電力載波多點溫度監(jiān)控畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電力載波通訊是一種能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)的通訊技術(shù)。本文設(shè)計了一套基于電力載波的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，主要工作包括以下幾點：(1)進(jìn)行了電力載波終端硬件設(shè)計。硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度采集與處理模塊、電力載波通訊模塊、數(shù)碼管顯示模塊、CP2102通訊模塊等。(2)進(jìn)行了電力載波終端軟件設(shè)計。通過Keil C51開發(fā)工具

2、對各模塊程序進(jìn)行了設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)電力載波通訊、數(shù)碼管顯示、CP2102通訊等功能。(3) 在Visual Basic環(huán)境下進(jìn)行了遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計，上位機(jī)也單片機(jī)之間通信主要是通過串口通信。(4)電力載波的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場測試與運(yùn)行。在實驗室對所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。系統(tǒng)終端能準(zhǔn)確采集到遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并能通過電力載波通訊方式傳送數(shù)據(jù)到主節(jié)點，主節(jié)點能準(zhǔn)確將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)測軟件能

3、實現(xiàn)對遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境的實時監(jiān)測。測試表明該系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的載波通訊監(jiān)測。</p><p>　　關(guān)鍵字：電力載波通訊；遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測；串口通訊</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Power line carrier communication is an accu

4、rate, stable transmission of data communication technology. This article has designed a set of power line carrier-based remote temperature monitoring system, the main tasks include the following: (1) power line carrier t

5、erminal hardware design. The hardware system mainly consists of the smallest single-chip system, temperature acquisition and processing module, power line carrier communication module, LED display module, CP2102 communic

6、ations module. (2</p><p>　　Key words：Power line carrier communication; Remote temperature monitoring system monitoring; Serial communication</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

7、<b>　　引言1</b></p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p>　　2 系統(tǒng)設(shè)計框圖3</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計5</p><p>　　3.1 電力載波終端硬件設(shè)計5</p><p>　　3.1.1系統(tǒng)模塊設(shè)計5<

8、;/p><p>　　3.1.2信號采集與處理系統(tǒng)設(shè)計6</p><p>　　3.1.3電力載波通訊系統(tǒng)設(shè)計8</p><p>　　3.1.4電力載波模塊KQ130F的特性11</p><p>　　3.1.5 數(shù)碼管顯示12</p><p>　　3.2 上位機(jī)電路設(shè)計13</p><p>　

9、　4 PCB板設(shè)計13</p><p>　　4.1 載波端控制模塊PCB14</p><p>　　4.2 上位機(jī)端PCB設(shè)計14</p><p>　　5 軟件設(shè)計15</p><p>　　5.1 電力載波的通訊協(xié)議規(guī)定17</p><p>　　5.2 遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)18</p><

10、p>　　5.2.1溫度采集18</p><p>　　5.3 上位機(jī)設(shè)計19</p><p>　　5.4 VB界面設(shè)計21</p><p>　　6 調(diào)試與總結(jié)24</p><p><b>　　6.1 調(diào)試24</b></p><p><b>　　6.2 總結(jié)25&l

11、t;/b></p><p><b>　　謝 辭26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　附 錄29</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>

12、　　近幾年隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，國內(nèi)外對網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行了大量的研究，基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場檢測技術(shù)主要是通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器可以實時監(jiān)測遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的實時情況。我國現(xiàn)代化智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的研究相對國外起步較晚，在八十年代才出現(xiàn)了利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)去實現(xiàn)對環(huán)境氣候進(jìn)行監(jiān)測與控制，較國外晚十年，到了九十年代中期，計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也帶動了我國遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的快速進(jìn)步。近年來，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)在我國發(fā)展也是非常

13、的迅速，尤其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的溫室大棚，各地都陸續(xù)建立了農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)示范工程，其中單片機(jī)技術(shù)、信息采集處理技術(shù)、無線通訊技術(shù)、自動化科學(xué)等相繼被用于國內(nèi)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)中。但是與歐美等許多發(fā)達(dá)國家相比，我國的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)還是相對落后，存在設(shè)備簡陋不夠先進(jìn)，技術(shù)落后，管理水平差，成本相對較高等缺點，所以導(dǎo)致遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)難以得到全面廣泛的普及。</p><p>　　遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三種

14、。第一種是離散型的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，離散型遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)是分布式的系統(tǒng)，其包括以下四個組成部分:網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、現(xiàn)場控制、操作員站和工程師站。這四個部分是有由獨(dú)立的計算機(jī)系統(tǒng)組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、控制、數(shù)據(jù)記錄、監(jiān)測報警、系統(tǒng)的管理等功能。離散型的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)方便且互不影響，但該系統(tǒng)的成本過高且沒有組態(tài)的能力，不能滿足完全智能化的要求。第二種是基于無線通訊的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，GPRS遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、GPRS

15、、數(shù)據(jù)采集單元及邏輯單元組成。GPRS將無線通訊技列。從數(shù)據(jù)的采樣、控制算法、數(shù)據(jù)處理都由單片機(jī)完成，單片機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為集中式控制。其優(yōu)點是可全局控制，價格低廉，控制簡單，但是該系統(tǒng)的布線復(fù)雜需要單獨(dú)安裝線路，可靠性差，安裝成本高，自動化程度低。第三種是現(xiàn)場總線監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)場總線是在智能化的測控設(shè)備之間實現(xiàn)雙向的、數(shù)字式、多節(jié)點的串行通訊技術(shù)，也被稱為全數(shù)字化、全開放式、分散多點通訊的現(xiàn)場底層監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)的協(xié)議簡單、實時性高并且

16、容錯能力強(qiáng)運(yùn)行比較穩(wěn)定等特點，也是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，電力載波</p><p>　　低壓電力線載波通信技術(shù)是利用現(xiàn)有的電力線作為信號傳輸信道來實現(xiàn)一對一、一對多或多對多的通信技術(shù)。在本設(shè)計中主要實現(xiàn)主從通信，它利用低壓配電線（380/220V 用戶線）作為信息傳輸媒介，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。電力網(wǎng)作為電能輸送的專用網(wǎng)絡(luò)，是國家基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之一。其網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

17、質(zhì)量、機(jī)械強(qiáng)度、安全經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)等都是經(jīng)過反復(fù)論證合理優(yōu)化的。它的覆蓋面之廣、容量之大是任何網(wǎng)絡(luò)都不能相比的。因此，電力網(wǎng)是一種優(yōu)質(zhì)的不可多得的資源。電力線載波技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展和應(yīng)用多年，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)程已經(jīng)相當(dāng)?shù)耐陚浜统墒?。隨著電力線載波技術(shù)的不斷發(fā)展，低壓電力線載波技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。由于供電網(wǎng)絡(luò)本身是一種方便、成本低，可靠性高的通訊介質(zhì)，利用載波通訊可使通訊成本降低、信號穩(wěn)定、安裝方便且容易實現(xiàn)。將電力載波應(yīng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控系

18、統(tǒng)中已經(jīng)有人提出，也將是未來遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測通訊系統(tǒng)的最佳選擇。</p><p>　　電力載波通訊(Power Line Communication)技術(shù)簡稱為PLC技術(shù)，出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代初期。它是指利用已有的低壓配電網(wǎng)作為傳輸媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種通訊手段。應(yīng)用電力線通訊方式發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器先將數(shù)據(jù)調(diào)制到一個高頻載波上，再經(jīng)過功率放大后通過耦合電路耦合到電力線上。信號頻帶峰峰值電壓一般不超過

19、10V，因此不會對電力線路造成不良影響。此高頻信號經(jīng)線路傳輸?shù)浇邮辗?，接收機(jī)通過耦合電路將高頻信號分離出來，濾去干擾信號后放大，再經(jīng)解調(diào)電路還原成二進(jìn)制數(shù)字信號完成通訊過程，它的應(yīng)用范圍主要是在一個變壓器范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p>　　目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于水、煤氣、電表等的自動抄表系統(tǒng)，同時該技術(shù)也是局域網(wǎng)接入很有競爭力的一種接入技術(shù)。電力線無論在城市、鄉(xiāng)村，還是偏遠(yuǎn)落后的地區(qū)到處都是，只要用電的地

20、方就會有電力線存在，不用鋪設(shè)額外的通訊線路而直接利用已有的電力線資源進(jìn)行數(shù)據(jù)或話音信號的傳輸，將會大大降低通訊成本，并且電力線通訊有著它自身的一些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。</p><p>　　電力載波通訊技術(shù)的發(fā)展在歷史上經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字的發(fā)展過程。電力線載波通訊技術(shù)出現(xiàn)于本世紀(jì)二十年代初期，是以電力線路為傳輸通道，具有可靠性高、投資少、見效快、與電網(wǎng)建設(shè)同步等得天獨(dú)厚的優(yōu)點。四十年代時在我國東北，已有日本生產(chǎn)的載波機(jī)

21、在運(yùn)行，作為長距離電力調(diào)度的通訊手段;五、六十年代，我國開始研制自己的ZDD-1型電力線載波機(jī)，但當(dāng)時未能實現(xiàn)產(chǎn)品化，后來經(jīng)過不斷的改進(jìn)，終于形成了具有中國特色的ZDD-5型電力線載波機(jī)，該設(shè)備為四用戶、兩級調(diào)幅、具有自動增益控制電路和音頻轉(zhuǎn)接接口，呼叫方式采用脈沖制式;在我國六十年代到七十年代時期，該機(jī)所代表的模擬制式電力線載波機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，七十年代時期，我國模擬電力線載波技術(shù)已趨成熟，當(dāng)時以ZDD-12, ZJ-5, ZBD-3

22、機(jī)型為代表，在技術(shù)指標(biāo)上得到了較大地提高，并成為我國應(yīng)用時間最長的主流機(jī)型。我們可將在此之前的載波機(jī)稱為第一代載波機(jī);八十年代中期，電力線載波技術(shù)開始了單片機(jī)和集成化的革命，產(chǎn)生了小型化、多功能的載波機(jī)，如S—2載波機(jī)等。在這一階段，主要的技術(shù)進(jìn)步為單片機(jī)自動盤代替了三極管或布線邏輯的自動盤:集成電路的調(diào)制器、壓擴(kuò)器、濾波器和</p><p>　　電力載波通訊技術(shù)發(fā)展的如此迅速，主要原因是其成本低廉，安裝簡單、易

23、實現(xiàn)?；陔娏d波的數(shù)據(jù)通訊特點，非常適合將電力載波通訊技術(shù)應(yīng)用與遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測中，2009年開始將電力載波通訊技術(shù)應(yīng)用與遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，該系統(tǒng)主要包括通訊單片機(jī)系統(tǒng)電路、環(huán)境采集節(jié)點電路以及傳感器測量電路，系統(tǒng)設(shè)計不夠完善，采集一次數(shù)據(jù)時間相對較長，并沒有實時顯示和能存儲數(shù)據(jù)的后臺監(jiān)測軟件以及遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)能直接監(jiān)測的實時數(shù)碼顯示模塊。 </p><p><b>

24、;　　1 緒論</b></p><p>　　隨著我國科技的不斷發(fā)展，智能遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)不僅為蔬菜、水果、花卉、林木等植物栽培或育苗帶來很大的方便，提升了效率。而且為人們的生活帶來諸多方便，大力發(fā)展現(xiàn)代化智能化遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)對于農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)發(fā)展有非常重要的意義，近年來，電力載波通訊技術(shù)得到飛速的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各領(lǐng)域中。電力載波監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器、信號與采集處理、電力載波通

25、訊、微機(jī)控制、嵌入式、電子信息、軟件開發(fā)等技術(shù)，為監(jiān)測領(lǐng)域提供了穩(wěn)定精確地通訊技術(shù)。將電力載波通訊技術(shù)應(yīng)用到遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測中去，可以實時地有效地監(jiān)測遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，為遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的管理和研究提供便利。通過傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后由電力載波進(jìn)行通訊，最后由上位機(jī)實時、準(zhǔn)確地監(jiān)測遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)溫度的參數(shù)信號，對于分析和研究遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)實時情況提供了依據(jù)。電力載波系統(tǒng)無需布線只需要各處都有的電力線即

26、可完成通訊，具有靈活性好、安裝方便等優(yōu)勢，可以成為監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展方向?；陔娏d波的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)，利用了電力網(wǎng)絡(luò)本身的低成本、易于實現(xiàn)、通訊方便、簡單易于建立等優(yōu)點。將電力載波通訊技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)上以及</p><p><b>　　2 系統(tǒng)設(shè)計框圖</b></p><p>　　本設(shè)計的主要目的是設(shè)計一套基于電力載波的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控和檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在采集到溫度后自行

27、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由發(fā)送模塊將信號發(fā)送到電力線上，接收模塊檢測到電力線上的信號后將信號進(jìn)行處理，最后將處理后的正確信號由串口傳送到上位機(jī)中，由監(jiān)測軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與顯示。從而達(dá)到對水溫的監(jiān)控和檢測。系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2.l所示：</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖</p><p>　　本設(shè)計的主要研究內(nèi)容包括電力載波終端硬件設(shè)計、電力載波上位機(jī)硬件設(shè)計、遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位

28、機(jī)軟件設(shè)計等。</p><p>　　(1)電力載波終端硬件設(shè)計。系統(tǒng)終端硬件模塊設(shè)計需要使用單片機(jī)控制模塊實現(xiàn)核心控制；信號采集與處理模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和處理；電力載波通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)主從點的電力載波通訊功能；數(shù)碼顯示模塊實現(xiàn)對實時溫度數(shù)據(jù)顯示；同時接收來自上位機(jī)的控制命令，對繼電器進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制加熱器，控制水溫目的。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，選擇合適的單片機(jī)以及硬件模塊，并進(jìn)行合理的硬件接口

29、設(shè)計。按照系統(tǒng)設(shè)計電路原理圖，將各模塊進(jìn)行設(shè)計，使各個模塊按照系統(tǒng)設(shè)計要求正常工作。</p><p>　　(2)電力載波上位機(jī)硬件設(shè)計。</p><p>　　系統(tǒng)的程序軟件設(shè)計需要實現(xiàn)裝置初始化，主循環(huán)程序，信號定時的采集與處理，載波發(fā)送和接收進(jìn)程，CP2102通訊模塊實現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)通訊功能，采集信號的定時掃描顯示，通道識別和標(biāo)識符識別與處理等功能。</p><p&

30、gt;　　(3)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計。</p><p>　　遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要包括了接收串口上傳的溫度實時顯示和保存數(shù)據(jù)、及向下位機(jī)發(fā)布控制命令等功能。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　按照設(shè)計內(nèi)容的研究要求，設(shè)計系統(tǒng)方案。系統(tǒng)模塊主要包括增強(qiáng)型單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計、信號采集與

31、處理模塊設(shè)計、數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計、電力載波通訊模塊設(shè)計、CP2102通訊模塊設(shè)計、繼電氣控制模塊設(shè)計?？紤]到成本、接口與穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)做系統(tǒng)的處理器;以及溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字傳感器，它具有極高的可靠性和優(yōu)越的長期穩(wěn)定性，DS18B20是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度數(shù)字傳感器，并擁有專用的溫度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù);數(shù)碼管顯示模塊采用了四位一體共陽極數(shù)碼管，電力載波通訊模塊采用KQ130F芯片，它

32、是一款高效率的功率放大芯片;CP2102通訊模塊采用了CP2102作為串行通訊的收發(fā)控制器，該芯片具有性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。</p><p>　　3.1 電力載波終端硬件設(shè)計</p><p>　　電力載波終端硬件設(shè)計包括了系統(tǒng)模塊設(shè)計和PCB板設(shè)計與制作兩部分。系統(tǒng)模塊主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計、信號采集與處理模塊設(shè)計、數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計、電力載波通訊模塊設(shè)計、穩(wěn)壓電源產(chǎn)生模塊

33、、CP2102通訊模塊設(shè)計、繼電器控制模塊設(shè)計。電路板的設(shè)計主要經(jīng)過對于整機(jī)結(jié)構(gòu)以及成本的考慮在AD繪圖軟件上進(jìn)行設(shè)計。</p><p>　　3.1.1系統(tǒng)模塊設(shè)計</p><p>　　為了降低開發(fā)的難度，以及提高開發(fā)效率，整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計原理，讓各部分功能模塊之間盡量減少耦合度，這樣更有利于后期開發(fā)的移植，為系統(tǒng)的升級和優(yōu)化減輕了工作量。電子載波終端硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：A

34、T89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)、信號采集與處理模塊、數(shù)碼管顯示模塊、電力載波通訊模塊、CP2102通訊模塊,控制電路等。硬件系統(tǒng)的工作原理是：載波從節(jié)點裝置的單片機(jī)最小系統(tǒng)經(jīng)信號采集與處理獲得信號數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行均值濾波處理，然后控制顯示模塊顯示數(shù)據(jù)有效值，同時載波收發(fā)電路將數(shù)據(jù)傳送到裝置主節(jié)點，裝置主節(jié)點通過CP2102通訊上傳到上位機(jī)。</p><p>　　51內(nèi)核單片機(jī)最小系統(tǒng)擁有控制功能和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、可靠

35、性高、易擴(kuò)展、功耗低、體積小、成本低等特點。單片機(jī)是具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、只讀存儲器ROM、隨機(jī)存儲器RAM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等集成到一塊芯片上構(gòu)成微型的具有高效智能的處理數(shù)據(jù)能力的計算機(jī)。單片機(jī)又稱為“微控制器”。通過對單片機(jī)的性能、控制功能、價格等進(jìn)行比較，以及對于載波通訊的了解，結(jié)合資源的需求，采用了普通51單片機(jī)。AT89S51是為載波通訊應(yīng)用設(shè)計的一款低成本SOC芯片，該芯片可以做監(jiān)測系統(tǒng)裝

36、置的CPU，AT89S51單片機(jī)采用純數(shù)字技術(shù)設(shè)計，AT89S51的最小系統(tǒng)主要包括了：11.0592M晶振；外部RAM， 載波通訊芯片RX/TX引腳匹配電路：以及系統(tǒng)運(yùn)行指示燈；系統(tǒng)自動復(fù)位電路。晶振主要用的是直插式無源晶振，加2個30PF起振電容。如圖3.1所示為單片機(jī)和電力載波模塊的連接示意圖。</p><p>　　圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖</p><p>　　3.1.2信號采集與

37、處理系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　信號采集系統(tǒng)主要是溫度采集。遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)各個分站點上傳的數(shù)字信號，可以準(zhǔn)確地判斷遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)工作情況，為遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的溫度控制和檢測提供了可靠依據(jù)。因此，溫度采集系統(tǒng)是設(shè)計的關(guān)鍵。該系統(tǒng)中溫度的采集均采用了數(shù)字傳感器方式，提高了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性。其中溫度采集部分采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，單片機(jī)通過單總線方式采集傳感器的數(shù)字信號，然后經(jīng)過算法處理實現(xiàn)

38、數(shù)據(jù)信號的可靠顯示。</p><p>　　溫度的采集主要是采用DS18B20溫度傳感器，它具有極高的可靠性和優(yōu)越的長期穩(wěn)定性，DS18B20是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度數(shù)字傳感器，并擁有專用的溫度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)。</p><p>　　溫度傳感器包括一個NTC測溫元件，與單片機(jī)的P1.0進(jìn)行連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送方式是單總線結(jié)構(gòu)。傳感器的單線制串行接口使系統(tǒng)的集成變得簡易快捷。

39、DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，D

40、S18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分率。DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。 高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換</p>

41、<p>　　DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TL字節(jié)內(nèi)容作比較。若T＞TH或T＜TL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志位置位，并對主機(jī)發(fā)出的報警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時測量溫度并進(jìn)行報警搜索。 在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲有循環(huán)冗余檢驗碼（CRC）。主機(jī)ROM的前56位來計算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。 DS18

42、B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)進(jìn)而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器1、溫度寄存器中，計數(shù)

43、器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 ℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度</p><p>　　●獨(dú)特的單線接口僅需要一個端口引腳進(jìn)行通信； </p><p>　　●多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； </p><p><b>　　●無須外部器件； </

44、b></p><p>　　●可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5V； </p><p><b>　　●零待機(jī)功耗； </b></p><p>　　●溫度以9或12位數(shù)字； </p><p>　　●用戶可定義報警設(shè)置； </p><p>　　●報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度

45、報警條件）的器件； </p><p>　　●負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；</p><p>　　3.1.3電力載波通訊系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　電力載波通訊部分是該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點和難點，該系統(tǒng)的電力載波通訊系統(tǒng)部分，主要包括了電壓隔離電路、接收電路，和載波發(fā)送電路三部分。其中電壓隔離電路主要實現(xiàn)強(qiáng)電220V和弱電的12V的

46、轉(zhuǎn)換，以及裝置外部和裝置內(nèi)部的電氣隔離。接收電路主要實現(xiàn)信號接收和濾波作用，增加載波通訊的靈敏度，最大可以達(dá)到32dBuV。載波發(fā)送電路部分主要實現(xiàn)了載波信號的功率放大作用，也起到了信號耦合效果，其中主要用到的電源信號是裝置提供的直流12V電源，調(diào)制方式有很多種，究竟選擇哪一種調(diào)制方式是由載波信道的特性決定的。設(shè)計采用了一種常用的數(shù)字調(diào)制方式。</p><p>　　常見的數(shù)字調(diào)制方式包括頻移鍵控、振幅鍵控、相移鍵

47、控，由于電力線上的信號時變衰減較大，所以我們不采用振幅鍵控；又因為相移鍵控涉及到相位檢測，而且電力線上干擾噪聲多樣，這使得相位檢測出現(xiàn)一定的困難。所以，本設(shè)計采用頻移鍵控數(shù)字調(diào)制方式產(chǎn)生已調(diào)信號。 頻移鍵控數(shù)字調(diào)制方式包括二進(jìn)制頻移鍵控、最小頻移鍵控、高斯濾波的最小頻移鍵控。這幾種調(diào)制方式各有其特點，二進(jìn)制頻移鍵控實現(xiàn)容易、轉(zhuǎn)換速度快、波形好。</p><p>　　最小頻移鍵控消除了碼元轉(zhuǎn)換時刻的相位突變，從根本

48、上解決了包絡(luò)起伏問題，其頻譜滾降得到了顯著改善。高斯濾波的最小頻移鍵控在抗干擾方面有顯著的作用。雖然，最小頻移鍵控和高斯濾波的最小頻移鍵控有很多優(yōu)點，但是，其實現(xiàn)困難。所以，本設(shè)計采用二進(jìn)制頻移鍵控的調(diào)制方式。2FSK（二進(jìn)制頻移鍵控）信號的產(chǎn)生通常有兩種方式：頻率選擇法，載波調(diào)頻法。</p><p>　　本設(shè)計采用二進(jìn)制頻移鍵控的調(diào)制方式，通信模塊的硬件實現(xiàn)由載波耦合電路、載波信號發(fā)送端電路（信號功率放大電路和

49、輸出功率控制電路）、濾波接收單元（接收濾波電路和解調(diào)電路）。 </p><p>　　圖3.2 信號耦合電路</p><p>　　在圖3.2信號耦合中，電容C11濾除交流50Hz信號，采用隔離變壓器T2使電力線回路和通信單元安全隔離，并由電容C11和隔離變壓器的次級線圈電感L構(gòu)成高通濾波器的功能。電容C11采用長壽命高性能的安規(guī)電容，因為安規(guī)電容存在壽命問題，隨著使用時間的推移，容量會變得越

50、來越小，若容量小于10nF將導(dǎo)致耦合電路失效。</p><p>　　圖3.3 過零檢測電路</p><p>　　圖3.3過零檢測電路，圖中:PHASE：火線 ZERO：零線 ZCHK：過零信號輸出,連接的ZCP_DET(14)引腳需要滿足在220V市電條件下：上升沿零點（芯片引腳檢測到由低轉(zhuǎn)為高電平時刻）滯后實際市電的零點400±50us； 下降沿零點（芯片引腳檢測到由高轉(zhuǎn)為低電

51、平時刻）滯后實際市電的零點450±50us。 </p><p>　　圖3.4 功率控制部分</p><p>　　在圖3.4功率控制電路中,所起的作用是當(dāng)15V電源電壓被拉低到6.5V左右的時候控制其輸出電流，保證15V電源電壓不至于被拉低到太低而致使整個系統(tǒng)無法正常工作，其最突出的是可優(yōu)點以很好的保證低電壓試驗?zāi)軌蛲ㄟ^。</p><p><b>

52、　　圖3.5 發(fā)送電路</b></p><p>　　在圖3.5發(fā)送電路中，TS5是一顆20V的肖特基穩(wěn)壓管，但在這里沒有用到它的穩(wěn)壓特性，用到而是它的正向?qū)妷旱偷奶攸c，來保護(hù)P溝道的MOS管，考慮到產(chǎn)品的可靠性，推薦這顆穩(wěn)壓二極管選用1N5817或SS12，或具有更低正向?qū)妷旱亩O管。電阻R8/0.22k在這里起到保護(hù)載波芯片的作用，因為載波芯片采用的是MOSFET工藝，不推薦驅(qū)動容性負(fù)載，而

53、這套放大電路的輸入是容性的，所以在這里串聯(lián)一顆0.22k的電阻來保護(hù)載波芯片； US6M2內(nèi)部具有一顆P溝道的MOS管和一顆N溝道的MOS管，P溝道的耐流為1A，N溝道的耐流為1.5A，這就使整個載波電路的耐流為1A，所以供給這個放大電路的電源的功率不能太大，假如電源能提供的功率非常大，當(dāng)外界的阻抗很小時，就會有很大的電流流過US6M2這顆器件，當(dāng)超過它的額定值時，有可能會把US6M2燒掉，所以推薦載波通信電路采用變壓器供電。</

54、p><p><b>　　圖3.6 接收電路</b></p><p>　　在接收電路中，如圖3.6所示信號接收電路由信號耦合電路、帶通濾波器BPF和模擬前端AFE三部分組成，其主要功能是對來自電力線上的擴(kuò)頻通信信號進(jìn)行有效的接收和模擬解調(diào)。其中，信號接收電路的設(shè)計目標(biāo)是提高頻帶內(nèi)的信號接收功率（信號耦合電路設(shè)計的一部分，需要同發(fā)送部分統(tǒng)一設(shè)計。），并最大限度地抑制來自電力線

55、上的噪聲干擾，且使無源濾波網(wǎng)絡(luò)的插入損耗最小。接受電路接收濾波電路的電感（1mH和100uH）要遠(yuǎn)離185kHz濾波電路的電感（33uH），一般要求不小于15mm，否則會造成接收性能的下降。</p><p>　　解調(diào)電路由內(nèi)部產(chǎn)生的頻率為185kHz的方波信號，通常作為通信系統(tǒng)模擬前端集成電路的本地振蕩信號源。該信號的周期為5.4μs，占空比為1:1，高電平為VCC，是一個標(biāo)準(zhǔn)的頻率為185kHz的方波信號。使用

56、它作為模擬前端集成電路的本地振蕩信號源，使用一個外部帶通濾波器（由電感L10和電容C28組成）來提取185kHz 基頻信號，并抑制基頻外的諧波分量。本振信號形成電路如圖3.7所示： </p><p>　　圖3.7 本振信號形成電路</p><p>　　3.1.4電力載波模塊KQ130F的特性</p><p>　　KQ130F芯片是一款高效率的功率放大芯片。整個載波系

57、統(tǒng)采用全數(shù)字的SOC技術(shù)，比起傳統(tǒng)的模擬技術(shù)，該方案通訊可靠性更強(qiáng)，KQ-130F是單列9針小體積高性能過零載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。是專門為在220V交流上，強(qiáng)干擾，強(qiáng)衰減，遠(yuǎn)距離要求的環(huán)境下，可靠的傳送數(shù)據(jù)而特別設(shè)計和開發(fā)的性價比很高的載波模塊。在停電以及沒有電源的環(huán)境下（如管道與大地，一根信號線與大地，兩根信號線，12V交直流電源線等），可靠的傳送數(shù)據(jù)而特別設(shè)計和開發(fā)的性價比很高的載波模塊。適用于工業(yè)控制，鐵路，小區(qū)智能化，智能家居，樓宇

58、控制以及需要載波傳送數(shù)據(jù)的其它應(yīng)用領(lǐng)域。KQ-130F的載波速率是100BPS，</p><p>　　一、KQ-130系列模塊的性能：</p><p>　　1、集成了KQ-330模塊及外圍電路的載波板，毋需其他的耦合元件，直接連接220V的交流電使用。外型尺寸為53×38×17毫米(L×D×H)，單列排針引出見圖3.8所示，1、2腳接220V交流電源

59、無方向（1腳,2腳間距2X0。1英寸），2腳,3腳間距1。1英寸，其余各腳之間間距0。1英寸。</p><p>　　2、工作頻率120～135KHZ，接口波特率9600bps。一個起始位，8個數(shù)據(jù)位，一個停止位</p><p>　　3、溫度范圍：-25℃～+70℃ 濕度≤90%</p><p>　　4、一幀連續(xù)發(fā)送長度 ≥253個字節(jié)，字節(jié)長度從1到253由用戶定義

60、，模塊不會發(fā)送多余的數(shù)據(jù)。</p><p>　　5、接收靈敏度 ≤1mV</p><p>　　6、帶外抑制能力  ≥ 60 dB </p><p>　　7、帶寬 ≤10 KHZ</p><p>　　8、絕緣電阻 500V ≥500MΩ </p><p>　　9

61、、供電電源：DC +5V 接收時：≤12mA 發(fā)送時：≤300mA</p><p>　　圖3.9所示為KQ-130芯片正面圖，正面從左至右分別為KQ-130芯片的1～9腳：</p><p>　　圖3.8 KQ130芯片結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1P—AC：220V交流電壓的火線（或零線）；2P—AC：220V交流電壓的零線（或火線）；3P—+5V：+5V發(fā)送電

62、源（260mA），如果單收數(shù)據(jù)可以懸空降低功耗；4P—GND：數(shù)字電路地線；5P—+5V：+5V工作電源11mA；6P—RX：TTL電平，載波數(shù)據(jù)入，接單片機(jī)的TXD；7P—TX：TTL電平，載波數(shù)據(jù)出，接單片機(jī)的RXD；8P—MODE：模式選擇，懸空或接5V為高電平，接地為低電平；9P—NC/RST ：復(fù)位腳（低電平有效）；只有在工作時頻繁切換模式時使用。毋需此功能，引腳應(yīng)懸空。</p><p>　　3.1.5

63、數(shù)碼管顯示</p><p>　　液晶顯示和數(shù)碼管顯示是單片機(jī)中比較常用的輸出顯示方式，數(shù)碼管顯示模塊結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉，但不能顯示圖形和漢字等信息。由于本系統(tǒng)只需要顯示遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)信號測量的數(shù)值，而且考慮成本因素，所以選用了4位LED數(shù)碼管作為顯示。本裝置使用的是共陽極數(shù)碼管，數(shù)碼管的段選和單片機(jī)的P0口相連，位選是和單片機(jī)的P2.4~P2.7相連。同時為了達(dá)到控制的位的控制，分別才用了四個PNP型

64、的三極管進(jìn)去驅(qū)動。如圖3.9所以單片機(jī)與數(shù)碼管連接示意圖</p><p>　　圖3.9 單片機(jī)與數(shù)碼管連接示意圖</p><p>　　3.2 上位機(jī)電路設(shè)計</p><p>　　上位機(jī)電路圖主要是電源部分和電力載波部分組成，在電源部分中12V主要提供給調(diào)制載波用，5V供給載波模塊內(nèi)部的KQ-130使用。CP2102通訊模塊和電路載波的TX，RX交叉連接，地對地連接，

65、就可以實現(xiàn)連接了，如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.10 上位機(jī)電路設(shè)計圖</p><p><b>　　4 PCB板設(shè)計</b></p><p>　　如今原理圖和PCB設(shè)計工具多種多樣，從最原始的CAD，到后來包括現(xiàn)在很多公司都還運(yùn)用的設(shè)計工具Protel99到升級版的DXP，以及AD，雖然如今的PCB設(shè)計工具也原來越多，越來越強(qiáng)

66、大，但是基本上所以的工具其大致的設(shè)計方法卻還是相同的，也都是通過原理圖圖生成網(wǎng)絡(luò)表，然后把網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入PCB，給印制板上的元器件引腳都賦予了電氣連接特性。通過計算機(jī)輔助軟件能夠幫助我們更好、更快、更準(zhǔn)確地完成電路設(shè)計、布線、制板、調(diào)試等操作，使開發(fā)難度大大降低，趨于標(biāo)準(zhǔn)化。</p><p>　　本系統(tǒng)采用了AD繪圖軟件作為其主要的原理圖和PCB設(shè)計工具，該軟件功能強(qiáng)大，也是現(xiàn)在很多主流的大公司主要設(shè)計工具。AD具有

67、原理圖設(shè)計，以及功能仿真，PCB設(shè)計等功能。它適用于各種電路設(shè)計，因為它的PCB設(shè)計可以自行設(shè)計各種走線約束，以本系統(tǒng)采用了AD繪圖軟件作為其主要的原理圖和PCB設(shè)計工具，該軟件功能強(qiáng)大，也是現(xiàn)在很多主流的大公司主要設(shè)計工具。AD具有原理圖設(shè)計，以及功能仿真，PCB設(shè)計等功能。PCB板設(shè)計一般分三部進(jìn)行：首先設(shè)計電路原理圖，進(jìn)行電氣連接，分析電路原理看是否可行。其次，根據(jù)設(shè)計好的原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表(NetList)，進(jìn)行元件屬性設(shè)置，確立

68、元件的封裝。最后，設(shè)計電路板尺寸、各孔徑尺寸，自動或手工生成印制電路板，進(jìn)行布線檢查修改。經(jīng)過對于整機(jī)結(jié)構(gòu)以及成本的考慮，本系統(tǒng)需兩塊裝置電路板，分別是載波端控制模塊和上位機(jī)端的模塊，兩大電路板的設(shè)計。</p><p>　　4.1 載波端控制模塊PCB</p><p>　　在電力載波端監(jiān)控模塊中，主要包括了以下幾個部分單片機(jī)部分，包括信號采集電路，串口調(diào)試電路，看門狗電路，以及系統(tǒng)外圍匹配

69、電路等。該部分主要完成信號的采集和處理，以及作為通訊和顯示控制的核心等作用。數(shù)碼管顯示部分，4位數(shù)碼管顯示，主要是用于顯示裝置采集的溫度信號量，該部分除了購買的12W電源模塊外，主要包括了載波的發(fā)送和接收電路。該部分主要是給裝置提供兩組5V，一組12V電源外，主要是用于載波信號的發(fā)送和接收。傳感器接口板，該部分主要是用與遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)繼電器和溫度傳感器的安裝。因為要準(zhǔn)確測量遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的溫度。傳感器一定要置于裝置以外與遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控

70、系統(tǒng)環(huán)境充分接觸。主板PCB正面圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 電路載波控制端PCB圖</p><p>　　4.2 上位機(jī)端PCB設(shè)計</p><p>　　在上位機(jī)電路板設(shè)計模塊中，主要包括了一些外圍的保護(hù)電路，以及一些串口電路和電路載波模塊KQ-130的接口電路,CP2102通訊電路，。這個模塊的電路相對簡單，主要是對電力線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和解析，然

71、后傳給計算機(jī)，讓計算機(jī)對采集的溫度進(jìn)行處理。如圖4.2為上位機(jī)的PCB設(shè)計圖。</p><p>　　圖4.2 上位機(jī)PCB的設(shè)計圖</p><p><b>　　5 軟件設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)的CPU為低壓電力載波專用芯片AT89S51，該芯片采用的是增強(qiáng)型C51內(nèi)核，該5l內(nèi)核的執(zhí)行速度是傳統(tǒng)C5l單片機(jī)內(nèi)核的3倍，且繼承了

72、以往單片機(jī)微處理器設(shè)計簡單，可靠，成本低廉等特點，該系統(tǒng)的CPU支持在線編程和在線串口調(diào)試功能，這項優(yōu)勢不僅降低了傳統(tǒng)單片機(jī)開發(fā)的難度，也舍去了購買編譯器和仿真器的成本，傳統(tǒng)單片機(jī)在AT89S51面前就顯得如此笨重。系統(tǒng)采用了普通的Keil作為軟件開發(fā)工具，Keil是美國Keil Software公司出品的單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)。該軟件支持C語言開發(fā)單片機(jī)程序，比匯編語言在結(jié)構(gòu)、可讀性、可維護(hù)性和易學(xué)性上有明顯優(yōu)勢。軟件提供了豐富的庫函數(shù)和

73、功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具。Keil C51工具要用到Windows下的uVision集成開發(fā)環(huán)境，通過該環(huán)境可以完成軟件的編輯、編譯、連接、調(diào)試與仿真等開發(fā)流程。通過該軟件最后的編譯鏈接生成hex或者bin可執(zhí)行文件，然后用利用程序下載工具將可執(zhí)行代碼下載到單片機(jī)執(zhí)行。</p><p>　　由于C語言具有簡潔緊湊、靈活方便、可移植性好、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點，軟件程序全部采用C語言編寫，通過設(shè)計軟件流程圖，分析系

74、統(tǒng)功能，在Keil C51開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行程序的編寫，經(jīng)調(diào)試無誤后寫入單片機(jī)系統(tǒng)中，實現(xiàn)信號的采集與處理、數(shù)據(jù)實時顯示、數(shù)據(jù)的載波通訊的發(fā)送和接受等功能。</p><p>　　軟件設(shè)計的好壞直接影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和后期穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計，根據(jù)實現(xiàn)的功能可將系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)信號采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、載波發(fā)送和接收模塊和CP2102通訊模塊。根據(jù)每個模塊的功能進(jìn)行分期單獨(dú)設(shè)計，經(jīng)調(diào)試運(yùn)行正常后

75、接入系統(tǒng)中進(jìn)行綜合測試。這樣不僅提高了工作效率，還減少了總體測試的出錯率，不至于其中一個模塊出錯影響了其他模塊的工作。信號采集模塊主要是實現(xiàn)溫度的采集和處理過程；數(shù)碼管顯示模塊主要是實現(xiàn)采集溫度的顯示；載波的發(fā)送和接收模塊主要是負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)采集信號的傳輸和處理過程；CP2102通訊模塊用于實現(xiàn)裝置與上位機(jī)通訊功能。該系統(tǒng)的主程序設(shè)計主要包括了裝置初始化，進(jìn)入主循環(huán)程序，信號定時的采集與處理，載波發(fā)送和接收進(jìn)程，CP2102發(fā)送和

76、接收進(jìn)程，采集信號的定時掃描顯示。系統(tǒng)的初始化主要完成以下的工作：(1)裝置存儲區(qū)初始化；(2)Flash初始化，包括Flash芯片引腳使能、串口初始化；（3）打開CP2102通訊串口，以及波特率和地址的初始化；載波主節(jié)點或者載波從節(jié)點初始化，包括從節(jié)點選擇，載波速率和載波通訊地址的選擇。如圖5.1為下位機(jī)程序流程圖</p><p>　　圖5.1 下位機(jī)主程序流程圖</p><p><

77、;b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖5.2 上位機(jī)主程序流程圖</p><p>　　5.1 電力載波的通訊協(xié)

78、議規(guī)定</p><p>　　在模塊KQ-130中提供了兩種工作模式，分別是透明工作方式（高電平），還是自定義工作模式（低電平）。MODE高電平（懸空）時為透明工作模式，低電平（接地）時為自定義工作模式。</p><p>　　在透明工作模式時：在編程時毋需對模塊初始化，通訊時和普通RS-485方式類同。但是，由于電力線上負(fù)載比較多，電器所產(chǎn)生的諧波也就無法避免地耦合到電力線上，在KQ-130

79、電力載波模塊是高靈敏度的載波模塊，在所有載波模塊都處于接收狀態(tài)時，電力線上就會全部被電器所產(chǎn)生的諧波所覆蓋，這時，模塊將解調(diào)出噪聲數(shù)據(jù)從TX端輸出。所以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)應(yīng)該引入同步碼以區(qū)分真正的傳送數(shù)據(jù)。在模塊發(fā)送緩存器（253字節(jié)）滿后不再接收新的數(shù)據(jù)。也就是一幀發(fā)送字節(jié)小于253個字節(jié)。用戶的一幀數(shù)據(jù)請連續(xù)不間斷的發(fā)送到模塊，如果停頓時間超過模塊已發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)時間（緩存器空，最后一個字節(jié)已完全發(fā)送），接收方的模塊可能會插入噪聲數(shù)據(jù)

80、。如向RX端連續(xù)發(fā)送： 5A 5A 5A 34 56 78 12 45 67 在其他接收模塊就可能輸出FE FD EF 5A 5A 5A 34 56 78 12 45 67 85 DE EF.加黑的字節(jié)是在所有模塊都沒發(fā)送數(shù)據(jù)時，接收模塊接收到的噪波數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)還是采用9600BPS異步方式，格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位1個停止位格式，從TX送出，但是大約要每0.09秒左右發(fā)送一次。在自</p><p>　　在

81、自定義工作模式時：用戶按照我公司的定義傳送數(shù)據(jù)，一幀傳送數(shù)據(jù)定義如下：第一個字節(jié)：要傳送一幀的字節(jié)數(shù)0-250（不含第一個字節(jié)）。第二個字節(jié)到第n+1個字節(jié)：用戶需傳送的字節(jié)數(shù)據(jù)。注意：在模塊還沒發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時，不會接收下一幀數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)等同。如向RX端發(fā)送： 02 AE 87 在其他模塊TX就輸出02 AE 87 02是字節(jié)長度，這表示后面有2個字節(jié)的數(shù)據(jù)。如向RX端發(fā)送： 09 01 02 03 04 05 06 07

82、 08 09 在其他模塊TX就輸出09 01 02 03 04 05 06 07 08 09</p><p>　　09是字節(jié)長度，這表示后面有9個字節(jié)的數(shù)據(jù)。最大的字節(jié)長度可到253.如向RX端發(fā)送： FD 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E...FD在其他模塊TX就輸出FD 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E...F

83、D有效的數(shù)據(jù)可以到253個。</p><p>　　在本設(shè)計中，主要采用的通訊方式是自定義模式，即直接把mode腳直接接地。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送溫度采集命令時，下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送5個字節(jié)，第一個字節(jié)是04，即一幀要傳送5個字節(jié)。第二個字節(jié)是是通道標(biāo)示，01標(biāo)示A路通道，02標(biāo)示B路通道。第三，第四，第五位字節(jié)是數(shù)字化后的溫度值。</p><p>　　上位機(jī)通過廣播的方式向電力線上發(fā)送控制命令。當(dāng)上位

84、機(jī)要控制A路時，上位機(jī)就會通過電力載波模塊向電力線發(fā)送識別碼，這時候AB兩路同時收到上位機(jī)的識別碼，這時候AB兩路的單片機(jī)都和自身做比較，如果是和本身識別碼一樣，就接收并進(jìn)行下一步的工作，如果和自身的識別碼不一樣，就不接收不做任何操作。</p><p>　　5.2 遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)</p><p>　　信號采集與處理該系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)溫度信號的采集。遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)信號的采集和

85、初步處理主要是通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20模塊完成，而單片機(jī)主要是完成信號的定時讀取。AT89S51與溫度傳感器之間的通訊采用的是單線雙向的模擬串行接口完成。由于該系統(tǒng)主要是用于遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)溫度采集，所以并不要求對于溫度進(jìn)行高實時性采集，所以為了減輕CPU負(fù)擔(dān)，每5秒進(jìn)行一次溫度的采集比較合適。</p><p><b>　　5.2.1溫度采集</b></p><p

86、>　　溫度的采集由數(shù)字傳感器DS18B20完成，CPU通過單總線進(jìn)行傳感器信號的讀取。單總線傳感器具有設(shè)計簡單，節(jié)約IO口線等優(yōu)點，但是應(yīng)用也比較局限性，其傳輸?shù)乃俾瘦^低，通常用于傳感器的信號傳輸。本系統(tǒng)中溫度傳感器的通訊格式采用單總線結(jié)構(gòu)，單總線數(shù)據(jù)格式，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當(dāng)采用12位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分。單總線一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為16bit，MSB在前LSB在后。數(shù)

87、據(jù)格式是8位的溫度整數(shù)數(shù)據(jù)再加4位的溫度小數(shù)數(shù)據(jù)。用戶MCU發(fā)送一次開始信號后，DS18B20從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DS18B20發(fā)送響應(yīng)信號，送出16bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DS18B20沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DS18B20不會主動進(jìn)行溫度采集，接收到開始信號觸發(fā)一次溫度采集，采集數(shù)據(jù)后系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換到低速模式。</p><p>　　

88、主機(jī)使用時間隙(time slots)來讀寫DSl820的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位</p><p><b>　　(1)初始化 </b></p><p>　　主機(jī)總線t0時刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電平信號)接著在tl時刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)DSl820在檢測到總線的上升沿之后等待15-60us接著DS1820在t2時刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60-240 u

89、s)</p><p><b>　　（2）寫時間隙</b></p><p>　　當(dāng)主機(jī)總線t o時刻從高拉至低電平時就產(chǎn)生寫時間隙 見圖225 3圖2254從t0時刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上DSl820在t1后15-60us間對總線采樣若低電平，寫入的位是0；若高電平，寫入的位是1。連續(xù)寫2位間的間隙應(yīng)大于1us。</p><p>

90、;<b>　　(3)讀時間隙 </b></p><p>　　主機(jī)總線t0時刻從高拉至低電平時，總線只須保持低電平l7us之后在t1時刻將總線拉高產(chǎn)生讀時間隙讀時間隙在t1時刻后t2時刻前有效tz距t0為15us也就是說tz時刻前主機(jī)必須完成讀位并在t0后的60us一120us內(nèi)釋放總線。</p><p>　　5.3 上位機(jī)設(shè)計 </p><p&g

91、t;　　遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件是在Visual Stiudio2010環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，使用Visual Basic環(huán)境中的Form Graph控件實現(xiàn)頁面初始化設(shè)計，MSComm串口控件實現(xiàn)串口通訊功能，使用Common Dialog控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存路徑選擇功能，Timer控件實現(xiàn)時鐘功能等。</p><p>　　上位機(jī)軟件設(shè)計，包括、數(shù)據(jù)Excel表格保存、數(shù)據(jù)實時顯示、曲線繪制、實時時間顯示，通道監(jiān)控等部

92、分。具有準(zhǔn)確實時地顯示遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)等功能，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、數(shù)據(jù)的實時顯示以及曲線圖形繪制等功能。</p><p>　　上位機(jī)的設(shè)計主要是采集各個載波點發(fā)過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)束以后發(fā)送命令對電力載波各個節(jié)點進(jìn)行控制。載波通訊主要包括兩部份進(jìn)程，一是主節(jié)點載波通訊進(jìn)程，另一部分是從節(jié)點的載波通訊進(jìn)程。在裝置上電初始化成功后，載波主節(jié)點會向整個低壓載波網(wǎng)絡(luò)定時發(fā)送廣播幀，該幀的作用是找到該

93、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的從節(jié)點，當(dāng)從節(jié)點接收到主節(jié)點發(fā)送來的廣播幀以后，會向主節(jié)點發(fā)送響應(yīng)幀，該幀中包含了從節(jié)點的地址等重要信息。特別注意的是主節(jié)點和從節(jié)點的波特率必須設(shè)置一致才能組網(wǎng)成功。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新的從節(jié)點加入或者去除時，主節(jié)點會自動完成從節(jié)點的添加和刪除，而且當(dāng)主節(jié)點監(jiān)測到網(wǎng)絡(luò)中如果有一半以上的從節(jié)點都丟失后，主節(jié)點會自動重組網(wǎng)。模塊接口波特率9600bps，用戶與模塊通訊請采用9600BPS異步方式，格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位1個停止位格式。

94、</p><p>　　本模塊通過MODE腳控制模塊使用透明工作方式（高電平），還是自定義工作模式（低電平）。MODE高電平（懸空）時為透明工作模式，低電平（接地）時為自定義工作模式。</p><p>　　在透明工作模式時：在編程時毋需對模塊初始化，通訊時和普通RS-485方式類同。但是，由于電力線上負(fù)載比較多，電器所產(chǎn)生的諧波也就無法避免地耦合到電力線上，本模塊是高靈敏度的載波模塊，在所有

95、載波模塊都處于接收狀態(tài)時，電力線上就會全部被電器所產(chǎn)生的諧波所覆蓋，這時，模塊將解調(diào)出噪聲數(shù)據(jù)從TX端輸出。所以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)應(yīng)該引入同步碼以區(qū)分真正的傳送數(shù)據(jù)。</p><p>　　注意：在模塊發(fā)送緩存器（253字節(jié)）滿后不再接收新的數(shù)據(jù)。也就是一幀發(fā)送字節(jié)小于253個字節(jié)。用戶的一幀數(shù)據(jù)請連續(xù)不間斷的發(fā)送到模塊，如果停頓時間超過模塊已發(fā)送完所有的數(shù)據(jù)時間（緩存器空，最后一個字節(jié)已完全發(fā)送），接收方的模塊可能會

96、插入噪聲數(shù)據(jù)。</p><p>　　接收數(shù)據(jù)還是采用9600BPS異步方式，格式為1個起始位，8個數(shù)據(jù)位1個停止位格式，從TX送出，但是大約要每0.09秒左右發(fā)送一次。在自定義工作模式時也等同。</p><p>　　在自定義工作模式時：一幀傳送數(shù)據(jù)定義如下：</p><p>　　第一個字節(jié)：要傳送一幀的字節(jié)數(shù)0-250（不含第一個字節(jié)）</p><

97、;p>　　第二個字節(jié)到第n+1個字節(jié)：用戶需傳送的字節(jié)數(shù)據(jù)在模塊還沒發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時，不會接收下一幀數(shù)據(jù)。</p><p>　　接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)等同。</p><p>　　KQ-130F是專門針對交流220V/110V ,50HZ/60HZ強(qiáng)干擾設(shè)計的基于交流零點傳送方案的載波模塊,在市電上面具有傳送效果好，傳送距離遠(yuǎn)等特點。必須在有交流電源的情況下才能傳送數(shù)據(jù)，載波速率是50HZ

98、/100BPS，60HZ/120BPS我們通過優(yōu)化9個BIT可以傳送1個字節(jié)。在載波解調(diào)后做了數(shù)字濾波，提高其載波數(shù)據(jù)的抗干擾能力，速率越低效果越好。</p><p>　　圖5.3是通過電力載波模塊通信時MODE=0 低電平時：發(fā)送 08 01 02 03 04 05 06 78 89這些數(shù)據(jù)的效果圖，圖5.4是接收端接收的數(shù)據(jù)。</p><p>　　圖5.3 串口調(diào)試發(fā)送調(diào)試</p

99、><p>　　圖5.4 串口調(diào)試接收調(diào)試</p><p>　　5.4 VB界面設(shè)計 </p><p>　　如下圖5.5為vb上位機(jī)的界面設(shè)計，改界面主要包括以下幾個部分組成，分別是串口控制部分，溫度顯示部分，溫度設(shè)置部分，溫度報警顯示部分，AB路溫度曲線圖以及溫度數(shù)據(jù)的導(dǎo)出部分。上位機(jī)運(yùn)行時，先是對串口進(jìn)行配置部分，端口的選擇，設(shè)定固定的波特率9600bps，這個波特率

100、是電力載波模塊所固定的波特率，只有這樣才能通信。其次，就是設(shè)定AB兩路的報警溫度，然后就可以按“開始”按鈕。稍等五秒后，A路的溫度開始采集，然后是B通道溫度采集。</p><p>　　圖5.5 vb上位機(jī)界面設(shè)計圖</p><p>　　圖5.6為上位機(jī)的運(yùn)行時的界面圖，從圖中可以看出，當(dāng)AB兩路采集溫度時，在界面上分別顯示AB通道的當(dāng)前的溫度值，同時在曲線顯示界面，可以清楚的顯示AB路溫度

101、實時的溫度曲線的情況，這樣可以更方便的觀察水溫的變化。在上位機(jī)程序中，為了使曲線盡可能的平滑，降低電路噪聲干擾，在溫度采集初始化結(jié)束以后，對采集的溫度值進(jìn)行了處理，如果采集的溫度突然間；跳躍6度以上時，作為一個廢值來處理，上位機(jī)就重新發(fā)送指令給下位機(jī)，重新采集溫度，然后對采集的溫度值進(jìn)行處理。</p><p>　　圖5.6 上位機(jī)運(yùn)行效果圖</p><p>　　當(dāng)溫度超過所設(shè)置的溫度值，上

102、位機(jī)開始報警，“紅燈”亮起，同時發(fā)出警鳴聲，提示溫度值超標(biāo)。這時通過兩個溫度值的比較，上位機(jī)發(fā)送繼電器控制命令，控制繼電器斷開停止加熱。為了體現(xiàn)更加好的人機(jī)交互的功能，提供兩種控制繼電器的方式，第一種是手動的控制繼電器，這樣可以達(dá)到控制加熱器的目的；第二種方法是當(dāng)采集到的溫度超過設(shè)定的溫度的范圍時，上位機(jī)自動發(fā)送控制命令關(guān)閉繼電器，停止對加熱器進(jìn)行加熱。為了更加達(dá)到檢測的目的，可以實時的對數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，同時也可以選擇定時的對數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出

103、。如圖5.7為采集到溫度超設(shè)定值的運(yùn)行界面。</p><p>　　圖5.7 上位機(jī)采集溫度報警圖</p><p><b>　　6 調(diào)試與總結(jié)</b></p><p><b>　　6.1 調(diào)試</b></p><p>　　經(jīng)過測試，系統(tǒng)能正確穩(wěn)定的運(yùn)行，實現(xiàn)了通過電力載波將正確穩(wěn)定的信號傳輸?shù)奖O(jiān)測軟

104、件的功能，通過上位機(jī)能實現(xiàn)對水溫環(huán)境的實時監(jiān)測。但是鑒于時間和條件有限，本文還有一些問題需要改進(jìn)，需要進(jìn)一步深入研究使系統(tǒng)更加的完替。</p><p>　　(1)經(jīng)過測試采集節(jié)點與主節(jié)點之間電力線長度為50m時，節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與通訊均正常，該系統(tǒng)適用于一般情況下水溫環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。如果想要實現(xiàn)更遠(yuǎn)的通訊距離，可以多增加節(jié)點的方式進(jìn)行，本設(shè)計實現(xiàn)了兩個溫度節(jié)點監(jiān)控。而從節(jié)點與主節(jié)點也由于電力線上的脈沖噪聲干擾、等幅