單片機典型案例開(kāi)發(fā)（四）

　一、基于STC單片機的智能LED路燈控制器設計

　　摘要：為了充分節約能源，提高路燈控制系統的智能化，介紹了一種基于STC 單片機的智能LED 路燈控制器，引入在線(xiàn)監測、PWM 和電力線(xiàn)載波通信技術(shù)，實(shí)踐應用效果良好，具有成本低、運行穩定的特點(diǎn)。本控制器對智能化路燈管理有很大幫助，應用前景廣闊。

　　當前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、價(jià)格上漲等已使得節約能源成為一項十分迫切的任務(wù)。各國消耗的能源中很大一部分用于照明，其中城市公共照明（主要是道路照明和景觀(guān)照明）在我國照明耗電中占30%.有資料顯示，每年用于照明的電力在3 000 億度以上，若采用LED 照明，每年就可以節約1/3 的照明用電，基本上相當于總投資規模超過(guò)2 000 億元的三峽工程的全年發(fā)電量。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，LED光源自然成為城市公共照明的首選，同時(shí)目前國內大部分城市的道路照明管理系統直至現在仍在沿用簡(jiǎn)單的光控、鐘控等傳統控制方式。這些系統普遍存在著(zhù)難以反饋路燈運行狀態(tài)信息、難以進(jìn)行遠程控制等局限，基本沒(méi)有節電效果，并且采用傳統的人工巡檢，不僅使路燈管理部門(mén)的任務(wù)繁重，也增加了運行維護的費用?？紤]到這些因素，本文針對LED 光源開(kāi)發(fā)了智能路燈控制器。結合LED 光源的特點(diǎn)，并引入了電力線(xiàn)載波通信技術(shù)，PWM 調光技術(shù)。

　　1 LED 技術(shù)概述

　　1.1 體積小而堅固耐用

　　LED 基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹(shù)脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內也沒(méi)有松動(dòng)的部分，不易損壞。

　　1.2 耗電量低

　　一般來(lái)說(shuō)LED 的工作電壓是2~3.6 V.工作電流是0.02~0.03 A.這就是說(shuō)：它消耗的電不超過(guò)0.1 W.

　　1.3 使用壽命長(cháng)

　　當光通量衰減到80%時(shí)，其壽命達到了25 000 h.而金屬鹵化物燈的壽命在6 000~12 000 h，高壓鈉燈的壽命是12 000 h.

　　1.4 調光功能

　　由于LED 的工作范圍較大，其光輸出和工作電流成正比，因此可以通過(guò)減小電流的方法來(lái)調光。LED 的調光還可以采用脈沖寬度調節的方法來(lái)得到，通過(guò)調節電壓的占空比和工作頻率，有效調節LED 的發(fā)光強度。

　　1.5 環(huán)保

　　LED 是由無(wú)毒的材料制成，不像熒光燈含水銀會(huì )造成污染，同時(shí)LED 也可以回收再利用。

　　1.6 光色、顯色性好

　　在中間視覺(jué)水平下，人眼在高色溫環(huán)境里比低色溫環(huán)境更容易辨別事物。白光LED 的顯色性也比高壓鈉燈好很多，高壓鈉燈的顯色指數只有20 左右，而白光LED 可以達到65~80.

　　2 系統的工作原理

　　智能LED 路燈控制器是作為智能路燈控制系統參考的一部分，主要由STC 單片機、采樣電路、載波收發(fā)模塊等組成。系統上位機的命令和控制器的反饋都通過(guò)載波模塊利用電力線(xiàn)進(jìn)行收發(fā)；路燈的電壓、電流由采樣電路實(shí)時(shí)采集；單片機實(shí)時(shí)處理采集的電壓、電流，進(jìn)行判斷處理，同時(shí)判斷執行上位機的指令，及時(shí)反饋路燈的信息。

　　3 硬件電路的設計

　　3.1 主要器件的選擇和相關(guān)的性能

　　STC12C5404AD 單片機是一款高速、寬電壓、低功耗的增強型8051 內核單片機，最高16 k 字節片內Flash 程序存儲器，512 字節片內RAM 數據存儲器。STC12C5404AD 有10 位ADC 通道捕獲/ 比較單元，6 個(gè)16 位定時(shí)器，硬件看門(mén)狗，高速SPI 通信端口，全雙工異步串行口，每個(gè)通用I/O 口驅動(dòng)能力均可達到20 mA.在線(xiàn)可編程，無(wú)需編程器，無(wú)需仿真器，可遠程升級，有效節約成本，方便客戶(hù)的各種應用。

　　PL2102 是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開(kāi)發(fā)的低壓電力線(xiàn)載波通信芯片。它僅由單一的+5 V 電源供電，以及一個(gè)外部的接口電路與電力線(xiàn)耦合。PL2102 除具備基本的通訊控制功能外，還內置了五種常用的功能電路：可數字頻率校正的實(shí)時(shí)鐘電路、32 Bytes SRAM、電壓監測、看門(mén)狗定時(shí)器及復位電路。它們通過(guò)標準的I2C 接口與外部的微處理器相聯(lián)，其中實(shí)時(shí)鐘與32 Bytes SRAM 在主電源掉電的情況下可由3 V 備用電池供電繼續保持工作。由于采用大規模數字/ 模擬混合0.35 μm CMOS 工藝制作，所以在抗干擾、抗衰落性能以及國內外同類(lèi)產(chǎn)品性能價(jià)格比等方面有著(zhù)出眾的表現。

　　3.2 通信技術(shù)特點(diǎn)

　　本控制器采用了主流的擴頻通信技術(shù)，有效提高了通信的可靠性，同時(shí)創(chuàng )造性的采用動(dòng)態(tài)路由算法，可靠的延長(cháng)了控制范圍。

　?。?）擴頻通信技術(shù)其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必須的最小帶寬。頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調制的方法來(lái)實(shí)現的，與所傳信息數據無(wú)關(guān)。接收端使用與發(fā)送端相同的擴頻碼進(jìn)行相關(guān)解調，恢復出所傳輸的信息。根據香農關(guān)于信道容量的理論：

　　C=WLog2（1 十P/N）。

　　式中：C 稱(chēng)為信道容量；W 是頻帶寬度；P/N 是信號與噪聲的功率比。此式說(shuō)明：在保持信息容量C 不變的條件下，可以有不同的W 和P/N，亦即，如果頻帶寬度變寬，信道的信噪可以比較低，而可以達到同樣的信道容量（有效的信息傳輸速率）。甚至，在信號被噪聲淹沒(méi)的情況下，只要相應地增加信號傳輸帶寬，也能夠達到可靠傳輸的目的。擴頻通信就是基于這一原理。

　?。?）動(dòng)態(tài)路由方法需要在集中器建立中心路由表和信息素表，各終端建立子路由表，集中器和所有終端都要建立各自的電氣距離表， 用來(lái)記錄與其能夠直接通信的其他終端的電氣距離。算法主要包含路由發(fā)現和路由維護兩部分，下面分別進(jìn)行描述。

　　路由發(fā)現，是指按一定的規則來(lái)尋找并發(fā)現路由，即路由邏輯樹(shù)的建立過(guò)程。集中器根據目的終端的回應信號建立中心路由表，其他終端通過(guò)接收或監聽(tīng)電力線(xiàn)上的信號，根據計算出的電氣距離值不斷地更新其電氣距離表，從而調整其可直達節點(diǎn)路由表。

　　載波信號從集中器出發(fā)，根據約束集的約束、信息素濃度τi，j以及問(wèn)題的啟發(fā)信息，按一定策略選擇下一終端，直至到達目標終端。同時(shí)載波信號按原路徑返回，回到集中器之后，對路徑質(zhì)量進(jìn)行評估， 采用全局更新規則對迭代或全局最優(yōu)路徑上的信息素濃度進(jìn)行更新。

　　由于電力線(xiàn)信道環(huán)境隨時(shí)間會(huì )發(fā)生緩慢的變化，信息素表中在較早時(shí)間里獲得的信息素會(huì )逐漸失去代表電力線(xiàn)信道當前環(huán)境狀況的效力，所以對其他路徑的信息素采取定期按照一定比例揮發(fā)的機制。同時(shí)為了避免搜索出現停滯現象，設定了路徑上信息素的濃度值的上、下限。當獲得的最優(yōu)路徑達到要求的精度時(shí)，認為本次路由發(fā)現完成。集中器通過(guò)不斷發(fā)出尋路信號，來(lái)完成各終端的路由發(fā)現過(guò)程，最終建立到達各終端的中心路由表。

　　算法中，載波信號在選擇下一個(gè)節點(diǎn)的時(shí)候，采用了氣距離作為約束的候選集策略，并結合了確定性隨機性的選路原則。首先，設定一個(gè)能正常通的電氣距離的閥值，當電氣距離大于這一閥值時(shí)，認為信道狀態(tài)較差，兩節點(diǎn)間不能直接通信。

　　從大量的實(shí)驗結果來(lái)看，最大可通信距離附近的節點(diǎn)在通信上并不穩定，不適合作為中繼使用，所以，在算法中選擇電氣距離為閥值的［1/2，3/4］這個(gè)區間上的節點(diǎn)作為下一節點(diǎn)的候選集。同時(shí)通過(guò)公式（1）作為下一節點(diǎn)的選擇策略。

　　式中：pi，j（t）為在第t 次迭代中，編號為i 的節點(diǎn)到編號為j 的節點(diǎn)的轉移概率；τi，j（t）為路徑（i，j）上的信息素強度；a 為信息素調整因子；ηi，j為節點(diǎn)i 到節點(diǎn)j 的電氣距離值；allowed 為載波信號下一跳候選節點(diǎn)集合；q 為在［0，1］區間隨機產(chǎn)生的服從均勻分布的隨機數；q0為載波信號選擇下一跳的概率度量閥值。當q≤q0時(shí)，載波信號選擇信息素最大的路徑節點(diǎn)作為下一跳節點(diǎn)，這就是確定性選擇策略，當q》q0時(shí)，根據公式（2），用賭輪法隨機選擇下一跳，這就是隨機性選擇策略。算法的確定性使選擇趨向于獲得最優(yōu)候選解，而隨機性則通過(guò)擾動(dòng)來(lái)發(fā)現新的解，防止陷入局部最優(yōu)。

　　路由維護是指當以前的路由變得無(wú)效時(shí)或為了尋找一條更加適合當前電力線(xiàn)狀況的更優(yōu)路由，需要對路由表進(jìn)行更新的過(guò)程。當集中器按照中心路由表中的路由向目標終端發(fā)送控制命令，由于該路由中某一路徑上的負載變大或受到強干擾而使通信失敗，則集中器在確認該路徑已經(jīng)不適合當前信道的情況下，將重新選擇路由或使用路由發(fā)現規則尋找到達目標節點(diǎn)的新路由。進(jìn)行路由維護的搜索過(guò)程是針對個(gè)別節點(diǎn)或局部區域節點(diǎn)進(jìn)行的，因此可以大大地節約時(shí)間。

3.3 電路設計

　　STC 單片機將路燈電壓、電流的現場(chǎng)數據進(jìn)行采集，利用單片機內部AD 進(jìn)行轉換并與正常的上下限值進(jìn)行比較得到路燈的運行狀態(tài)信息，判斷是否向上位機報警。STC 單片機的PWM 引腳輸出占空比可調的信號，直接控制LED 驅動(dòng)芯片，調節LED 光源的亮度，實(shí)現有效的節能。電力載波模塊將需要傳遞的信息利用電力線(xiàn)進(jìn)行收發(fā)?？刂破髡w結構見(jiàn)圖1.

　　圖1 整體結構

　　如圖2、圖3 所示，電壓、電流采集電路［3］分別通過(guò)電壓、電流互感器感應交流的電壓、電流，再通過(guò)I-V 互換得出相應電壓值。

　　圖2 電壓采集電路

　　圖3 電流采集電路

　　電力載波通信由PL2102 和STC 單片機配合操作完成，主要外圍電路有功率放大電路、濾波整形電路、耦合電路組成。電力載波通信主要電路組成見(jiàn)圖4.

　　圖4 載波電路

　　功率放大電路是用來(lái)將PL2102 芯片產(chǎn)生的載波調制信號進(jìn)行功率放大后耦合到電力線(xiàn)上。載波功能被使用后，載波信號由PSK-OUT 輸出，波形為0~5 V 變化的方波，包含豐富的諧波；經(jīng)過(guò)推挽電路進(jìn)行功率放大后，PSK-OUT 的方波信號被放大為IN 點(diǎn)信號。功率放大電路見(jiàn)圖5.

　　圖5 功率放大電路

　　圖7 中電感L1、電容C3 完成整形濾波后，再通過(guò)耦合線(xiàn)圈T1 耦合到低壓電力線(xiàn)上，雙向二極管D7 起保護作用。圖7 中包含接收回路部分。R3 在接收本地強發(fā)射信號時(shí)可以有效吸收衰減；電感L2、電容C6 組成并聯(lián)諧振回路，諧振以中心頻率為120 kHz 設計，完成對有效信號的帶通濾波；良好的選頻回路可以有效提高載波接收靈敏度。載波耦合及接收電路見(jiàn)圖6.

　　圖6 載波耦合及接收電路

　　4 路燈控制器的軟件設計

　　軟件程序使用C51 語(yǔ)言，采用模塊化方式編程。軟件主要由主程序、AD 采樣程序、PWM 程序、通信程序組成。

　　4.1 主程序

　　系統開(kāi)始工作后主程序首先對單片機內部及外部的資源初始化，然后依次調用各功能模塊程序。

　　4.2 A/D 采樣程序

　　A/D 采樣程序由主程序循環(huán)調用，每次對外部10 個(gè)模擬量采集12 次，經(jīng)由數字濾波后送到數據緩沖區，供其他程序使用。

　　4.3 PWM 程序

　　單片機將上位機命令解碼后，內部控制寄存器置位，啟動(dòng)可編程計數器陣列（PCA）/PWM 工作，輸出可調PWM，實(shí)現調光的功能。

4.4 通信程序

　　載波通信模塊提供透明數據傳輸通道，用戶(hù)通信的可靠性由用戶(hù)的通信協(xié)議保證。上位機通過(guò)載波通信模塊向路燈控制器發(fā)出命令，由STC 命令解碼后，置位相應的寄存器，實(shí)現對應功能。

　　主程序框圖、中斷程序流程圖見(jiàn)圖7、圖8.

　　圖7 主程序框圖

　　圖8 中斷程序流程圖

　　5 結論

　　智能LED 路燈控制器采用智能化設計，能夠可靠地對城市路燈進(jìn)行有效的數據采集，自動(dòng)判斷，自動(dòng)報警。同時(shí)它作為智能路燈系統的一部分，通過(guò)電力線(xiàn)載波通信技術(shù)與上位機方便地聯(lián)系，便捷地接收系統命令并且利用自有的PWM 功能對LED 光源進(jìn)行調光操作，達到節能要求，具有體積小，工作可靠，控制便捷的優(yōu)點(diǎn)。智能LED 路燈控制器如能推廣使用，會(huì )使城市路燈管理工作提高到一個(gè)新的水平，不但節約能源，同時(shí)也可減少照明燈具的損耗，因此具有廣泛的推廣前景。

　　由圖7 所示的脈沖信號控制IGBT 導通和關(guān)斷，在負載兩端產(chǎn)生等效于圖4 的電壓，從而使電感L 上的電壓如圖8 所示，最終產(chǎn)生的電流波形如圖9.可以看出，電流波形為線(xiàn)性度良好的三角波。通過(guò)實(shí)驗驗證得到的數據與理論分析結果相一致，證明了該系統的正確性和可行性。

　　二、基于Web的單片機遠程監控系統設計方案

　　摘 要：傳統的遠程監控系統一般采用C/S 模型的方式，針對大型設備，成本高。文章采用SOC 芯片C8051F020 和10M 自適應網(wǎng)絡(luò )芯片RTL8019AS 接口的方案，在單片機中嵌入了精簡(jiǎn)的TCP/IP 協(xié)議棧，構建了基于Web 的單片機遠程監控系統軟、硬件平臺，在此基礎上實(shí)現了基于單片機的數據采集和遠程監控，所實(shí)現的系統具有成本低廉、操作方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

　　1. 引言

　　單片機系統以其簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，在工業(yè)控制和日常生活中應用越來(lái)越廣泛。目前大多數單片機系統是以51 單片機為核心，與檢測、伺服、顯示設備配合起來(lái)實(shí)現監控功能。