基于电力载波的供暖温控系统

石　鑫，盛碧琦，王春雨（.镇江高等职业技术学校，江苏镇江2203；2.江苏大学电气学院，江苏镇江2203）

基于电力载波的供暖温控系统

石鑫1，盛碧琦1，王春雨2*
（1.镇江高等职业技术学校，江苏镇江212013；2.江苏大学电气学院，江苏镇江212013）

针对传统供暖温控器结构复杂、精度差、无法统计温度等问题，设计了一款基于电力载波的供暖温控系统。文中重点介绍了基于电力线载波的供暖温控系统的设计原理，并对整套系统硬件电路和软件进行了分析，并设计了相关电路进行试验验证。试验结果表明：文章所研究的供暖温控系统具有电路结构简单、精度高、成本低等优点，满足了供暖公司各项技术要求。

通信；电力载波；扩频技术；供暖温控系统；PL3106

随着社会的发展，有效的利用能源逐渐成为当今社会发展的主题。为了有效的提高能源的利用效率，北方供暖公司需要对各个区域温度进行有效的温度控制。传统供暖温控系统无法实现对各个区域温度控制和数据统计。为了解决上述问题，本课题设计了基于电力载波的供暖温控系统，供暖公司采用电力载波对温控器终端进行温度数据采集和恒温温度值控制［1-2］。

1　系统总体方案及工作原理

基于电力载波的供暖温控系统主要由电力载波、温度采集、时钟、电容按键、掉电保护等组成，如图1所示。

该系统通过热敏电阻对环境温度进行采样，再由PL3106内部的A/D模块对热敏电阻上的电压进行采样，PL3106根据环境温度对供暖电磁阀进行开关处理，从而维持当前环境温度值。同时LCD对当前环境温度和当前时间进行实时显示。当供暖公司需要采集某个区域温度时，系统可以通过对电力载波进行温度和时间采集［3-4］。

图1　电力载波温控系统的硬件框图

收稿日期：2015-07-14修改日期：2014-09-15

2　控制系统的硬件设计

供暖温控系统主要由电源模块、电力载波收发模块、A/D采样模块、LCD显示模块、电容按键模块等部分组成。

2.1电源模块

电源电路是供暖温控系统正常工作的基本保证，为了提高系统的抗干扰特性和电源的稳定性，系统设计了如图2所示电源电路。

其工作原理如下：图2中交流电源经过整流桥整流处理后进行滤波处理。为了降低整流后的直流电源电压值，系统选用THX202H芯片作为控制芯片，TH202H通过OC引脚对直流电源进行控制，当TH202H的OC引脚开关时，Q6初级线圈会形成很高的尖峰脉冲，为了保证系统的可靠性，系统采用电阻R15和电容C16组成的吸收回路对尖峰脉冲进行吸收保护处理。当输出电压增大时，TL431的反馈电压升高，使得TL431输出电压升高，从而关断U2光耦，TH202H的反馈引脚输入高电平，关断TH202H的OC引脚，降低开关电源的输出电压。相反，当输出电压降低后，反馈引脚电压变为低电平，使得OC引脚导通。因此，系统有效的保证了输出电压的稳定性。

图2　开关电源设计电路

2.2电力载波发送模块

由于电力线上存在较强的谐波噪声，为了保证系统的可靠性，系统需要设计一款高功率的电力载波通信系统。为了提高电力载波的通信的可靠性，系统采用推挽驱动电路［7］，如图3所示。其相比传统的单管驱动电路而言，该系统采用推挽输出，使得系统具有较高的输出功率，这有效的提高系统通信的可靠性和抗干扰能力。

图3　电力载波发送模块

电力载波推挽电路工作原理如下：当PL3106传输数据时，数据经过RC组成低通滤波电路输出到推挽电路上，再由推挽电路经过电容耦合到电力线上。为了保证电力载波通信的可靠性和稳定性，系统对输出电压进行钳位保护，经过上述处理，系统有效的提高了电力载波通信系统整体的可靠性。为了测试系统发送的可靠性，系统对降压耦合线圈T1进行波形检测，测试结果表明，系统成功发送数据。如图4、图5所示。

图4　电力载波发送耦合前

图5　电力载波发送耦合后

2.3电力载波接收模块

由于电力线进行数据传输过程中具有较多的实际问题，电力线主要是传输电力的，使得数据在电力线进行数据传输过程中具有较大的衰减，为了能够有效的接收到电力线上的数据，系统设计了如图6所示电路图，该电路原理如下［8］：当上位给终端设备进行传输数据时，电力线上耦合了数据信号，再由电容C9和电感L2组成的谐振电路进行数据采集。采集的数据在经过电容进行耦合到PL3106芯片中。为了保护电力载波接收电路的可靠性，系统采用D5和D6二极管进行钳位保护。图6中的电容C9和电感L2并联谐振工作在f=120 kHz，具有对120 kHz信号的选频作用，频率计算公式：）。

图6　电力载波接收模块

为了测量电力载波接收回路的可靠性，系统对谐振钱后波形进行测试，在谐振前，系统接收的波形如图7所示。由于电容C9和电感L2的作用，系统对120 kHz数据信号进行接收处理，谐振输出波形如图8所示。

图7　电力载波接收波形

图8　电力载波接收处理波形

2.4AD转换模块

由于系统需要实时测量环境温度，本系统利用热敏电阻的温度特性进行温度测量。系统采用PL3106内置的A/D转换芯片，定时采样热敏电阻的上的电压，再通过实现测量好的温度电压关系进行数据查表，得出当前温度。其相比于其他温度测量具有速度快、操作简单等优点。

2.5电容按键电路

对于一套电子仪表产品，键盘具有不可替代的作用，其不但易于实现而且价格低廉等优点。在供暖温控系统中需要设置系统参数和显示切换等功能，同时考虑到系统的面板整体布局和可操作性，系统采用JG5808N芯片设计了一款电容式操作键盘，其键盘分为8个独立按键，分别为选择按键、设定值按键、左右移动按键、加减按键以及确认按键，为了减少按键的使用个数，按键具有一键多用功能。电容触摸按键硬件连接图如图9所示。

图9　电容按键电路图

2.5掉电保护电路设计

在供暖温控系统中，为了增加系统的可靠性，系统设计了掉电保护功能，其掉检测电路实时采集交流电源，交流电检测电路通过光电耦合器从而产生周期性的脉冲信号。由于我国电网为50 Hz交流电，这使得脉冲信号存在一定的周期性，系统只需要在规定的时间内检测出脉冲信号便可以判断出是否掉电，掉电保护电路如图10所示。

图10　掉电保护电路

3　软件总体框架设计

对于一个可靠的系统而言，一个优秀的软件框架对系统而言至关重要的，系统采用多任务实时的软件框架，模块化编程设计思路，使得程序具有较强的移植性和可扩展性［5］。系统主流程图如图11所示。

图11　主程序流程图

4　实验结果及对比分析

为了测试基于电力载波供暖温控系统的可靠性，系统搭建了测试硬件电路，如图12所示。

图12　电力载波供暖温控系统实物图

在对电力载波供暖温控系统进行测试发现，利用热敏电阻的温度特性［6］，系统能够有效地测量环境温度，环境温度测量误差有效控制在±0.5%，各个温度记录如表1所示。

表1　测量结果分析

在对供暖温控系统通信距离进行测量时，将供暖温控系统应用到居民区，并对实验结果进行记录分析，电力载波传输距离如表2所示，实验数据表明，本系统能够满足电力载波通信各项技术要求。

表2　实验数据表

5　结论

文章提到的基于电力载波的供暖温控系统，分别从系统的硬件设计和软件设计阐述了其设计思路，解决了供暖公司不能对各家各户温度控制和温度数据采集等。文中采用电力载波进行数据传输，有效地降低了产品应用成本。该供暖温控系统并非完美，但本系统的具有安全性能高，电路设计简单，具有较高的推广应用价值。

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［8］ 朱艳华，田行军，李夏青.基于PL3105的病房呼叫系统设计［J］.北京石油化工学院学报，2009，17（2）：40.

石鑫（1980-），男，回族，高校讲师，工程硕士，江苏省镇江市人，镇江高等职业技术学校，研究方向为控制工程，shi9833010@sohu.com；

盛碧琦（1988-），女，汉族，博士，江苏省镇江市人，研究方向为低压电器产品研发，智能电器、仪表仪表等。

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