电力载波多点温度监控毕业设计

1、电力载波通讯是一种能准确、稳定地传输数据的通讯技术。本文设计了一套基于电力载波的远程温度监控系统，主要工作包括以下几点：(1)进行了电力载波终端硬件设计。硬件系统主要包括单片机最小系统、温度采集与处理模块、电力载波通讯模块、数码管显示模块、CP2102通讯模块等。(2)进行了电力载波终端软件设计。通过Keil C51开发工具对各模块程序进行了设计，实现了数据采集与处理、数据电力载波通讯、数码管显示、CP2102通讯等功能。(3)在Visual Basic环境下进行了远程温度监控系统上位机软件设计，上位机也单片机之间通信主要是通过串口通信。(4)电力载波的远程温度监控系统现场测试与运行。在实验室

2、对所设计系统进行了现场测试。系统终端能准确采集到远程温度监控系统环境数据，并能通过电力载波通讯方式传送数据到主节点，主节点能准确将数据上传到上位机，上位机监测软件能实现对远程温度监控系统环境的实时监测。测试表明该系统运行较稳定，能实现远程温度监控系统环境参数的载波通讯监测。关键字：电力载波通讯；远程温度监控系统监测；串口通讯AbstractPower line carrier communication is anaccurate, stabletransmission of datacommunication technology. This articlehasdesignedasetof

3、power line carrier-based remotetemperature monitoring system, themain tasksinclude the following: (1)power line carrierterminal hardwaredesign. Thehardwaresystem mainly consists ofthesmallest single-chipsystem, temperature acquisitionand processing module, power line carrier communication module, LE

4、D displaymodule, CP2102communicationsmodule. (2)Power Line CarrierTerminal Software. Keil C51development toolsforeachmodule programdesign,data acquisition and processing, datapower line carriercommunications,digital display, CP2102communicationsandotherfunctions. (3) IntheVisual Basicenvironmentremo

5、te temperaturemonitoring systemPC software design, the PC communicationbetween the microcontrollerthrough the serial portcommunication. (4) power line carrierremote temperaturemonitoring systemfield testrun. The system designedwith the field testin the laboratory. System terminalaccurate collectiono

6、f environmental datatotheremote temperaturemonitoring system, andthroughthepower line carriercommunicationto transmit datatothe master node, the master node can accuratelyupload the datato the host computer, the host computermonitoringsoftwareremote temperaturemonitoring systemenvironmentreal-time m

7、onitoring. Thetests show thatthesystem is runningmore stable,thecarrier communicationsmonitoringremote temperaturemonitoring systemof environmental parameters.Key words：Power line carrier communication;Remote temperature monitoring systemmonitoring;Serial communication目 录引言11 绪论32 系统设计框图33 系统硬件设计53.

8、1 电力载波终端硬件设计5系统模块设计5信号采集与处理系统设计6电力载波通讯系统设计8电力载波模块KQ130F的特性113.1.5 数码管显示123.2 上位机电路设计134 PCB板设计134.1 载波端控制模块PCB144.2 上位机端PCB设计145 软件设计155.1 电力载波的通讯协议规定175.2 远程温度监控系统18温度采集185.3 上位机设计195.4 VB界面设计216调试与总结246.1 调试246.2 总结25谢辞26参考文献27附录29引言近几年随着网络的发展，国内外对网络现场监测技术应用到远程监控系统内进行了大量的研究，基于网络的现场检测技术主要是通过互联网服务器可

9、以实时监测远程监控系统内的实时情况。我国现代化智能化的远程监控系统监测系统的研究相对国外起步较晚，在八十年代才出现了利用远程监控系统去实现对环境气候进行监测与控制，较国外晚十年，到了九十年代中期，计算机技术的快速发展也带动了我国远程温度监控系统监测技术的快速进步。近年来，远程温度监控系统在我国发展也是非常的迅速，尤其应用于农业的温室大棚，各地都陆续建立了农业远程温度监控系统示范工程，其中单片机技术、信息采集处理技术、无线通讯技术、自动化科学等相继被用于国内的远程温度监控系统中。但是与欧美等许多发达国家相比，我国的远程温度监控系统还是相对落后，存在设备简陋不够先进，技术落后，管理水平差，成本相对

10、较高等缺点，所以导致远程温度监控系统难以得到全面广泛的普及。远程温度监控系统环境监测系统主要分为三种。第一种是离散型的远程温度监控系统，离散型远程温度监控系统数据监测系统是分布式的系统，其包括以下四个组成部分:网络系统、现场控制、操作员站和工程师站。这四个部分是有由独立的计算机系统组成，主要负责数据的采集、控制、数据记录、监测报警、系统的管理等功能。离散型的远程温度监控系统方便且互不影响，但该系统的成本过高且没有组态的能力，不能满足完全智能化的要求。第二种是基于无线通讯的远程温度监控系统，GPRS远程温度监控系统主要由上位机、GPRS、数据采集单元及逻辑单元组成。GPRS将无线通讯技列。从数据

11、的采样、控制算法、数据处理都由单片机完成，单片机系统的拓扑结构为集中式控制。其优点是可全局控制，价格低廉，控制简单，但是该系统的布线复杂需要单独安装线路，可靠性差，安装成本高，自动化程度低。第三种是现场总线监测系统，现场总线是在智能化的测控设备之间实现双向的、数字式、多节点的串行通讯技术，也被称为全数字化、全开放式、分散多点通讯的现场底层监测网络，该系统的协议简单、实时性高并且容错能力强运行比较稳定等特点，也是目前国内外应用最多的远程温度监控系统，电力载波监测系统属于现场总线监测系统，只是其拥有更独特的特点，并且不需要单独走线。低压电力线载波通信技术是利用现有的电力线作为信号传输信道来实现一对

12、一、一对多或多对多的通信技术。在本设计中主要实现主从通信，它利用低压配电线（380/220V 用户线）作为信息传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。电力网作为电能输送的专用网络，是国家基础网络之一。其网络的建设质量、机械强度、安全经济技术指标等都是经过反复论证合理优化的。它的覆盖面之广、容量之大是任何网络都不能相比的。因此，电力网是一种优质的不可多得的资源。电力线载波技术在国内已经发展和应用多年，技术标准和管理规程已经相当的完备和成熟。随着电力线载波技术的不断发展，低压电力线载波技术也得到了飞速的发展。由于供电网络本身是一种方便、成本低，可靠性高的通讯介质

13、，利用载波通讯可使通讯成本降低、信号稳定、安装方便且容易实现。将电力载波应用于远程监控系统中已经有人提出，也将是未来远程监控系统监测通讯系统的最佳选择。电力载波通讯(Power Line Communication)技术简称为PLC技术，出现于20世纪20年代初期。它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通讯手段。应用电力线通讯方式发送数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带峰峰值电压一般不超过10V，因此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信

14、号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号完成通讯过程，它的应用范围主要是在一个变压器范围内进行数据的传输。目前，该技术主要应用于水、煤气、电表等的自动抄表系统，同时该技术也是局域网接入很有竞争力的一种接入技术。电力线无论在城市、乡村，还是偏远落后的地区到处都是，只要用电的地方就会有电力线存在，不用铺设额外的通讯线路而直接利用已有的电力线资源进行数据或话音信号的传输，将会大大降低通讯成本，并且电力线通讯有着它自身的一些得天独厚的优势。电力载波通讯技术的发展在历史上经历了从模拟到数字的发展过程。电力线载波通讯技术出现于本世纪二十年代初期，是以电力线路为传输通道，具有可靠性高、投资少、见效快、与电

15、网建设同步等得天独厚的优点。四十年代时在我国东北，已有日本生产的载波机在运行，作为长距离电力调度的通讯手段;五、六十年代，我国开始研制自己的ZDD-1型电力线载波机，但当时未能实现产品化，后来经过不断的改进，终于形成了具有中国特色的ZDD-5型电力线载波机，该设备为四用户、两级调幅、具有自动增益控制电路和音频转接接口，呼叫方式采用脉冲制式;在我国六十年代到七十年代时期，该机所代表的模拟制式电力线载波机得到了广泛应用，七十年代时期，我国模拟电力线载波技术已趋成熟，当时以ZDD-12, ZJ-5, ZBD-3机型为代表，在技术指标上得到了较大地提高，并成为我国应用时间最长的主流机型。我们可将在此之

16、前的载波机称为第一代载波机;八十年代中期，电力线载波技术开始了单片机和集成化的革命，产生了小型化、多功能的载波机，如S2载波机等。在这一阶段，主要的技术进步为单片机自动盘代替了三极管或布线逻辑的自动盘:集成电路的调制器、压扩器、滤波器和AGC放大器代替了笨重、多故障的模拟电路;CMOS, VMOS高频大功率管在功放电路中的应用等这一阶段的载波机可称之为第二代载波机;到了九十年代中期，以SNC-5电力线载波机为代表，在国内首次采用了DSP技术，将载波机音频至中频部分的信号处理，使用DSP器件来完成，实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益控制。这类载波机可称之为数字化电力线载波机，划为第三代。由此开

17、始电力线载波业界进入了载波机的数字化革命阶段Ukv线路通讯需求的增长，到了九十年代末，出现了多种载波通讯设备(这些设备可采用不同的线路混合方式，如电容耦合、变压器耦合、低压耦合、陶瓷电真空耦合及天线耦合等)，近几年，国内涌现出许多从事电力线载波技术研发的企业，如青岛东软、福星晓程、深圳瑞斯康、上海弥亚微等公司。其载波芯片在自动抄表系统、报警和安全监控系统、家居自动化系统等发面有广泛的应用。电力载波通讯技术发展的如此迅速，主要原因是其成本低廉，安装简单、易实现。基于电力载波的数据通讯特点，非常适合将电力载波通讯技术应用与远程温度监控系统的监测中，2009年开始将电力载波通讯技术应用与远程温度监控

18、系统的数据采集系统中，该系统主要包括通讯单片机系统电路、环境采集节点电路以及传感器测量电路，系统设计不够完善，采集一次数据时间相对较长，并没有实时显示和能存储数据的后台监测软件以及远程温度监控系统内能直接监测的实时数码显示模块。1绪论随着我国科技的不断发展，智能远程温度监控系统不仅为蔬菜、水果、花卉、林木等植物栽培或育苗带来很大的方便，提升了效率。而且为人们的生活带来诸多方便，大力发展现代化智能化远程温度监控系统对于农业、服务业发展有非常重要的意义，近年来，电力载波通讯技术得到飞速的发展，被广泛应用于工业生产和日常生活等各领域中。电力载波监测网络综合了传感器、信号与采集处理、电力载波通讯、微机

19、控制、嵌入式、电子信息、软件开发等技术，为监测领域提供了稳定精确地通讯技术。将电力载波通讯技术应用到远程温度监控系统数据监测中去，可以实时地有效地监测远程温度监控系统内的各种环境参数，为远程温度监控系统的管理和研究提供便利。通过传感器采集数据，经过数据处理后由电力载波进行通讯，最后由上位机实时、准确地监测远程温度监控系统温度的参数信号，对于分析和研究远程温度监控系统实时情况提供了依据。电力载波系统无需布线只需要各处都有的电力线即可完成通讯，具有灵活性好、安装方便等优势，可以成为监测系统发展方向。基于电力载波的远程温度监控系统，利用了电力网络本身的低成本、易于实现、通讯方便、简单易于建立等优点。

20、将电力载波通讯技术应用于农业上以及民众的生活中，具有更积极的现实意义和应用意义。2系统设计框图本设计的主要目的是设计一套基于电力载波的远程温度监控和检测系统，该系统能在采集到温度后自行进行数据处理，由发送模块将信号发送到电力线上，接收模块检测到电力线上的信号后将信号进行处理，最后将处理后的正确信号由串口传送到上位机中，由监测软件对数据进行保存与显示。从而达到对水温的监控和检测。系统的总体设计结构图如图2.l所示：电力载波模块主控PC机电力载波模块电力载波模块单片机控制系统温度采集传感器18b20加热器系统单片机控制系统温度采集传感器加热器系统市电220V数码管显示当前温度数码管显示当前温度图2

21、.1 系统总体设计框图本设计的主要研究内容包括电力载波终端硬件设计、电力载波上位机硬件设计、远程温度监控系统上位机软件设计等。(1)电力载波终端硬件设计。系统终端硬件模块设计需要使用单片机控制模块实现核心控制；信号采集与处理模块实现远程温度监控系统环境数据的采集和处理；电力载波通讯模块实现数据主从点的电力载波通讯功能；数码显示模块实现对实时温度数据显示；同时接收来自上位机的控制命令，对继电器进行控制，从而达到控制加热器，控制水温目的。根据系统设计需求，选择合适的单片机以及硬件模块，并进行合理的硬件接口设计。按照系统设计电路原理图，将各模块进行设计，使各个模块按照系统设计要求正常工作。 (2)电

22、力载波上位机硬件设计。系统的程序软件设计需要实现装置初始化，主循环程序，信号定时的采集与处理，载波发送和接收进程，CP2102通讯模块实现下位机与上位机通讯功能，采集信号的定时扫描显示，通道识别和标识符识别与处理等功能。 (3)远程温度监控系统上位机软件设计。远程温度监控系统上位机软件主要包括了接收串口上传的温度实时显示和保存数据、及向下位机发布控制命令等功能。3系统硬件设计按照设计内容的研究要求，设计系统方案。系统模块主要包括增强型单片机最小系统模块设计、信号采集与处理模块设计、数码管显示模块设计、电力载波通讯模块设计、CP2102通讯模块设计、继电气控制模块设计。考虑到成本、接口与稳定性，

23、系统采用AT89S51单片机做系统的处理器;以及温度传感器采用DS18B20数字传感器，它具有极高的可靠性和优越的长期稳定性，DS18B20是一款含有己校准数字信号输出的温度数字传感器，并拥有专用的温度传感技术和数字模块采集技术;数码管显示模块采用了四位一体共阳极数码管，电力载波通讯模块采用KQ130F芯片，它是一款高效率的功率放大芯片;CP2102通讯模块采用了CP2102作为串行通讯的收发控制器，该芯片具有性能稳定，抗干扰能力强等优点。电力载波终端硬件设计电力载波终端硬件设计包括了系统模块设计和PCB板设计与制作两部分。系统模块主要包括单片机最小系统模块设计、信号采集与处理模块设计、数码管

24、显示模块设计、电力载波通讯模块设计、稳压电源产生模块、CP2102通讯模块设计、继电器控制模块设计。电路板的设计主要经过对于整机结构以及成本的考虑在AD绘图软件上进行设计。3.1.1系统模块设计为了降低开发的难度，以及提高开发效率，整个系统采用模块化设计原理，让各部分功能模块之间尽量减少耦合度，这样更有利于后期开发的移植，为系统的升级和优化减轻了工作量。电子载波终端硬件系统主要由以下几部分组成：AT89S51单片机最小系统、信号采集与处理模块、数码管显示模块、电力载波通讯模块、CP2102通讯模块,控制电路等。硬件系统的工作原理是：载波从节点装置的单片机最小系统经信号采集与处理获得信号数据，将

25、数据进行均值滤波处理，然后控制显示模块显示数据有效值，同时载波收发电路将数据传送到装置主节点，装置主节点通过CP2102通讯上传到上位机。51内核单片机最小系统拥有控制功能和数据处理能力强、可靠性高、易扩展、功耗低、体积小、成本低等特点。单片机是具有数据处理能力的中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等集成到一块芯片上构成微型的具有高效智能的处理数据能力的计算机。单片机又称为“微控制器”。通过对单片机的性能、控制功能、价格等进行比较，以及对于载波通讯的了解，结合资源的需求，采用了普通51单片机。AT89S51是为载波通讯应用设计的一款低成本

26、SOC芯片，该芯片可以做监测系统装置的CPU，AT89S51单片机采用纯数字技术设计，AT89S51的最小系统主要包括了：11.0592M晶振；外部RAM， 载波通讯芯片RX/TX引脚匹配电路：以及系统运行指示灯；系统自动复位电路。晶振主要用的是直插式无源晶振，加2个30PF起振电容。如图3.1所示为单片机和电力载波模块的连接示意图。图3.1单片机最小系统图3信号采集与处理系统设计信号采集系统主要是温度采集。远程温度监控系统根据各个分站点上传的数字信号，可以准确地判断远程温度监控系统工作情况，为远程温度监控系统的温度控制和检测提供了可靠依据。因此，温度采集系统是设计的关键。该系统中温度的采集均

27、采用了数字传感器方式，提高了数据采集的稳定性和可靠性。其中温度采集部分采用DS18B20数字温度传感器，单片机通过单总线方式采集传感器的数字信号，然后经过算法处理实现数据信号的可靠显示。温度的采集主要是采用DS18B20温度传感器，它具有极高的可靠性和优越的长期稳定性，DS18B20是一款含有己校准数字信号输出的温度数字传感器，并拥有专用的温度传感技术和数字模块采集技术。温度传感器包括一个NTC测温元件，与单片机的P1.0进行连接进行数据的传送方式是单总线结构。传感器的单线制串行接口使系统的集成变得简易快捷。DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E

28、ERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节和的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分率。DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存RAM的第6、7、8

29、字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。 当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。 DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较。若TTH或

30、TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。 在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。 DS18B20的测温原理是这这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时

31、钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值

32、使用该款传感器检测信号的处理过程中会调用这些校准系数。从而保证了CPU采集到的温度信号值的可靠性和精确度。DS18B20的性能特点如下： 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件； 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V； 零待机功耗； 温度以9或12位数字； 用户可定义报警设置； 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；3电力载波通讯系统设计电力载波通讯部分是该系统设计的关键点和难点，该系统的电力载波通讯系统部分，主要包

33、括了电压隔离电路、接收电路，和载波发送电路三部分。其中电压隔离电路主要实现强电220V和弱电的12V的转换，以及装置外部和装置内部的电气隔离。接收电路主要实现信号接收和滤波作用，增加载波通讯的灵敏度，最大可以达到32dBuV。载波发送电路部分主要实现了载波信号的功率放大作用，也起到了信号耦合效果，其中主要用到的电源信号是装置提供的直流12V电源，调制方式有很多种，究竟选择哪一种调制方式是由载波信道的特性决定的。设计采用了一种常用的数字调制方式。常见的数字调制方式包括频移键控、振幅键控、相移键控，由于电力线上的信号时变衰减较大，所以我们不采用振幅键控；又因为相移键控涉及到相位检测，而且电力线上干

34、扰噪声多样，这使得相位检测出现一定的困难。所以，本设计采用频移键控数字调制方式产生已调信号。 频移键控数字调制方式包括二进制频移键控、最小频移键控、高斯滤波的最小频移键控。这几种调制方式各有其特点，二进制频移键控实现容易、转换速度快、波形好。最小频移键控消除了码元转换时刻的相位突变，从根本上解决了包络起伏问题，其频谱滚降得到了显著改善。高斯滤波的最小频移键控在抗干扰方面有显著的作用。虽然，最小频移键控和高斯滤波的最小频移键控有很多优点，但是，其实现困难。所以，本设计采用二进制频移键控的调制方式。2FSK（二进制频移键控）信号的产生通常有两种方式：频率选择法，载波调频法。本设计采用二进制频移键控

35、的调制方式，通信模块的硬件实现由载波耦合电路、载波信号发送端电路（信号功率放大电路和输出功率控制电路）、滤波接收单元（接收滤波电路和解调电路）。图3.2信号耦合电路在图3.2信号耦合中，电容C11滤除交流50Hz信号，采用隔离变压器T2使电力线回路和通信单元安全隔离，并由电容C11和隔离变压器的次级线圈电感L构成高通滤波器的功能。电容C11采用长寿命高性能的安规电容，因为安规电容存在寿命问题，随着使用时间的推移，容量会变得越来越小，若容量小于10nF将导致耦合电路失效。图3.3过零检测电路图3.3过零检测电路，图中:PHASE：火线 ZERO：零线 ZCHK：过零信号输出,连接的ZCP_DET

36、(14)引脚需要满足在220V市电条件下：上升沿零点（芯片引脚检测到由低转为高电平时刻）滞后实际市电的零点40050us； 下降沿零点（芯片引脚检测到由高转为低电平时刻）滞后实际市电的零点45050us。 图3.4功率控制部分在图3.4功率控制电路中,所起的作用是当15V电源电压被拉低到6.5V左右的时候控制其输出电流，保证15V电源电压不至于被拉低到太低而致使整个系统无法正常工作，其最突出的是可优点以很好的保证低电压试验能够通过。图3.5发送电路在图3.5发送电路中，TS5是一颗20V的肖特基稳压管，但在这里没有用到它的稳压特性，用到而是它的正向导通电压低的特点，来保护P沟道的MOS管，考虑

37、到产品的可靠性，推荐这颗稳压二极管选用1N5817或SS12，或具有更低正向导通电压的二极管。电阻R8/0.22k在这里起到保护载波芯片的作用，因为载波芯片采用的是MOSFET工艺，不推荐驱动容性负载，而这套放大电路的输入是容性的，所以在这里串联一颗0.22k的电阻来保护载波芯片； US6M2内部具有一颗P沟道的MOS管和一颗N沟道的MOS管，P沟道的耐流为1A，N沟道的耐流为1.5A，这就使整个载波电路的耐流为1A，所以供给这个放大电路的电源的功率不能太大，假如电源能提供的功率非常大，当外界的阻抗很小时，就会有很大的电流流过US6M2这颗器件，当超过它的额定值时，有可能会把US6M2烧掉，所

38、以推荐载波通信电路采用变压器供电。图3.6接收电路在接收电路中，如图3.6所示信号接收电路由信号耦合电路、带通滤波器BPF和模拟前端AFE三部分组成，其主要功能是对来自电力线上的扩频通信信号进行有效的接收和模拟解调。其中，信号接收电路的设计目标是提高频带内的信号接收功率（信号耦合电路设计的一部分，需要同发送部分统一设计。），并最大限度地抑制来自电力线上的噪声干扰，且使无源滤波网络的插入损耗最小。接受电路接收滤波电路的电感（1mH和100uH）要远离185kHz滤波电路的电感（33uH），一般要求不小于15mm，否则会造成接收性能的下降。解调电路由内部产生的频率为185kHz的方波信号，通常作为

39、通信系统模拟前端集成电路的本地振荡信号源。该信号的周期为5.4s，占空比为1:1，高电平为VCC，是一个标准的频率为185kHz的方波信号。使用它作为模拟前端集成电路的本地振荡信号源，使用一个外部带通滤波器（由电感L10和电容C28组成）来提取185kHz 基频信号，并抑制基频外的谐波分量。本振信号形成电路如图3.7所示： 图3.7本振信号形成电路3.电力载波模块KQ130F的特性KQ130F芯片是一款高效率的功率放大芯片。整个载波系统采用全数字的SOC技术，比起传统的模拟技术，该方案通讯可靠性更强，KQ-130F是单列9针小体积高性能过零载波数据收发模块。是专门为在220V交流上，强干扰，强

40、衰减，远距离要求的环境下，可靠的传送数据而特别设计和开发的性价比很高的载波模块。在停电以及没有电源的环境下（如管道与大地，一根信号线与大地，两根信号线，12V交直流电源线等），可靠的传送数据而特别设计和开发的性价比很高的载波模块。适用于工业控制，铁路，小区智能化，智能家居，楼宇控制以及需要载波传送数据的其它应用领域。KQ-130F的载波速率是100BPS，一、KQ-130系列模块的性能：1、集成了KQ-330模块及外围电路的载波板，毋需其他的耦合元件，直接连接220V的交流电使用。外型尺寸为533817毫米(LDH)，单列排针引出见图3.8所示，1、2脚接220V交流电源无方向（1脚,2脚间距

41、2X0。1英寸），2脚,3脚间距1。1英寸，其余各脚之间间距0。1英寸。2、工作频率120135KHZ，接口波特率9600bps。一个起始位，8个数据位，一个停止位3、温度范围：-25+70 湿度90%4、一帧连续发送长度 253个字节，字节长度从1到253由用户定义，模块不会发送多余的数据。5、接收灵敏度1mV6、带外抑制能力 60 dB 7、带宽10 KHZ8、绝缘电阻500V500M9、供电电源：DC +5V 接收时：12mA 发送时：300mA图3.9所示为KQ-130芯片正面图，正面从左至右分别为KQ-130芯片的19脚： 图3.8KQ130芯片结构图1PAC：220V交流电压的火线

42、（或零线）；2PAC：220V交流电压的零线（或火线）；3P+5V：+5V发送电源（260mA），如果单收数据可以悬空降低功耗；4PGND：数字电路地线；5P+5V：+5V工作电源11mA；6PRX：TTL电平，载波数据入，接单片机的TXD；7PTX：TTL电平，载波数据出，接单片机的RXD；8PMODE：模式选择，悬空或接5V为高电平，接地为低电平；9PNC/RST ：复位脚（低电平有效）；只有在工作时频繁切换模式时使用。毋需此功能，引脚应悬空。3.1.5数码管显示液晶显示和数码管显示是单片机中比较常用的输出显示方式，数码管显示模块结构简单、使用方便、价格低廉，但不能显示图形和汉字等信息。由

43、于本系统只需要显示远程温度监控系统信号测量的数值，而且考虑成本因素，所以选用了4位LED数码管作为显示。本装置使用的是共阳极数码管，。同时为了达到控制的位的控制，分别才用了四个PNP型的三极管进去驱动。如图3.9所以单片机与数码管连接示意图图3.9单片机与数码管连接示意图上位机电路设计上位机电路图主要是电源部分和电力载波部分组成，在电源部分中12V主要提供给调制载波用，5V供给载波模块内部的KQ-130使用。CP2102通讯模块和电路载波的TX，RX交叉连接，地对地连接，就可以实现连接了，如图3.10所示。图3.10上位机电路设计图4PCB板设计 如今原理图和PCB设计工具多种多样，从最原始的

44、CAD，到后来包括现在很多公司都还运用的设计工具Protel99到升级版的DXP，以及AD，虽然如今的PCB设计工具也原来越多，越来越强大，但是基本上所以的工具其大致的设计方法却还是相同的，也都是通过原理图图生成网络表，然后把网络表导入PCB，给印制板上的元器件引脚都赋予了电气连接特性。通过计算机辅助软件能够帮助我们更好、更快、更准确地完成电路设计、布线、制板、调试等操作，使开发难度大大降低，趋于标准化。本系统采用了AD绘图软件作为其主要的原理图和PCB设计工具，该软件功能强大，也是现在很多主流的大公司主要设计工具。AD具有原理图设计，以及功能仿真，PCB设计等功能。它适用于各种电路设计，因为

45、它的PCB设计可以自行设计各种走线约束，以本系统采用了AD绘图软件作为其主要的原理图和PCB设计工具，该软件功能强大，也是现在很多主流的大公司主要设计工具。AD具有原理图设计，以及功能仿真，PCB设计等功能。PCB板设计一般分三部进行：首先设计电路原理图，进行电气连接，分析电路原理看是否可行。其次，根据设计好的原理图生成网络表(NetList)，进行元件属性设置，确立元件的封装。最后，设计电路板尺寸、各孔径尺寸，自动或手工生成印制电路板，进行布线检查修改。经过对于整机结构以及成本的考虑，本系统需两块装置电路板，分别是载波端控制模块和上位机端的模块，两大电路板的设计。PCB在电力载波端监控模块中

46、，主要包括了以下几个部分单片机部分，包括信号采集电路，串口调试电路，看门狗电路，以及系统外围匹配电路等。该部分主要完成信号的采集和处理，以及作为通讯和显示控制的核心等作用。数码管显示部分，4位数码管显示，主要是用于显示装置采集的温度信号量，该部分除了购买的12W电源模块外，主要包括了载波的发送和接收电路。该部分主要是给装置提供两组5V，一组12V电源外，主要是用于载波信号的发送和接收。传感器接口板，该部分主要是用与远程温度监控系统继电器和温度传感器的安装。因为要准确测量远程温度监控系统的温度。传感器一定要置于装置以外与远程温度监控系统环境充分接触。主板PCB正面图所示。图电路载波控制端PCB图

47、在上位机电路板设计模块中，主要包括了一些外围的保护电路，以及一些串口电路和电路载波模块KQ-130的接口电路,CP2102通讯电路，。这个模块的电路相对简单，主要是对电力线上的数据进行接收和解析，然后传给计算机，让计算机对采集的温度进行处理。如图为上位机的PCB设计图。图上位机PCB的设计图5软件设计本系统的CPU为低压电力载波专用芯片AT89S51，该芯片采用的是增强型C51内核，该5l内核的执行速度是传统C5l单片机内核的3倍，且继承了以往单片机微处理器设计简单，可靠，成本低廉等特点，该系统的CPU支持在线编程和在线串口调试功能，这项优势不仅降低了传统单片机开发的难度，也舍去了购买编译器和

48、仿真器的成本，传统单片机在AT89S51面前就显得如此笨重。系统采用了普通的Keil作为软件开发工具，Keil是美国Keil Software公司出品的单片机软件开发系统。该软件支持C语言开发单片机程序，比汇编语言在结构、可读性、可维护性和易学性上有明显优势。软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。Keil C51工具要用到Windows下的uVision集成开发环境，通过该环境可以完成软件的编辑、编译、连接、调试与仿真等开发流程。通过该软件最后的编译链接生成hex或者bin可执行文件，然后用利用程序下载工具将可执行代码下载到单片机执行。由于C语言具有简洁紧凑、灵活方便、可移植性好

49、、数据处理能力强等优点，软件程序全部采用C语言编写，通过设计软件流程图，分析系统功能，在Keil C51开发环境下进行程序的编写，经调试无误后写入单片机系统中，实现信号的采集与处理、数据实时显示、数据的载波通讯的发送和接受等功能。软件设计的好坏直接影响系统功能的实现和后期稳定性。本系统采用标准模块化设计，根据实现的功能可将系统分为远程温度监控系统信号采集模块、数码管显示模块、载波发送和接收模块和CP2102通讯模块。根据每个模块的功能进行分期单独设计，经调试运行正常后接入系统中进行综合测试。这样不仅提高了工作效率，还减少了总体测试的出错率，不至于其中一个模块出错影响了其他模块的工作。信号采集模

50、块主要是实现温度的采集和处理过程；数码管显示模块主要是实现采集温度的显示；载波的发送和接收模块主要是负责远程温度监控系统采集信号的传输和处理过程；CP2102通讯模块用于实现装置与上位机通讯功能。该系统的主程序设计主要包括了装置初始化，进入主循环程序，信号定时的采集与处理，载波发送和接收进程，CP2102发送和接收进程，采集信号的定时扫描显示。系统的初始化主要完成以下的工作：(1)装置存储区初始化；(2)Flash初始化，包括Flash芯片引脚使能、串口初始化；（3）打开CP2102通讯串口，以及波特率和地址的初始化；载波主节点或者载波从节点初始化，包括从节点选择，载波速率和载波通讯地址的选择

51、。如图5.1为下位机程序流程图，开始时候系统初始化，然后温度传感器初始化和数码管的温度显示，然后等待串口中断，如果上位机发送A（B）中断，下位机A（B）点响应，同时向上位机发送A（B）路温度或者操作继电器。图5.2为上位机程序流程图，系统串口初始化，然后发送A路标识（温度或者继电器操作指令），然后等待下位机上传A路温度值，接收到温度值后校验是不是A路上传的温度，等待3秒后，对B路进行同样的操作。图5.1 下位机主程序流程图串口初始化通过检测发送A路标识等待A路温度发送B路标识等待B路通过检测 NYNY5.1电力载波的通讯协议规定在模块KQ-130中提供了两种工作模式，分别是透明工作方式（高电平

52、），还是自定义工作模式（低电平）。MODE高电平（悬空）时为透明工作模式，低电平（接地）时为自定义工作模式。在透明工作模式时：在编程时毋需对模块初始化，通讯时和普通RS-485方式类同。但是，由于电力线上负载比较多，电器所产生的谐波也就无法避免地耦合到电力线上，在KQ-130电力载波模块是高灵敏度的载波模块，在所有载波模块都处于接收状态时，电力线上就会全部被电器所产生的谐波所覆盖，这时，模块将解调出噪声数据从TX端输出。所以发送和接收数据应该引入同步码以区分真正的传送数据。在模块发送缓存器（253字节）满后不再接收新的数据。也就是一帧发送字节小于253个字节。用户的一帧数据请连续不间断的发送到

53、模块，如果停顿时间超过模块已发送完所有的数据时间（缓存器空，最后一个字节已完全发送），接收方的模块可能会插入噪声数据。如向RX端连续发送： 5A 5A 5A 34 56 78 12 45 67 在其他接收模块就可能输出FE FD EF 5A 5A 5A 34 56 78 12 45 67 85 DE EF.加黑的字节是在所有模块都没发送数据时，接收模块接收到的噪波数据。接收数据还是采用9600BPS异步方式，格式为1个起始位，8个数据位1个停止位格式，从TX送出，但是大约要每0.09秒左右发送一次。在自定义工作模式时也等同。在自定义工作模式时：用户按照我公司的定义传送数据，一帧传送数据定义如下

54、：第一个字节：要传送一帧的字节数0-250（不含第一个字节）。第二个字节到第n+1个字节：用户需传送的字节数据。注意：在模块还没发送完一帧数据时，不会接收下一帧数据。接收数据和发送数据等同。如向RX端发送： 02 AE 87 在其他模块TX就输出02 AE 8702是字节长度，这表示后面有2个字节的数据。如向RX端发送： 09 01 02 03 04 05 06 07 08 09 在其他模块TX就输出09 01 02 03 04 05 06 07 08 0909是字节长度，这表示后面有9个字节的数据。最大的字节长度可到253.如向RX端发送： FD 01 02 03 04 05 06 07 0

55、8 09 0A 0B 0C 0D 0E.FD在其他模块TX就输出FD 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E.FD有效的数据可以到253个。在本设计中，主要采用的通讯方式是自定义模式，即直接把mode脚直接接地。当上位机发送温度采集命令时，下位机向上位机发送5个字节，第一个字节是04，即一帧要传送5个字节。第二个字节是是通道标示，01标示A路通道，02标示B路通道。第三，第四，第五位字节是数字化后的温度值。上位机通过广播的方式向电力线上发送控制命令。当上位机要控制A路时，上位机就会通过电力载波模块向电力线发送识别码，这时候AB两路同时收到上位机的识别

56、码，这时候AB两路的单片机都和自身做比较，如果是和本身识别码一样，就接收并进行下一步的工作，如果和自身的识别码不一样，就不接收不做任何操作。5.2远程温度监控系统信号采集与处理该系统主要包括远程温度监控系统温度信号的采集。远程温度监控系统信号的采集和初步处理主要是通过数字温度传感器DS18B20模块完成，而单片机主要是完成信号的定时读取。AT89S51与温度传感器之间的通讯采用的是单线双向的模拟串行接口完成。由于该系统主要是用于远程温度监控系统温度采集，所以并不要求对于温度进行高实时性采集，所以为了减轻CPU负担，每5秒进行一次温度的采集比较合适。5.2.1温度采集温度的采集由数字传感器DS1

57、8B20完成，CPU通过单总线进行传感器信号的读取。单总线传感器具有设计简单，节约IO口线等优点，但是应用也比较局限性，其传输的速率较低，通常用于传感器的信号传输。本系统中温度传感器的通讯格式采用单总线结构，单总线数据格式，温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms，数据分小数部分和整数部分。单总线一次完整的数据传输为16bit，MSB在前LSB在后。数据格式是8位的温度整数数据再加4位的温度小数数据。用户MCU发送一次开始信号后，DS18B20从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DS18B20发送响应信号，送出16bit的数据，并触

58、发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DS18B20没有接收到主机发送开始信号，DS18B20不会主动进行温度采集，接收到开始信号触发一次温度采集，采集数据后系统自动转换到低速模式。主机使用时间隙(time slots)来读写DSl820的数据位和写命令字的位 (1)初始化 主机总线t0时刻发送一复位脉冲(最短为480us的低电平信号)接着在tl时刻释放总线并进入接收状态DSl820在检测到总线的上升沿之后等待15-60us接着DS1820在t2时刻发出存在脉冲(低电平持续60-240 us)（2）写时间隙当主机总线t o时刻从高拉至低电平时就产生写时间隙 见图225 3图2254从t0时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上DSl820在t1后15-60us间对总线采样若低电平，写入的位是0；若高电平，写入的位是1。连续写2位间的间隙应大于1us。(3)读时间隙 主机总线t0时刻从高拉至低电平时，总线只须保持低电平l