路燈節(jié)能控制系統(tǒng)

廖　赟　胡健生　黃金志　呂春書

摘要：本文描述了一個自動化路燈節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，該系統(tǒng)包括了一個PC機與MSC51通信接口、MSC51與MT8880芯片接口模塊與遠(yuǎn)端指令接收子系統(tǒng)。文中主要討論了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，系統(tǒng)關(guān)鍵部件的軟、硬件設(shè)計與實現(xiàn)，并對RS-232、MSC51的串行通信、MT8880芯片的應(yīng)用、Delphi串口通信作了重點的介紹。

隨著社會的發(fā)展，能源問題日益引起各國甚至整個人類的密切關(guān)注，能源危機成為人類面臨的主要危機，特別是我國的電力能源近年來日益顯得吃緊，電力緊張成為各大城市生產(chǎn)、生活的絆腳石，甚至嚴(yán)重影響到我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會文明的進(jìn)步。

目前各大城市的交通路燈的能源利用率存在一個普遍的問題，這就是路燈的能源利用率不高，特別是子夜過后，交通道上的車輛與行人較為稀少，交通道上的路燈沒有必要全部打開，可以適當(dāng)關(guān)閉部分路燈，如隔一個開一個，對于車輛與行人特別稀的交通道路則可以關(guān)閉更多的路燈。我們推算出從午夜開始隔燈關(guān)閉可以節(jié)省電能近40％，對于大中城市來說，每年可節(jié)約幾百萬元路燈電費。本文設(shè)計了基于自動化技術(shù)的路燈節(jié)能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有三個特點：一是該系統(tǒng)的成本較低，但實用價值很高；第二是采用的技術(shù)較為先進(jìn)而且成熟，從而可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；第三是該系統(tǒng)是一個覆蓋面較廣的基于電力網(wǎng)的通信網(wǎng)，分布節(jié)點具有分散性，控制中心對各節(jié)點具有定位功能。另外對系統(tǒng)應(yīng)用要求不是很高，環(huán)境的適應(yīng)能力與抗干擾能力較強。

系統(tǒng)的組成與工作原理

1．系統(tǒng)總體框架設(shè)計

基于自動化技術(shù)的路燈節(jié)能系統(tǒng)的總體框架系統(tǒng)分為控制中心、遠(yuǎn)端指令接收器、控制中心與電力網(wǎng)接口三個部分。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

控制中心以易于操作、交互性好的Windows平臺實行可視化監(jiān)控管理，從而實現(xiàn)實時可視化遠(yuǎn)程控制，為進(jìn)一步提高自動化水平，可通過軟件的設(shè)定達(dá)到自動控制。控制中心發(fā)出的控制指令通過電力網(wǎng)進(jìn)行傳輸，這樣最大的好處就是可以最大程度地減少對現(xiàn)有電力網(wǎng)的改造，最大限度地減少資源的開銷，為了使從控制中心中的計算機發(fā)出的控制信號能夠接入電力網(wǎng)，必須在計算機與電力網(wǎng)之間接入一個匹配接口，這個接口采用計算機的標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232串口與單片機相連接，通過單片機連接的優(yōu)點是一方面使得計算機的數(shù)字自動控制指令具有較高的靈活性與可擴(kuò)展性；另一方面對于控制指令信號加載到電力網(wǎng)上具有較好的適配作用。本設(shè)計中通過單片機控制MT8880雙音頻信號（DTMF）發(fā)生器，將音頻信號加載到電力網(wǎng)上的優(yōu)點是一方面音頻信息對電力系統(tǒng)的影響幾乎為零，另一方面是對遠(yuǎn)端指令接收器的設(shè)計與實現(xiàn)起到最大的簡化作用，最大限度地降低成本。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于圖1的總體設(shè)計框架與設(shè)計思想，基于自動化技術(shù)的路燈節(jié)能系統(tǒng)的整體詳細(xì)設(shè)計如圖2。下面就具體部件進(jìn)行介紹：

（1）RS-232接口計算機I/O接口根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式不同可分為并行總線接口和串行總線接口兩大類。并行口速度快、實時性好，但是占用的線多，較為復(fù)雜，如IEEE-488、ISA、PCI等。而串口一般速度較慢，但簡單、靈活、方便，如RS-232 、USB和IEEE-1394等。在本系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點與實際運用領(lǐng)域，運用RS-232較為科學(xué)，這是因為此系統(tǒng)所要求的實時性并不是很強，而且根據(jù)電力網(wǎng)的線路特點，其指令信號傳輸線只用兩根。另外RS-232應(yīng)用廣泛，在現(xiàn)代的計算機中已經(jīng)是一種標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，幾乎每一臺計算機都有一個或多個RS-232端口，而且串口設(shè)備與單片機這種高性價比控制部件的聯(lián)接實現(xiàn)起來具有方便快捷的特性。RS-232接口引腳說明如表1所示。

（2）MCS51單片機部件本系統(tǒng)設(shè)計采用性價比較高的89C2051，它是是一種采用了MCS-51型系列單片機的核心和匯編語言的高性價比單片機。

系統(tǒng)開發(fā)方式與所用工具

本系統(tǒng)采用二次開發(fā)，結(jié)合89C2051單片機開發(fā)，選擇可視化快速開發(fā)工具Delphi作為開發(fā)平臺，系統(tǒng)中的指令信號與監(jiān)控信號的傳輸通過計算機的串口，為加速開發(fā)進(jìn)程，本設(shè)計選擇第三方組件MSComm控件作為串口通信控件。

1．指令信號傳輸方式與MT8880介紹

（1）指令信號傳輸方式 考慮到本系統(tǒng)的信號傳輸是加載到電力系統(tǒng)上進(jìn)行傳輸?shù)模员鞠到y(tǒng)采用雙音多頻信號（DTMF）作為傳輸信號，DTMF是由一組低音頻信號和一組高音頻信號以一定方式的組合構(gòu)成，每組音頻信號各有4個音頻信號，而每種組合有一個高音頻信號和一個低音頻信號，共16種組合，具有很強的抗干擾能力。

如果用合適的采樣頻率對這個信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，則很容易計算出每一個采樣點的A／D值，而如果將這些采樣值形成一張表，在單片機里用同樣的采樣頻率將這張表中的數(shù)值用D／A轉(zhuǎn)換器輸出，就是雙音頻信號。在實際應(yīng)用中常用1 b的DM編碼來實現(xiàn)A／D和D／A過程，其中A／D過程可以在PC機上完成，用程序生成對應(yīng)每一個 DTMF信號的DM編碼表，D／A過程在單片機上完成。與單音編碼不同，DTMF信號是采用八中取二的方式來構(gòu)成一個音頻信號，可抗虛假信號的干擾，所以應(yīng)用范圍特別廣泛。

（2）MT8880 MT8880是一個帶有呼叫處理濾波器(call progress filter)的單片DTMF收發(fā)器，它功耗低，可靠性高。MT8880中的DTMF收號器是基于單片收號器MT8870工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能接收全部16個DIMF信號，DTMF發(fā)送器采用開關(guān)電容D/A變換器，信號失真小、精度高，定時精確。MT8880有DTMF和呼叫處理(CP)兩種工作模式。當(dāng)選擇了呼叫處理模式時，MT8880就用于檢測電話網(wǎng)上電話呼叫過程中表示不同進(jìn)程的信號音(主要是撥號音，撥號音的標(biāo)準(zhǔn)頻率為350 Hz或440 Hz)，可以進(jìn)行撥號音識別。這是目前其他DTMF芯片所不具備的，這樣便可省去一套復(fù)雜的撥號音識別電路。MT8880的引腳圖如圖3所示，引腳說明如表2所示。其中，GS ：用于輸入信號的增益高速；IRQ / CP：向MCU的中斷申請，當(dāng)選擇了呼叫處理模式時，輸入信號線上有呼叫信號時輸出與之相應(yīng)的方波信號；EST：當(dāng)檢測到有效音頻對時(也稱信號條件Signal condition )，就變?yōu)楦唠娖剑盘枟l件不滿足時又立刻返回低電平。此引腳上為高電平不一定表示有DTMF信號，話音信號也會偶然產(chǎn)生有效音頻對；SGTI：當(dāng)電壓高于VTST，就保存檢測到的音頻對，同時更新輸出鎖存器的內(nèi)容。當(dāng)電壓低于VTST時，芯片就可以重新接收新的音頻，對Gt的輸出對滯后時間常數(shù)(steering timeconstant)有影響，它的狀態(tài)是EST和加到St的電壓的函數(shù)。

2．軟件集成控件MSComm簡介

目前，用Delphi實現(xiàn)串口通信的常用方法有三種：一是利用控件，如SPComm控件和MSComm控件；二是使用Windows API函數(shù)；三是調(diào)用其它串口通信程序。其中利用Windows API函數(shù)編寫串口通信程序較為復(fù)雜，需要掌握大量的通信知識。相比較而言，利用MSComm控件則相對較為簡單，并且該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性，提供了對串口的各種操作，而且還支持多線程。

(1)屬性

Commport屬性，這一屬性用于設(shè)置返回連接的串行端口號，Windows將會利用該串口和外界通信。在設(shè)計時， nNewValue可以設(shè)置成從1~16的任何數(shù)（默認(rèn)值為1）。但是如果用PortOpen屬性打開一個并不存在的端口時，MSComm控件會產(chǎn)生錯誤68（設(shè)備無效）。