石　鑫，盛碧琦，王春雨（.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江2203；2.江蘇大學(xué)電氣學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江2203）

基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)

石鑫1，盛碧琦1，王春雨2*
（1.鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.江蘇大學(xué)電氣學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013）

針對傳統(tǒng)供暖溫控器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度差、無法統(tǒng)計(jì)溫度等問題，設(shè)計(jì)了一款基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)。文中重點(diǎn)介紹了基于電力線載波的供暖溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，并對整套系統(tǒng)硬件電路和軟件進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了相關(guān)電路進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：文章所研究的供暖溫控系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，滿足了供暖公司各項(xiàng)技術(shù)要求。

通信；電力載波；擴(kuò)頻技術(shù)；供暖溫控系統(tǒng)；PL3106

隨著社會的發(fā)展，有效的利用能源逐漸成為當(dāng)今社會發(fā)展的主題。為了有效的提高能源的利用效率，北方供暖公司需要對各個區(qū)域溫度進(jìn)行有效的溫度控制。傳統(tǒng)供暖溫控系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對各個區(qū)域溫度控制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。為了解決上述問題，本課題設(shè)計(jì)了基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)，供暖公司采用電力載波對溫控器終端進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和恒溫溫度值控制［1-2］。

1　系統(tǒng)總體方案及工作原理

基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)主要由電力載波、溫度采集、時鐘、電容按鍵、掉電保護(hù)等組成，如圖1所示。

該系統(tǒng)通過熱敏電阻對環(huán)境溫度進(jìn)行采樣，再由PL3106內(nèi)部的A/D模塊對熱敏電阻上的電壓進(jìn)行采樣，PL3106根據(jù)環(huán)境溫度對供暖電磁閥進(jìn)行開關(guān)處理，從而維持當(dāng)前環(huán)境溫度值。同時LCD對當(dāng)前環(huán)境溫度和當(dāng)前時間進(jìn)行實(shí)時顯示。當(dāng)供暖公司需要采集某個區(qū)域溫度時，系統(tǒng)可以通過對電力載波進(jìn)行溫度和時間采集［3-4］。

圖1　電力載波溫控系統(tǒng)的硬件框圖

收稿日期：2015-07-14修改日期：2014-09-15

2　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

供暖溫控系統(tǒng)主要由電源模塊、電力載波收發(fā)模塊、A/D采樣模塊、LCD顯示模塊、電容按鍵模塊等部分組成。

2.1電源模塊

電源電路是供暖溫控系統(tǒng)正常工作的基本保證，為了提高系統(tǒng)的抗干擾特性和電源的穩(wěn)定性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖2所示電源電路。

其工作原理如下：圖2中交流電源經(jīng)過整流橋整流處理后進(jìn)行濾波處理。為了降低整流后的直流電源電壓值，系統(tǒng)選用THX202H芯片作為控制芯片，TH202H通過OC引腳對直流電源進(jìn)行控制，當(dāng)TH202H的OC引腳開關(guān)時，Q6初級線圈會形成很高的尖峰脈沖，為了保證系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)采用電阻R15和電容C16組成的吸收回路對尖峰脈沖進(jìn)行吸收保護(hù)處理。當(dāng)輸出電壓增大時，TL431的反饋電壓升高，使得TL431輸出電壓升高，從而關(guān)斷U2光耦，TH202H的反饋引腳輸入高電平，關(guān)斷TH202H的OC引腳，降低開關(guān)電源的輸出電壓。相反，當(dāng)輸出電壓降低后，反饋引腳電壓變?yōu)榈碗娖?，使得OC引腳導(dǎo)通。因此，系統(tǒng)有效的保證了輸出電壓的穩(wěn)定性。

圖2　開關(guān)電源設(shè)計(jì)電路

2.2電力載波發(fā)送模塊

由于電力線上存在較強(qiáng)的諧波噪聲，為了保證系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一款高功率的電力載波通信系統(tǒng)。為了提高電力載波的通信的可靠性，系統(tǒng)采用推挽驅(qū)動電路［7］，如圖3所示。其相比傳統(tǒng)的單管驅(qū)動電路而言，該系統(tǒng)采用推挽輸出，使得系統(tǒng)具有較高的輸出功率，這有效的提高系統(tǒng)通信的可靠性和抗干擾能力。

圖3　電力載波發(fā)送模塊

電力載波推挽電路工作原理如下：當(dāng)PL3106傳輸數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)經(jīng)過RC組成低通濾波電路輸出到推挽電路上，再由推挽電路經(jīng)過電容耦合到電力線上。為了保證電力載波通信的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)對輸出電壓進(jìn)行鉗位保護(hù)，經(jīng)過上述處理，系統(tǒng)有效的提高了電力載波通信系統(tǒng)整體的可靠性。為了測試系統(tǒng)發(fā)送的可靠性，系統(tǒng)對降壓耦合線圈T1進(jìn)行波形檢測，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)成功發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖4、圖5所示。

圖4　電力載波發(fā)送耦合前

圖5　電力載波發(fā)送耦合后

2.3電力載波接收模塊

由于電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中具有較多的實(shí)際問題，電力線主要是傳輸電力的，使得數(shù)據(jù)在電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過程中具有較大的衰減，為了能夠有效的接收到電力線上的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖6所示電路圖，該電路原理如下［8］：當(dāng)上位給終端設(shè)備進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)時，電力線上耦合了數(shù)據(jù)信號，再由電容C9和電感L2組成的諧振電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)在經(jīng)過電容進(jìn)行耦合到PL3106芯片中。為了保護(hù)電力載波接收電路的可靠性，系統(tǒng)采用D5和D6二極管進(jìn)行鉗位保護(hù)。圖6中的電容C9和電感L2并聯(lián)諧振工作在f=120 kHz，具有對120 kHz信號的選頻作用，頻率計(jì)算公式：）。

圖6　電力載波接收模塊

為了測量電力載波接收回路的可靠性，系統(tǒng)對諧振錢后波形進(jìn)行測試，在諧振前，系統(tǒng)接收的波形如圖7所示。由于電容C9和電感L2的作用，系統(tǒng)對120 kHz數(shù)據(jù)信號進(jìn)行接收處理，諧振輸出波形如圖8所示。

圖7　電力載波接收波形

圖8　電力載波接收處理波形

2.4AD轉(zhuǎn)換模塊

由于系統(tǒng)需要實(shí)時測量環(huán)境溫度，本系統(tǒng)利用熱敏電阻的溫度特性進(jìn)行溫度測量。系統(tǒng)采用PL3106內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換芯片，定時采樣熱敏電阻的上的電壓，再通過實(shí)現(xiàn)測量好的溫度電壓關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)查表，得出當(dāng)前溫度。其相比于其他溫度測量具有速度快、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2.5電容按鍵電路

對于一套電子儀表產(chǎn)品，鍵盤具有不可替代的作用，其不但易于實(shí)現(xiàn)而且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。在供暖溫控系統(tǒng)中需要設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和顯示切換等功能，同時考慮到系統(tǒng)的面板整體布局和可操作性，系統(tǒng)采用JG5808N芯片設(shè)計(jì)了一款電容式操作鍵盤，其鍵盤分為8個獨(dú)立按鍵，分別為選擇按鍵、設(shè)定值按鍵、左右移動按鍵、加減按鍵以及確認(rèn)按鍵，為了減少按鍵的使用個數(shù)，按鍵具有一鍵多用功能。電容觸摸按鍵硬件連接圖如圖9所示。

圖9　電容按鍵電路圖

2.5掉電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在供暖溫控系統(tǒng)中，為了增加系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)功能，其掉檢測電路實(shí)時采集交流電源，交流電檢測電路通過光電耦合器從而產(chǎn)生周期性的脈沖信號。由于我國電網(wǎng)為50 Hz交流電，這使得脈沖信號存在一定的周期性，系統(tǒng)只需要在規(guī)定的時間內(nèi)檢測出脈沖信號便可以判斷出是否掉電，掉電保護(hù)電路如圖10所示。

圖10　掉電保護(hù)電路

3　軟件總體框架設(shè)計(jì)

對于一個可靠的系統(tǒng)而言，一個優(yōu)秀的軟件框架對系統(tǒng)而言至關(guān)重要的，系統(tǒng)采用多任務(wù)實(shí)時的軟件框架，模塊化編程設(shè)計(jì)思路，使得程序具有較強(qiáng)的移植性和可擴(kuò)展性［5］。系統(tǒng)主流程圖如圖11所示。

圖11　主程序流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對比分析

為了測試基于電力載波供暖溫控系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)搭建了測試硬件電路，如圖12所示。

圖12　電力載波供暖溫控系統(tǒng)實(shí)物圖

在對電力載波供暖溫控系統(tǒng)進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，利用熱敏電阻的溫度特性［6］，系統(tǒng)能夠有效地測量環(huán)境溫度，環(huán)境溫度測量誤差有效控制在±0.5%，各個溫度記錄如表1所示。

表1　測量結(jié)果分析

在對供暖溫控系統(tǒng)通信距離進(jìn)行測量時，將供暖溫控系統(tǒng)應(yīng)用到居民區(qū)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄分析，電力載波傳輸距離如表2所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)能夠滿足電力載波通信各項(xiàng)技術(shù)要求。

表2　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5　結(jié)論

文章提到的基于電力載波的供暖溫控系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)闡述了其設(shè)計(jì)思路，解決了供暖公司不能對各家各戶溫度控制和溫度數(shù)據(jù)采集等。文中采用電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效地降低了產(chǎn)品應(yīng)用成本。該供暖溫控系統(tǒng)并非完美，但本系統(tǒng)的具有安全性能高，電路設(shè)計(jì)簡單，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］ 徐洪峰，高明煜，徐杰.電力載波通信在灶具與油煙機(jī)協(xié)調(diào)控制器中的應(yīng)用［J］.電子器件，2009，32（5）：950.

［2］ 陸志遠(yuǎn).基于電力載波的溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.寧夏大學(xué)，2013.

［3］ 張瑞紅.基于PL3105的低壓電力線載波通信硬件設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2004，12（5）：123.

［4］ 馬學(xué)文，朱名日.X-10在智能家居應(yīng)用中干擾問題的研究［J］.電子器件，2004，27（2）：261.

［5］ 王思彤，袁瑞銘，孫志杰.低壓電力載波技術(shù)及其在抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電測與儀表，2008，45（507）：31.

［6］ 楊波，秦會斌，毛祥根，等.基于PL3106的室內(nèi)調(diào)光控制系統(tǒng)［J］.電子器件，2014，37（4）：679.

［7］ 馬潮.高檔8位單片機(jī)ATmega128原理與開發(fā)應(yīng)用指南［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004：265-273.

［8］ 朱艷華，田行軍，李夏青.基于PL3105的病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，17（2）：40.

石鑫（1980-），男，回族，高校講師，工程碩士，江蘇省鎮(zhèn)江市人，鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，研究方向?yàn)榭刂乒こ?，shi9833010@sohu.com；

盛碧琦（1988-），女，漢族，博士，江蘇省鎮(zhèn)江市人，研究方向?yàn)榈蛪弘娖鳟a(chǎn)品研發(fā)，智能電器、儀表儀表等。

The Heating Temperature Control System Based on Power Line Carrier

SHI Xin1，SHENG Biqi1，WANG Chunyu2*
（1.Zhenjiang Vocational Technical College，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；2.Electric college，Jiangsu Univesity，Zhenjiang Jiangsu 212013，China）

A heating temperature control system is presentd based on power line carrier against the problems of complex structure，low accuracy and unable to count temperature of traditional heating thermostat.The design principle of heating temperature control system based on power line carrier is highlighted and the whole hardware and software system is analyzed，then we designed a related circuitry to test the experiment.The result of experiments shows that the heating temperature control system designed has many advantages，such as simple circuit structure，high precision and low cost，and it satisfied the requirements of various technical indexes of heating company.

communication；power line carrier；spread spectrum technology；heating temperature control system；PL3106

TP913.6

A

1005-9490（2016）03-0732-05

EEACC：852010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.045