数据采集 信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微 处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。 本设计可以采用的传感器也有很多 ，如 AD590传感器， DS18B20数字传感器等。 1. AD590 AD590是常用的 T/I变换器，它是 AD公司利用 PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器， AD590具有测量精度高，线性良好，互换性强 的报警电路 LED 显示 控制部分 耦合载波 8051单片机220V（ AC） nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 6 特性，当电源电压在 515V之间变 化时，其输出电流的变化 小于 1 A。可以广泛的应用于各种冰箱，空调器，仓库，冷库等各种需要进行温度测量和控制的领域。 AD590的特性： 宽的工作电压范围： 430V 宽的测温范围： -55+150 线性 电流输出： 1 A/K 最大正向电压： +44V 最大反向电压： -20V 2. DS18B201 DS18B20是美国 DALLAS半导体公司生产的可组网数字温度传感器，在内部使用板专利技术，全部传感器元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，其特性如下： 独特的单线接口方式， DS18B20在与微处理器连接时，仅需要一条总线 即可实现 DS18B20与微处理器的通信。 支持多点组网功能，多个 DS18B20（一般为 8个）可以并联在唯一的 3根线上，实现多点测温。 在使用中不需要任何外围元件。 测温范围 -55 +125 ,固有测温分辨率为 20.625。 测温结果以 912位数字量方式串行传输。 通过上述的描述，本设计 选择了 DS18B20，因为它的输出结果是数字量，这样就可以不用 A/D转换，减少了成本，使电路结构看起来清晰 。而 AD590的输出是模拟量则需要在加 A/D转换，二者都能够实现本次 设计的要求 ， 但是 AD590增加了成本。 nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 7 2.2.2 继电器 继电器的工作原理和特性： 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 继电器的种类很多 ， 本设计 采用的是电磁继电器。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与 静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧 的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放 。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。 继电器的选用 1.先了解必要的条件 控制电路的电源电压，能提供的最大电流； 被控制电路中的电压和电流； 被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 2.查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找 出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。 3.注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。 nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 8 在同时满足上述的 3 个选用条件的情况下，我选择了 SHS-4100（ SHS-5VDC-S-C） 继电器。 SHS-4100（ SHS-5VDC-S-C） 继电器的相关参数如下： 触点形式： 1c （一常开，一常闭） 触点负载（阻性）： 3A: 120VAC/24VDC 1A: 240VAC/24VDC 线圈电压 (v)： DC5V 线圈功率： 0.2(w) 吸合电压 (额定电压 )： 75% 释放电压 (额定电压 )： 10% 触点接触电阻 (m) ： 50 2.2.3 显示电路 由于本设计只是显示温度数据，可以采用 LCD液晶屏显示，也可以采用 LED八段数码管显示，由于 LCD 液晶屏的造价比较 高 ，而 LED 八段数码管的价钱便宜，所以我采用 LED 八段数码管来显示 。 数码管 显示器的接口方式有两种 2： 1.硬件译码方式 如图 2-3所示，硬件译码方式采用 BCD 译码器 /驱动器（如 4511， 7448等），通过译码把一位 BCD 码数翻译为相应的字形代码，然后由驱动器提供足够的功率去驱动发光二极管。 nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 9 图 2-3硬件译码电路 硬件译码电路一般都具有直接驱动 数码管 的能力，且占用单片机系统接口资源少，编程简单，因此采用硬件译码方式的开支不大，其缺点是显示的字型有限，只能显示 09 十个字符，个别的译码器可以输出其他特殊字符。 2.软件译码电路 软件译码方式由软件完成硬件译码器的功能，该方 式显示字型较多，可由用户自己编辑决定，其缺点是占用单片机系统接口资源较多（字型口需要 8 个口线），且一般要配置驱动器（如 7406， 7407， 74273等），编程复杂。 荐于这两种方式的优缺点，本设计 采用了硬件译码的方式。 数码管 显示的显示方式： 1.静态显示方式 所谓静态显示方式，就是在任意时刻，所有显示器都按照各自接收的字型码同时显示对应的字符，静态显示方式要求每位 数码管 显示器的公共端必须接地（对共阴极 数码管 ），或接高电平（对共阳极 数码管 ），而每位 数码管 显示器都由一个具有锁存功能的 8位端口去控制。 2.动 态显示方式 动态扫描显示是单片机应用系统中最常用的显示方式之一。它是把所有显MCS-51 P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 7448 D b C c d B e F A g LED 数码管 a b c d e f g com nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 10 示器 的同名字端 相并联在一起，并把他们接到字型口上。为了防止各个显示器同时显示出相同的字符，每个显示器的公共端还要受另一组信号控制，既把 它们接到字位口上。这样，对于一组 数码管 数码显示器需要有两组信号控制：一组是字型口输出的字型码，用来控制显示什么样的字符：另一组是字位口输出的字位码，用于控制将字符显示在第几位显示器上。在这两组 信号的控制下，使各位显示器依次从左至右轮流点亮一次，过一段时间再 轮流点亮一次，如此不断重复。虽然在任一时刻只有 一位显示器被点亮，但由于显示器具有余辉效应，而人眼具有视觉惰性，所以 看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。由于本次设计的目的是实时 显示出现场的温度情况，要求同步性能较高，刷新速度较快，所以我采用了动态扫描的方式 。 2.2.4 报警电路 报警部分有两部分组成：一是 声音 报警部分 ， 二是发光报警部分。 声光报警主要起 提醒工作室人员 的作用，当现场的温度在正常范围时，不会发出声音，二极管的 GREEN 亮 ，表示显示正常；当现场的温度高于或者低于设定的温度时，喇叭会发出间断性的报警声音，同时二极管的 RED 灯会不断的闪烁 。用 于提醒工作室的人员，温度高于或者低于 了设定值 2。 2.2.5 载波 耦合 电路 电力线载波通信 的 工作原理简述： 电力线载波通信是利用现有的电力线路来传输信号的，将数据或语音调制在几十至几百 KHz 的载波频率上通过电力线发送出去，接收端将电力线上载有信号的载波接收下来进行解调还原出原来的语音或数据。通信的载体即现成的电力线，无需 像 有线通信一样重新铺设通信线路。也不 像 无线传输那样需要复杂的发送接收设备来传输信息。它无需架设额外的通信线路，因此很适合于小集团内部（一般在同一个电力变压器间）组成局域网络达到数据或语音的 传输目的 8。 作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力载波通讯技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注，成为世界各大公司及研究单位争相研究 的nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 11 热点。国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相 应的器件和产品，如： Intellon、 Thomson、 Atmel等等。而国内的许多的企业也紧随国际步伐在利用电力线传输信息，特别是在远程抄表系统方面已逐步形成应用研究的热点。 以下介绍 几款 电力线载波芯片： 1 XR2210/XR2206 套片或 LM1893 这是比较早的电力线载波芯片的应用。 XR2210/XR2206 是一组 FSK 方式调制 解调芯片，并不是专 门 针对电力线载波通讯而设计的，还可用于有线和无线通讯。 LM1893 modem 芯片， FSK 的调制解调方式，它是对一般 FSK 调制解调芯片的改进， 适合许多场合的载波通信系统，而且引脚少，控制相当简单。 2 ST7536 ST7536是 SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的 modem 芯片。由于它是专用 modem 芯片，所以除有一般 modem 芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛， 只是各公司应用水平不同。 3 SSCP300 SSCP300 是 Intellon 公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波 modem芯片。它采用了扩频（ Chirp 方式）调制解调技术、现代 DSP 技术、 CSMA 技术以及标准的 CEBus 协议，可以称为智能 modem 芯片，体现了 modem 芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的 ST7536。因为SSCP300是 Intellon 公司按北美地区频率标准、电网特性针对一家一户式独立住宅的家庭自动化而设计的，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻 近住宅。而国内电力线载波抄表领域主要要求通讯距离，所以针对中国现状， SSCP300难以胜任电力线载波抄表领域的要求。 4 PLT-22 PLT-22是 Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计，采用 BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，所以目前在我国应用效果最理想。但它是 Lonworks 网络专用，而且价格太高，难以在民用市场领域大规模nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 12 推广。 5 SC1128 SC1128是 北京智源利和公司采用扩频技术设计开发的 载波 芯片 ，是一款较新的主要基于 电力线载波抄表领域 的载波通信芯片，但 扩频通 信方式传输距离较近，只能使用单信道频段，系统成本高，很难实现双工数字通讯。 6 KQ-100F KQ-100F 是四川科强公司 采用 FSK 过零载波通讯方式，在数字信号处理技术上有独创性的高新技术成果应用，许多用户经过对比试验后都给予很高的评价。 根据用户反馈的信息和科强 公司的试验 ,过零点数据通信的成功率最高。在一个 10KV 变压器台区内 ,任何时候都可以 100成功通信。只是实际传输速率较低，只有 100BPS。 结合本系统的实际要求，需选一款价格便宜、电路简单、易于单片机控制且能满足系统的要求的芯片，比较上面几款芯 片， KQ-100F 最为适合，所以本系统选择此芯片作为核心 ， 设计载波电路。 nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 13 第 3 章 硬件设计 3.1 从机 硬件设计 在经过详细的分析论证、确定最终方案后。下面就来对整个系统的硬件部分进行设计。 3.1.1AT89S52 单片机简介 系统使用 ATMEL 公司的 AT89S52单片机为主控器件。该单片机 是一个低功耗，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 8kBytes 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。 图 3-1 AT89S52引脚 图 AT89S52具有如下特点： 40个引脚， 如图 3-1 所示， 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， 3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 3。 主要功能特性： 兼容 MCS-51 指令系统 32 个双向 I/O口 （ P0 P3） 3 个 16位可编程定时 /计数器 全双工 UART 串行中断口线 2 个外部中断源 nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 14 中断唤醒省电模式 看门狗（ WDT）电路 8k 可反复擦写 (1000次） ISP Flash ROM 4.5 -5.5V工作电压 时钟频率 0-33MHz 256x8bit 内部 RAM 低功耗空闲和省电模式 3 级加密位 软件设置空闲和省电功能 双数据寄存器指针 此单片机的 P0-P3 口的功能类似，本设计中主要应用了它的 P3 口。 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P3 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，此时可以作为输入口使用。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，如表 3-1 所示。在 flash编程和校验时， P3口也接收一些控制信号。本设计主要应用了 P3口的第二功能。 表 3-1 P3 口的第二功能 nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 15 引脚号 第二功能 P3.0 RXD（串行输入） P3.1 TXD（串行输出） P3.2 /INTO（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（定时器 0 外部输出） 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（外部数据存储器读选通） 3.1.2 单片机的通信技术 单片机的 通信 有两种，即串行和并行通信。并行 通信是指数据库的各位同时进行传送（发送或接收）的通信方式。其优点是传递速度快，缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。串行通信是指数据一位一位按顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需要一对传送线，这样大大降低了传送成本，特别适合用于远距离通信；其缺点是传送速度较慢。 8051有一个可编程的双工串行通信接口，它可作为通用异步接收和发送器UART，也可作为同步移位寄存器。其帧格式可有 8位， 10位， 11位，并能设置各种波特率。 8051通过引脚 RXD（ P3.0串行数据接收端）和引脚 TXD（ P3.1 串行数据发送端）与外界进行通信。 8051的串行数据缓冲器 SBUF在物理上有两个缓冲器，一个是发送缓冲寄存器，另一个是接收缓冲寄存器。在逻辑上只有一个，既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个单元地址 99H，用同一寄存器名 SBUF。发送 数据时，只需将发送数据输入 SBUF， CPU将自动启动和完成串行数据的发送 ； 接收时， CPU将自动把接收到的数据存入 SBUF，用户只需从 SBUF中读出接收数据 3。 nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 16 3.1.3 DS18B20 的结构 （ 1） DS18B20的引脚 ，封状 DS18B20有封装形式，有 TO-92封状和 8脚的 TSOC封状，如图 3-2（ a） 3-2（ b) 3-2 (a) 3-2 (b) 图中引脚 说明 ： GND：接地线 DQ ：数据输入 /输出线 VDD：外接供电电源输入端 NC ：为空引脚 DS18B20内部结构及工作原理 （ 2） 其内部结构如图 3-3所示 从图中可知， DS18 B20有 64位光刻 ROM， EEPROM（ TH， TH）的温度报警器，暂存器、 CRC检验 发生器等组成。图中 64位序列号是出厂前光刻好的，它可以看作 是 DS18B20的地址序列号，用于分挂同一总线 8个 DS18B20的目的；暂存器的分布表 3-2。其测温的工作原理如图 3-4所示。 nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 17 图 3-3 内部结构图 表 3-2 DS18B20内部寄存器分配表 寄存器内容 字节地址 温度低 8位数字 0 温度高 8位数字 1 高温限制 TH 2 低温限制 TL 3 保留 4 保留 5 计数剩余值 6 每度计数值 7 CRC效验码 8 图中低温度系数晶振的震荡频率受温度影响很小，用于产生固定频 率的脉冲信号送给计数器 1，高温度系数的晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器 2的脉冲输入。计数器 1和温度寄存器分别被预置每度计数值和在 -55时所对应的一个基数值。计数器 1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数减 1到 0时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1的预置将重新被装nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 18 入，计数器 1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。如此循环，直到计数器 2到 0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的值即 为所测的温度。图中斜率累加器用于 补偿和修正测温过程中的非线形，其输出用于修正计 数器 1的预置值 1。 图 3-4 测温 工作原理 （ 3） DS18B20与单片机的接口电路及编程 a.接口电路设计 DS18B20与单片机的接口电路可按不同要求设计，在传感器端可以外接电源的接口电路如图 3-5所示。 图 3-5 DS18B20与单片机的接口电路 b.编程 计数器 1 低温度系数晶振 预置 斜率累加器 比较 =0 预置 温度寄存器 高温度系数晶振 计数器 2 =0 加 1 停止 89S52 DS18B20 VCC VCC nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 19 指令代码介绍 通常单片机是以 DS18B20ROM命令和 DS18B20功能命令来控制 DS18B20工作的。表 3-3（ a）是 DS18B20ROM命令集，表 3-3(b)是 DS18B20功能命令集。 表 3-3（ a） DS18B20 ROM 命令集 指令 代码 功能 读 ROM 33H 读 DS18B20 ROM 中编码（即 64位地址） 符合 ROM 55H 发出此命令后，接着发出 64 位 ROM编码，访问“一线总线”，上读编码相对应的 DS18B20 器件做出响应，为下一步对该DS18B20的读 /写做准备 搜索 ROM F0H 用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数和识别 64 位 ROM地址，为操作各期间做准备 跳过 ROM CCH 忽略 64位 ROM地址，直接向 DS18B20发温度变换命令，适用于单一 DS18B20工作 告警搜索命令 ECH 执行后只有温度越过设定值上限或下限时才做出响应 表 3-3（ b） DS18B20 ROM功能命令集 指令 代码 功能 温度转换 44H 启动 DS18B20进行温度转换，转换时间最长为 500ms，典型为200ms,结果存入内部 RAM中 读暂存器 BEH 读内部 RAM中字节内容 写暂存器 4EH 发出向内部 RAM的第 2， 3字节写上下限温度数据的命令，紧跟读命令后是传送 2个字节的数据 复制暂存器 48H 将 RAM中第 2， 3字节内容复制到 EEPROM中 恢复 EEPROM B8H 将 EEPROM中内容恢复到 RAM中第 2、 3字节中 读供电方式 B4H 读 DS18B20的供电方式，寄生供电时 DS18B20发送“ 0”，外接电源时发送“ 1” 编程 根据 DS18B20的通信协议， 从机 控制 DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤，每次读 /写之前都要对 DS18B20进行复位，复位成功后发送一条 ROM指令，最后发送 RAM命令，这样才能对 DS18B20进行预定的操作。复位要求 CPU将数nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 20 据线下拉 500 s，然后 释放， DS18B20收到信号后等待 1660 s左右后发出 60240 s的低脉冲，主 CPU收到此信号后复位成功，才对 DS18B20进行操作。 DS18B20与单片机的连接图 图 3-6 DS18B20与单片机的连接 3.1.4 继电 器电路的设计 本次设计中的电炉子的 额定电压 230V 交流 10， 50/60HZ 下大约 1A 电流， 压缩机的额定电压是 220V 交流 10， 50/60HZ 下大约 1A 电流，经过分析选型，确定采用 SHS-4100（ SHS-5VDC-S-C） 继电器，因为它的电参数符合本次设计的要求。 nts四川理工学院本科毕业（设计）论文 21 继电器与 单片机 的连接如下 图 3 7所示 ： 图 3-7 继电器与单片机 当现场的温度过高时，反馈回来的信号控制 P1.7引脚，使之输出高电平，继电器开始工作，控制电机，使现场的温度降低。同理在单片机的引脚 P1.6也接一个继电器，用于控制现场的温度升高，其工作原理与 P1.7一致。在 实物中，因为没有压缩机，所以省去了继电器，而接上了 LED 发光二极管，用二极管的亮灭来表示电平的高与低。其原理与接继电器是一致的 7。 3.1.5 从机 原理图 现场的温度传感器 DS18B20，它采集现场的温度数据，然后把此温度数 据传输给单片机，单片机在把此信号通过耦合芯片（ KQ-100F）传输到 220V（ AC）上。现场的压缩机和电炉是受 现场 继电器控制的，而继电器的控制信号来自于控制室 ， 主机 的控制信号控制 从机 中的单片机 P1.6、 P1.7引脚，使它们输出高低电平，从而实现电机的开、关而达到控制温度的上升与下降的目的。 其原理图如 3-8所示。 nts杨洪坤： 基于电力载波技术的温度控制系统硬件设计 22 图 3-8 从机 原理图 123456A B C D654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:25-May-2007SheetofFile:D:分离形式的bysjbysj.DdbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10GND20VCC40U28051GND1DQ2VDD3U1DS18B20VCCAC8AC1GND2R/T3TX4RX5+5V6VAA7U3KQ-100FVCC+12VXTAL111.0592MC122pFC222pFGNDHotLED2220V（AC）220V（AC）VCCR34.7KC40.1uFR2300R14.7KVCCC50.1uFC310uFR4300CoodLED112345J15PINR/TTXR/TRXVCC12345J25PINRXTXR/TGND VCCVCCGNDnts四川理工学院本科
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