導語：如何才能寫好一篇家庭電路設計方案，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；傳感器；智能住宅；CGI；web

1.智能住宅的發(fā)展前景

智能家居又稱智能住宅，國外常用Smart Home表示。

智能家居是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。

智能家居集成是利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設備集成。以下是智能家居能實現(xiàn)的功能和提供的服務：

1、始終在線的網(wǎng)絡服務，與互聯(lián)網(wǎng)隨時相連，為在家辦公提供了方便條件。

2、安全防范：智能安防可以實時監(jiān)控非法闖入、火災、緊急呼救，系統(tǒng)會自動向中心發(fā)出報警信息，同時啟動相關(guān)電器進入應急聯(lián)動狀態(tài)，從而實現(xiàn)主動防范。

3、家電的智能控制和遠程控制，如對燈光照明進行場景設置和遠程控制、電器的自動控制和遠程控制等。

4、交互式智能控制：可以通過語音識別技術(shù)實現(xiàn)智能家電的聲控功能；通過各種主動式傳感器（如溫度、聲音、動作等）實現(xiàn)智能家居的主動性動作響應。

5、環(huán)境自動控制。如家庭中央空調(diào)系統(tǒng)。

6、提供全方位家庭娛樂。如家庭影院系統(tǒng)和家庭中央背景音樂系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)硬件詳細設計方案

主要方案為以NCAP模塊和STM模塊為主要硬件電路。其中包括存儲器電路設計、以太網(wǎng)接口電路設計、CAN接口電路設計、A/D轉(zhuǎn)化電路設計、壓力傳感器電路設計等。網(wǎng)絡化接口方案可利用硬件芯片實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。

2.1嵌入式Web服務器的處理器

處理器采用三星公司的ARM9處理器S3C2440。通過外擴存儲器SDRAM和NANDFLASH、以太網(wǎng)接口、串口、JTAG調(diào)試端口等構(gòu)建成服務器硬件平臺。其中網(wǎng)絡接口采用DM9000網(wǎng)卡芯片。服務器通過串口與協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)交互。

2.2外部傳感器

具體的嵌入式Web傳感器是基于某個特定的基本傳感器來實現(xiàn)的。我們選用了AD590 模擬溫度傳感器，設計并實現(xiàn)嵌入式Web溫度傳感器的軟件系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)軟件詳細設計方案

3.1嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧移植

本設計主要實現(xiàn)ARP、IP、ICMP、TCP協(xié)議。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸是采用MAC地址來識別的，而ARP協(xié)議提供IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用MAC地址之間的轉(zhuǎn)換功能，為了保證系統(tǒng)在以太網(wǎng)的通信，首先要實現(xiàn)ARP協(xié)議。Web服務器同Web瀏覽器之間的通信是通過HTTP協(xié)議實現(xiàn)的，在傳輸層采用TCP協(xié)議，能保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸，進而實現(xiàn)其基礎(chǔ)之上的HTTP協(xié)議[1]。HTTP是WWW的核心協(xié)議。HTTP是一個屬于應用層的面向?qū)ο蟮膮f(xié)議。HTTP協(xié)議有兩項功能，即傳輸文件和實現(xiàn)動態(tài)交互應用。在Linux內(nèi)核中配置TCP/IP協(xié)議棧，進入內(nèi)核目錄中執(zhí)行make menuconfig，選擇Netwoking suppt并進入，進入netwking options子目錄，選中 TCP/IP netwking 選項，然后選擇IP：kernel level autoconfiguration 及BOOTP suppt和RARP suppt即可完成TCP/IP的配置。

3.2 嵌入式Web服務器移植

系統(tǒng)上電后Web服務器就自動運行，

并時刻監(jiān)聽端口。本設計采用嵌入式Web服務器boa。b移植步驟如下：1） 編譯boa。下載Boa0.94.13 版本源碼，將其解壓并進入源碼目錄的src 子目錄執(zhí)行/boa/src/configure 生成Makefile 文件，修改Makefile 文件的CC 和CPP 的編譯器為交叉編譯器。然后執(zhí)行make 命令，得到可執(zhí)行程序boa。2） 配置boa。修改boa.conf 文件，完成boa 的配置，使其能夠支持CGI 程序的執(zhí)行。3） 將boa 和boa.conf 文件下載到嵌入式Linux 中。本設計分別把boa 和boa.conf 文件下載到/bin 和/etc/boa/目錄下。

3.3 CGI腳本編譯

CGI全稱是“公共網(wǎng)關(guān)接口”（Common Gateway Interface），CGI建立在客戶機/服務器機制上，為外部擴展應用程序與Web服務器交互提供了一個標準接口。其主要功能是在Web環(huán)境下，從客戶端傳送一些信息給Web服務器，Web服務器把接收到的有關(guān)信息放入環(huán)境變量，然后再去啟動所指定的CGI腳本以完成特定的工作，CGI腳本從環(huán)境變量中獲取相關(guān)信息來運行，最后以HTML格式輸出相應的執(zhí)行結(jié)果返回給瀏覽器端[2]。

CGI應用程序讀取從嵌入式Web服務器傳遞來的各種信息，并對客戶端的請求進行解釋和處理，設計中主要啟動串口數(shù)據(jù)通信進程，從串口發(fā)送數(shù)據(jù)到ZigBee協(xié)調(diào)器。最后CGI應用程序會將處理結(jié)果按照CGI規(guī)范返回給嵌入式Web服務器，Web服務器會對CGI應用程序的處理結(jié)果進行解析，并在此基礎(chǔ)上生成HTTP響應信息返回給客戶端瀏覽器[3]。編寫相應的靜態(tài)HTML 文件，然后編寫CGI 腳本文件，實現(xiàn)對設備的控制和數(shù)據(jù)的采集。本設計采用C 語言編寫CGI 腳本，窗體以GET 方法將用戶提交的數(shù)據(jù)傳遞給CGI 程序，最后保存為.c 文件。然后用交叉編譯命令arm-linux-gcc 生成能夠在ARM 中運行的CGI程序。靜態(tài)網(wǎng)頁HTML 文件存放于/www/目錄下，CGI 程序放在/www/cgi-bin/目錄下。整個軟件系統(tǒng)移植完畢后，在瀏覽器中輸入ARM 板中的IP 地址就可以訪問了。

4.方案分析

在本課題前期的研究過程中，全體成員均增強了對“智能住宅”的理解，對“智能住宅”的內(nèi)涵、中長期的發(fā)展前景以及在當前時代背景下所面臨的困難和挑戰(zhàn)都有了進一步的認識。團隊成員熟練掌握了在Linux環(huán)境下上層應用軟件的開發(fā)，外設接口驅(qū)動開發(fā)、跨平臺移植、Bootloader代碼分析與移植、以太網(wǎng)燒寫工具代碼分析與移植。

我組全體成員對于利用嵌入式ARM9進行數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡傳輸操作，在智能傳感器的基礎(chǔ)上把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式應用，嵌入現(xiàn)成智能服務器的ROM中，利用傳感器內(nèi)建的Web服務器，用戶可以通過瀏覽器采集遠程監(jiān)控對象的信息，在網(wǎng)絡中查到設備采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡化的整個流程有了更深的了解。

該技術(shù)應用前景廣闊，在未來的智能住宅中必將有廣泛的應用。

參考文獻：

[1]劉武超.嵌入式家居監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計

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關(guān)鍵詞：滅火機器人；stm32F103VCT6Mini；設計

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.210

1 實現(xiàn)功能與設計方案

我們想制作一個可以全自動運作的機器人，它可以在任何地方識別地形，自主完成滅火工作。要想完成這個工作需要考慮很多方面。比如地面摩擦、機器人電機的轉(zhuǎn)速差、各個齒輪間的摩擦等多個因素，我們用一個小屋來模擬現(xiàn)實家庭中機器人處理火警的過程，蠟燭代表家里燃起的火源，機器人必須找到并熄滅它。

針對以上的實現(xiàn)功能，我們打算設計一個一輛兩個大輪轉(zhuǎn)動，兩的萬向輪配合使用的車子，滅火工具在經(jīng)過討論之后，我們打算使用風扇這樣一個相對難度較低的滅火器件。

2 機器人設計制作原理

滅火機器人主要以stm32為控制核心，他通過紅外火焰?zhèn)鞲衅鞔_定火災位置，通過紅外傳感與地面灰度傳感器進行地形識別，我們采用雙電機驅(qū)動來使其運動。通過無線藍牙模塊啟動小車后，機器人沿著場地里的右面墻壁行走，當搜尋到有蠟燭的房間時，紅外傳感器電壓會變低，低于設定好的電頻值，單片機接受信號，驅(qū)動電機，完成滅火。

3 模擬房子介紹

我們用的模擬場地的墻壁33cm高，材質(zhì)為木頭與金屬。所有地板為黑色的金屬地板。墻壁為白色木質(zhì)板。為了更加形象，我們在地板、門口鋪設地毯，模擬家庭。場地中所有的走廊和門口寬都是46cm，我們采用2.5cm寬的金屬標識表示房間入口。

4 系統(tǒng)硬件設計

我們設計的目的是設計一個在規(guī)定區(qū)域能自主搜索火源并實施滅火的智能機器人小車，本次設計使用的主控芯片使用了stm32單片機，我們有它完整的庫，所以程序編寫方面不成問題，主要工作是設計驅(qū)動跟改善機械結(jié)構(gòu)上。

機器人機械部分安裝及改造：我們采用3D打印技術(shù)一次性打印出車體的框架。在電路板方面，我們用AD將穩(wěn)壓模塊，電機驅(qū)動，stm32芯片全都集成到了一個板子上，節(jié)省了車體空間。因為是用3D打印的車體，所以車體堅固，重量小，便于其轉(zhuǎn)彎，提速。

傳感器的設計安裝、系統(tǒng)電路板的固定及連接：我們把五個紅外管放在底盤上面，三個大致岔開60度，車體后面安裝了兩個大致岔開120度的紅外對管。這樣能夠使探測的范圍更大，有利于對墻壁的探測。系統(tǒng)電路板用銅柱架空，為了達到滅火的高度，將風扇和火焰?zhèn)鞲衅饕布痈摺?/p>

5 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計方案是以上述硬件電路為基礎(chǔ)的，我們采用C語言編寫，在將程序分為多個部分，一號房間，二號房間，三號房間，四號房間，一號返回，二號返回，三號返回，四號回家。用結(jié)構(gòu)化程序完成小車的既定任務，方便，簡潔，有效。包括電機控制模塊、傳感器模塊的程序設計與實現(xiàn)。

6 滅火機器人行進路線分析

當小車于起點，小車一是可以不通過臺階，繞著1號房間向外搜索。二是直接過臺階，然后開始搜索。結(jié)合我們小車的特點和前面分析，我們選擇不過臺階。

起跑后，小車處于1號和4號房間中間，由圖可知，沿著左走的方案比較好，因此我們采用是左手規(guī)則，首先搜索的是1號房間，如圖中的綠色箭頭。當在1號房間發(fā)現(xiàn)火源時，小車進入房間并滅火，滅火后按最左側(cè)路線返回；如沒有發(fā)現(xiàn)火源，小車繼續(xù)按左手規(guī)則搜索房間，在第2個房間里有火源時，無論在那個角，火焰?zhèn)鞲衅鞫寄軝z測得到，如果沒有檢測到，則直接搜索第3個房間，同理，然后搜索第4號房間，不管有沒有搜索到火源，從4號房間出來都繞著4號房間返回起點，因為回家過程中的時間不記入總時間，而繞行比較安全，小車比較好控制。

在選擇回家的路徑時，因為回家時間不算，所以針對這問題，我們的想法是減慢回家的速度，爭取成功率和穩(wěn)定性。而且路線的選擇我們選的是從第一個房間里出來的是繞遠路的行駛路線，從第二個房間里出來是直線回家，但是不會再搜索其余的房間，因此我們在回家的程序上進行了很多討論，最終確立了一個最佳方案。

7 實驗心得與結(jié)論

本次的全自動循跡滅火機器人的設計對我來說是個非常好的經(jīng)歷，它使我學會了keil這個編譯環(huán)境。并且我對C語言的理解加深，對stm32芯片的各個模塊的運用更加嫻熟。使我在學習創(chuàng)造方面有了質(zhì)的飛躍。再設計制作中我也認識了很多大神朋友，他們教會了我很多東西，我在未來的制作中可以避免很多錯誤，豐富了知識儲備。我體會到硬件設計如果比較好的話，軟件編程是比較容易的，所以這才啟發(fā)我如果想搞好硬件，軟件必須要懂，要想編出一個比較漂亮的程序，硬件設計也要必須懂，只有軟硬兼顧，這才能開發(fā)出一個比較好的系統(tǒng)。

此外，由于地面的摩擦、機器人慣性、機器人電機的轉(zhuǎn)數(shù)差、齒輪箱與輪子的摩擦等因素，控制機器人直行和轉(zhuǎn)90度有一定的難度，要經(jīng)過反復的調(diào)試、降低機器人的速度、通過傳感器矯正等才能達到比較精確的控制。所以在做的過程中，選擇一個好的、穩(wěn)定的車模是必須的。

參考文獻：

[1]國際賽制機器人滅火比賽規(guī)則[S].PDF.

[2]公茂法.黃鶴松.楊學蔚.單片機原理與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2009（03）.

[3]譚浩強.C程序設計（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2010（06）.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2003（12）.

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【關(guān)鍵詞】智能控制；二氧化碳傳感器；LCD1602液晶顯示；DS1302時鐘模塊

1前言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，在智能化技術(shù)的潮流的帶領(lǐng)下，家庭生活朝著智能化和現(xiàn)代化前進，智能窗簾也漸進成為智能家居的一個重要部分。目前已經(jīng)批量生產(chǎn)的窗簾裝置主要費時費力、不夠智能化和人性化。本文的防丟裝置的受益于大眾，實現(xiàn)人員的手動及自動控制，便于室內(nèi)換氣和采光。窗簾在每個家庭中起到至關(guān)重要的作用，窗簾不僅能遮風擋雨還能保護用戶的隱私。傳統(tǒng)的窗簾大部分是手動窗簾，不僅費時費力，而且還可能錯過的換氣和采光時間。這種窗簾在實際生活中非常不方便，沒有辦法發(fā)揮到很好的作用。智能窗簾的出現(xiàn)很好的改變了這種現(xiàn)象了，現(xiàn)有的智能窗簾大多是利用紅外遙控，實現(xiàn)窗簾智能開關(guān)，雖然這種控制系統(tǒng)的相對傳統(tǒng)比較辦法省力、方便。但還是不夠智能化、人性化。因此，本設計根據(jù)光照的變化和二氧化碳濃度的變化，可以實現(xiàn)特定功能。

2總體方案工作原理及設計方案

采用二氧化碳傳感器進行二氧化碳濃度的采集；采用光敏電阻進行光照強度的采集；以LCD1602液晶顯示屏作為顯示模塊的主要部分，通過按鍵根據(jù)用戶需求實現(xiàn)對室內(nèi)二氧化碳濃度臨界值的設定。處理好兩個元器件的邏輯關(guān)系，配上蜂鳴器進行報警和時鐘電路顯示當前的時間，各個模塊相互結(jié)合實現(xiàn)窗簾的智能控制。具體流程圖如圖l所示：

3硬件電路設計

定位系統(tǒng)由控制單元單片機（STC89C51）、顯示/按鍵模塊字程序，二氧化碳模塊子程序、LCD1602液晶顯示、紅外遙控子程序、DS1302時鐘模塊組成。如圖2所示二氧化碳傳感器MH-Z14A和光敏電阻采集外界的二氧化碳濃度和光照強度，從二氧化碳傳感器MH-Z14A和光敏電阻檢測的信號利用信號校正電路進行放大，經(jīng)過LM393比較器發(fā)送給單片機。但是很重要的一點是要處理好二氧化碳傳感器和光敏電阻兩者信號而邏輯關(guān)系。指示燈是用來表示智能窗簾控制器系統(tǒng)當前處于哪種模式和窗簾當前處于開啟還是關(guān)閉。LCD1602液晶顯示屏顯示當前二氧化碳濃度和濃度臨界值，用不同按鍵來切換制動窗簾系統(tǒng)的狀態(tài)和控制單片機進行各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

4LCD1602液晶顯示

LCD1602液晶顯示屏用來顯示當前二氧化碳濃度和用戶設定的二氧化碳臨界值。本設計采用16列*2行的字符型LCD1602有32個5x7點陣組成的行字符型顯示屏帶背光的液晶顯示屏。

5DS1302時鐘模塊

DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與31天時可以自動調(diào)整。工作電壓寬達2.5～5.5V。

6終端軟件設計方案

流程如圖3所示。軟件運行過程前，對電路各部分初始化，在初始化之后，首先開始運行的顯示子程序，接著運行按鍵控制程序，自動模式處理程序。然后判斷紅外信息是否接收完成，接收完成后開始對紅外遙控解碼處理，處理完成后，繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行主函數(shù)的程序。軟件使用模塊化編程，分為主程序（main.c）、鍵盤程序（keyboard.c）、步進電機程序（strppermotor.c）、自動模式程序（automaticmode.c）、二氧化碳傳感器模塊（carbondioxidesensor.c）、紅外遙控模塊(inferaredremotecontrol.c)。在主程序運行的時候，通過調(diào)用頭文件中所申明的變量以及函數(shù)名，調(diào)用所定義的變量和函數(shù)段。程序設置了串行口：將串口波特率設置為9600，數(shù)據(jù)位設置為8位，停止位設置為1位，奇偶校驗位設置為無。

7結(jié)束語

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關(guān)鍵詞：智能家居 無線 nRF24L01 控制系統(tǒng)

一、概述

隨著科技的發(fā)展，智能家居的日漸興起給人們的家居生活帶來了全新的感受，家居智能已成為一種趨勢。智能家居中各種與信息相關(guān)的通訊設備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)。這些功能都是通過智能家居系統(tǒng)中的家庭網(wǎng)絡控制器未實現(xiàn)的，家庭網(wǎng)絡控制器具有家庭總線系統(tǒng)、通過家庭總線系統(tǒng)提供各種服務功能、并和住宅以外的外部世界相通連?？梢赃@樣說，智能家居系統(tǒng)是智能住宅的核心。由此可見，智能家居系統(tǒng)在智能住宅中的重要地位。

智能家居系統(tǒng)控制方式的解決方案分為有線方式和無線方式。由于多數(shù)智能家居系統(tǒng)的布線工程比較費事，所以在一些新的智能家居商家所研發(fā)的系統(tǒng)，就立足解決這個難題。目前這一問題雖然沒有得到完全、徹底地解決，有難以滿足視頻和音頻信號的傳輸，保密性差，接入設備昂貴等缺點。但隨著4G網(wǎng)絡技術(shù)的成熟，將會得到更好的應用和發(fā)展。所以就算價格就相對高一些，有的進口系統(tǒng)價位甚至高達10萬元以上，還有部分系統(tǒng)采用的藍牙技術(shù)，其產(chǎn)品也更為昂貴。即便如此，無線方式解決了布線的難題，隨著網(wǎng)絡技術(shù)的進步，已能基本滿足視頻和音頻信號的傳輸。本文以2.4G射頻技術(shù)為基礎(chǔ)介紹一種性價比較高的智能家居控制系統(tǒng)。

二、智能家居控制系統(tǒng)設計方案

1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

智能家居系統(tǒng)的總體設計主要包括了網(wǎng)絡協(xié)議、系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件三個主要的部分。智能家居系統(tǒng)由主機、從機、接口設備及各家電設備組成，主從機都有一個無線收發(fā)芯片，通過主從機間無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，實現(xiàn)一個小型的無線智能網(wǎng)絡。網(wǎng)絡協(xié)議我們參考OSI模型，結(jié)合nRF24L01芯片的特性，以采用模塊化、通用性設備為原則設計硬件電路，采用集中控制技術(shù)的控制方式，通過一個以單片機為核心的系統(tǒng)主機來構(gòu)建，中心處理單元（CPU）負責系統(tǒng)的信號處理。同時把系統(tǒng)設備進行硬件功能劃分，統(tǒng)一設計、統(tǒng)一接口，各硬件模塊具有雙向通信能力，以及互操作性和互換性，其控制部件都可以編程，增加了模塊的通用性和實用性，為系統(tǒng)升級和維護提供有力的保障。

硬件收發(fā)模塊采用一種新型單片射頻收發(fā)器件nRF24L01，定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。nRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的2.4GHz單片射頻收發(fā)芯片,內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，采用FSK調(diào)制,內(nèi)嵌NORDIC公司的增強型Enhanced Shock Burst技術(shù)，內(nèi)置鏈路層，可實現(xiàn)點對點或是1對6無線通信。其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，有125個可選工作頻道，頻道切換時間短，可用于跳頻，通過跳頻可以減少干擾。首先MCU通過串口對nRF24L01進行信道參數(shù)配置，nRF24L01執(zhí)行配置任務，主機執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)包指令，通過空中接口完成數(shù)據(jù)信息包的發(fā)送與接收；從機接收數(shù)據(jù)信息，由從MCU執(zhí)行任務，從而實現(xiàn)控制家電的目的。圖l為系統(tǒng)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.主要硬件電路設計

(1)控制中心電路

控制中心節(jié)點在2.4G網(wǎng)絡中充當協(xié)調(diào)器節(jié)點的角色，主要負責2.4G網(wǎng)絡的建立，節(jié)點的管理等任務。在本系統(tǒng)中，控制中心節(jié)點需要對接受的數(shù)據(jù)進行處理，并通過鍵盤輸入和液晶顯示，以及通過RS-232串口與PC機連接通信。

3.串口通信單元設計

STC12C5A60S2增強型51芯片有一組串行口接口。本設計采用RS-232的9針D型連接器，在最簡單的串行通信中，只需3根通信線連接：TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送，RXD串行數(shù)據(jù)接收以及GND信號地線。

4.無線收發(fā)模塊

根據(jù)硬件設計要求各個因素，在基于2.4G無線傳輸控制網(wǎng)絡智能家居設計中，采用了工作在2.4GHz頻段的射頻片nRF2401。單片射頻收發(fā)芯片nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設計更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。

5.傳感器電路設計

控制中心節(jié)點通過nRF24L01無線模塊，接收各個傳感器節(jié)點所發(fā)送過來的信息，并通過串口模塊，把信息發(fā)送到上位機，在上位機的軟件界面上直觀地把各種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給使用者。傳感器節(jié)點硬件主要由電源模塊、時鐘模塊、無線模塊、傳感器模塊組成。

三、結(jié)語

本文的智能家居系統(tǒng)利用無線網(wǎng)路芯片nRF24L01傳輸數(shù)據(jù)，硬件電路簡單以增強型STC芯片作為系統(tǒng)節(jié)點控制器，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)使用方便,成本較低，超低功耗，集開放性、交互性、協(xié)作性、通用性、便攜性等特點，使用穩(wěn)定可靠，效率高，有良好的擴展性。

參考文獻：

[1]詹寶容，庾錫昌.無線智能家居網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計[J].無線通信技術(shù)，2010(4):41-44

[2]王剛，夏平，陳仲滔.智能家居無線遠程控制技術(shù)[J].電腦開發(fā)與應用，2008，21(3):67-69

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關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；GPRS技術(shù)；智能家居；微處理器；家電控制

本設計是一個把網(wǎng)絡通訊技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合在一起的網(wǎng)絡智能化家居系統(tǒng)。通過智能家居系統(tǒng)人們可以更方便快捷的使用和控制家用設備，從而給人們帶來高效、安全、舒適的生活體驗。

1.系統(tǒng)設計方案

家居智能控制系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示，本系統(tǒng)主要由MSP430F169微處理器、電話裝置、液晶觸摸屏電路、電源電路、GPRS收發(fā)模塊、ZigBee無線通訊模塊等構(gòu)成。用戶通過撥打電話裝置，將控制家電設備的要求送給MSP430F169微處理器處理，再由處理器給紅外控制節(jié)點發(fā)送控制某家電設備的命令，最終達到控制設備的目的，并通過GPRS向室外的用戶匯報設備運行情況。

圖1.1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2.硬件設計

2.1 MSP430F169微處理器

本設計選用美國TI公司的MSP430系列的微處理器，它是一種16位超低功耗、自帶DAC模塊的信號處理器。它有強大的處理能力，豐富的片上外圍模塊，方便高效的開發(fā)環(huán)境和多種時鐘模塊。

2.2 GPRS無線通信模塊

本模塊采用的SIM300芯片是一款三頻段GSM/GPRS模塊，其接口電路如圖2.1所示。MSP430與SIM300的硬件連接通過RX、TX和GND三線連接。處理器用USRTO串行通信口通過此三線運用異步通信模式向GPRS模塊寫入命令，向遠程的用戶匯報家電運行情況。

         

圖2.1 MSP430與SIM300的硬件連接圖    圖2.2 MSP430與CC2420的硬件連接圖

2.3 ZigBee無線通訊模塊設計

無線收發(fā)芯片選用了TI公司的CC2420，這款芯片兼容IEEE.802.15.4無線收發(fā)芯片，CC2420與MSP430的連接如圖2.2所示，只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)，SFD引腳表明是否在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)幀；FIFO在接收數(shù)據(jù)中指示接收緩沖器中是否有數(shù)據(jù)；FIFOP用于指示接收數(shù)據(jù)的上限到達或者完整地接收幀；CCA用于查看信道是否為空。處理器通過SPI接口(CSn、SI、SO、SCLK)與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令，并通過該接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和儲存器。在訪問過程中，接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。

2.4 電話遠程控制模塊

該模塊設計如圖2.3所示，當遠程的用戶向家中撥打電話時，電話接口電路將電話線上的信號分成幾路，分別輸?shù)讲煌奶幚砟K中。摘機電路處理電話線上的撥號音，振鈴檢測電路處理振鈴信號，DTMF收發(fā)電路接收和發(fā)送DTMF信號。語音電路利用語音芯片來進行語音提示和應答，如“請輸入密碼”、“設備***開啟”、“操作成功”等。預先將要用到的語段燒入芯片中，運行時取出所需的語段連成句子，再加入適當?shù)难訒r輸出。檢測到用戶按鍵后立即停止該語句的播放，轉(zhuǎn)入下一步操作中。

圖2.3 電話裝置模塊硬件設計圖

2.5 家電控制模塊

如圖2.4所示，MSP430F169向CC2420發(fā)出遙控指令，位于紅外控制節(jié)點的CC2430接收到相應的指令，驅(qū)動學習型控制模塊發(fā)出紅外線，控制空調(diào)、電視機等傳統(tǒng)型家電。

圖2.4 家電控制模塊系統(tǒng)框圖

2.5.1 紅外發(fā)射電路設計

如圖2.5所示，紅外控制節(jié)點將CC2430作為微處理器接收到的指令通過P1.0輸出，考慮到紅外發(fā)射的距離和有效性，電路紅外發(fā)射管加了三極管進行放大。

2.5.2 紅外接收電路設計

如圖2.6所示，紅外接收端使用的是HS0038B紅外接收頭，HS0038B將接收到的紅外信號轉(zhuǎn)為電信號，通過Vout發(fā)出紅外線，控制空調(diào)、電視機等傳統(tǒng)型家電設計。

   

圖2.5 紅外發(fā)射單元電路圖      圖2.6 紅外接收單元電路圖

2.6 液晶觸摸屏控制模塊

本設計采用四線電阻式觸摸屏通用的BB公司生產(chǎn)的ADS7846控制芯片，具有12位轉(zhuǎn)換精度，支持SPI通訊協(xié)議；液晶屏控制器采用的是EPSON的SED1335，帶有32K字節(jié)的SRAM，支持文本顯示和圖形顯示(320×240點)兩種方式，最多3層圖形顯示合成。

2.6.1 觸摸屏控制芯片與單片機的接口電路

如圖2.7所示，ADS7846是四線式觸摸屏的控制器，控制器的主要功能是分時向X、Y電極對施加電壓，并把測量電極上的電壓信號轉(zhuǎn)換為相應觸點的X、Y坐標，并通過筆中斷請求向MSP430F169表示有觸摸發(fā)生。

圖2.7 觸摸屏控制電路接口電路

2.6.2 液晶控制芯片與單片機的接口電路

如圖2.8所示，SED1335通過DB0-DB7八根數(shù)據(jù)線與MSP430進行數(shù)據(jù)傳送，A0信號不是獨立的，而是與片選信號CS組合定義的。當液晶屏上顯示出需要操作的畫面，我們通過手指或筆進行操作時，用戶在觸摸屏上有效區(qū)域點擊，觸摸屏的X方向輸出電阻和Y方向輸出電阻分別隨X和Y呈線性變化，ADS7846控制器將其分別轉(zhuǎn)換為12位數(shù)據(jù)，通過中斷告知單片機需要接收數(shù)據(jù)，單片機接收到數(shù)據(jù)后進行處理。在接收過程中通常是采用多次平均的方法，假如有一次接收的數(shù)據(jù)和平均值差別很大，則這次測量就作廢了，需要重新測量。一旦數(shù)據(jù)有效，單片機接著解算觸點坐標落在液晶屏的位置，根據(jù)解算的結(jié)果判斷執(zhí)行相應的功能函數(shù)。使觸摸屏和液晶屏有機的結(jié)合起來，建立一定的邏輯關(guān)系，交互地進行信息存取和輸出。

圖2.8 觸摸屏模塊接口電路圖

3. 主程序設計 

如圖3.1所示，MSP430的初始化包括設置引腳功能、SPI初始化、串口初始化、定時器初始化等。射頻芯片CC2420的初始化包括芯片復位、芯片管腳的初始化及內(nèi)部寄存器的初始化。程序在初始化之后，進入循環(huán)狀態(tài)，與家庭子系統(tǒng)建立ZigBee網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)射，并調(diào)用子程序命令，將有效的命令顯示在液晶屏幕上，從而實現(xiàn)智能化家居管理。

圖3.1 軟件總流程圖

4. 總結(jié)

篇6

關(guān)鍵詞：GSM；傳感器；報警電路

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.133

1 引言

近年來國家科技水平提升，居民的生活逐步走向科技化、自動化、數(shù)字化，生活質(zhì)量得到了極大程度的提升，但卻也有許多安全隱患伴隨其中。每年由于煤氣泄漏導致的煤氣中毒、爆炸等給人們的生活帶來了很大的陰影，一但引發(fā)火災，就能使成千上萬的財產(chǎn)瞬間變?yōu)榛覡a，因此，針對此類事故的研究及相關(guān)事故的防范就變得尤為重要，我們的項目便是針對煤氣檢測而制定的。

2 基于C8051F340的報警系統(tǒng)的總體設計方案

本系統(tǒng)以C8051F340單片機為控制中心，利用比較器的單片機控制，對幾個傳感器反饋到數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)進行分組處理，單傳感器分批數(shù)據(jù)融合，最后通過中斷及中斷優(yōu)先級處理器實現(xiàn)應急報警。通過氣敏傳感器監(jiān)測室內(nèi)天然氣濃度，將檢測信號轉(zhuǎn)換為電信號反饋，單片機控制模塊是煙霧報警處理系統(tǒng)的核心控制和處理部分，判斷是否需要蜂鳴器報警。運用溫度傳感器，煙霧傳感器等環(huán)境監(jiān)測類傳感器。對單片機加載報警反饋系統(tǒng)，若出現(xiàn)險情通過電話報警的形式通知主人。并利用實時時鐘芯片和LCD，實現(xiàn)時間數(shù)據(jù)在屏幕上的顯示。

3 硬件電路設計

硬件電路分為電源模塊、C8051F340模塊、GSM模塊、氣敏傳感器模塊、門磁模塊。下面介紹一下氣敏傳感器模塊、門磁模塊、GSM模塊電路。

3.1 ZYMQ--4氣敏傳感器電路

ZYMQ--4氣敏傳感器是AL2O3陶瓷管、SnO2敏感層（該敏感層摻雜有催化劑，使得其對CH4，CO等氣體的敏感度提高十倍以上），通過氣敏前后電導率的變化來推知被測氣體的信息，這種變化來自于薄膜吸附被測氣體前后的表面勢壘變化，該傳感器對甲烷、天然氣有很高的靈敏度，具有快速的響應恢復特性，擁有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過將采集到的電壓信號分小段記錄的方式計算出相對數(shù)字電壓，將該數(shù)字與存儲區(qū)中設定的最大電壓值相比較，控制蜂鳴器警報。

3.2 GSM模塊電路

本系統(tǒng)GSM模塊配置西門子高性能TC35芯片，這款芯片可以通過AT指令進行控制，擁有RS232接口，可實現(xiàn)雙頻（GSM900/GSM1800）短消息數(shù)據(jù)通信、CSD數(shù)據(jù)通信與語音數(shù)據(jù)通信等較為可靠便捷的現(xiàn)代化網(wǎng)絡通信，TC35芯片主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊（ ASIC）、閃存、ZIF 連接器、天線接口六部分組成，可安插SIM卡，通過 ZIF 連接器與單片機實現(xiàn)電路接口， 因此GSM模塊具有發(fā)送SMS短信，語音通話，GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡進行通信的所有基本功能，當單片機檢測到異常情況時，將通過串行口控制GSM模塊發(fā)送相應的報警信息，幾秒鐘后用戶的手機就能收到報警信息，提醒用戶采取措施。

4 軟件代碼調(diào)試

C8051F340器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU（微控制單元），具有片內(nèi)上電復位、VDD監(jiān)視器、壓調(diào)整器、看門狗定時器和始終振蕩器。能夠很好的完成所需電路模塊的設計。ZYMQ--4氣敏傳感器對甲烷、天然氣有很高的靈敏度；具有快速的響應回復特性；具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；使用時驅(qū)動電路簡單，可以通過小范圍試驗得到相對準確的數(shù)據(jù)。通過資料閱讀分析各器件，進行模塊間的完善。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)通過相關(guān)的數(shù)據(jù)采集及處理，讓居民實時了解家中的動向，能有效的減少居民的生命財產(chǎn)損失。本系統(tǒng)是充滿智慧的控制系統(tǒng)，可提供全方位的信息交互功能，優(yōu)化生活方式，提高家居安全性，是一套非常有實用價值的系統(tǒng)。

篇7

智能車有著極為廣泛的應用前景。結(jié)合傳感器技術(shù)和自動駕駛技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的自適巡航并把車開得開得又快又穩(wěn)、安全可靠；汽車夜間行駛時，如果裝上紅外攝像頭，就能實現(xiàn)夜晚汽車的安全輔助駕駛；他也可以工作在倉庫、碼頭、工廠或危險、有毒、有害的工作環(huán)境里，此外他還能擔當起無人值守的巡邏監(jiān)視、物料的運輸、消防滅火等任務。在普通家庭轎車消費中，智能車的研發(fā)也是有價值的，比如霧天能見度差，人工駕駛經(jīng)常發(fā)生碰撞，如果用上這種設備，激光雷達會自動探測前方的障礙物，電腦會控制車輛自動停下來撞車就不會發(fā)生了。提高安全性和系統(tǒng)效率。這種新型車輛控制方法的核心，就是實現(xiàn)車輛的智能化。

1 智能車機械結(jié)構(gòu)設計

機械結(jié)構(gòu)是控制算法和軟件程序的執(zhí)行機構(gòu)，對機械結(jié)構(gòu)性能的了解和改造有利于對控制算法和軟件程序的實現(xiàn)。因此對車體機械結(jié)構(gòu)的調(diào)整是非常必要的。

1.1 車體機械參數(shù)調(diào)整：前輪參數(shù)的調(diào)整包括前輪主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角，前輪外傾角，前輪前束。這幾個參數(shù)對車體直線行駛的平穩(wěn)性和轉(zhuǎn)彎的靈活性有很重要的影響[1]。

1.2 舵機的安裝：舵機轉(zhuǎn)向是整個控制系統(tǒng)中延遲較大的一個環(huán)節(jié)，在相同的舵機轉(zhuǎn)向條件下，轉(zhuǎn)向連桿在舵機一端的連接點離舵機軸心距離越遠，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向變化越快。這樣安裝的優(yōu)點是：改變了舵機的力臂，使轉(zhuǎn)向更靈敏；舵機安裝在正中央，使左右的轉(zhuǎn)向基本一致；重心相對來說靠后，減輕舵機的負載[2]。

1.3后輪距與后輪差速機構(gòu)調(diào)整

后輪距的調(diào)整：賽車高速行駛時突然轉(zhuǎn)彎時容易翻倒，為了增加整車的平衡能力，可將車模原配的后輪調(diào)節(jié)件把改為大輪距的調(diào)節(jié)件，使后輪距在原來基礎(chǔ)上增加了4mm。

1.4傳感器的安裝：圖中將激光管固定在下排孔內(nèi)上排六個固定接收管和透鏡，將激光照射距離調(diào)整到50CM，前瞻效果達到最好[3]。

1.5 車體重心調(diào)整：重心越低越好。選擇攝像頭時選擇比較輕的，攝像頭支架材料及規(guī)格也要加以考慮，電路板的擺放也盡可能低。

2系統(tǒng)總體硬件電路設計

2.1 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)：此智能車輛定位系統(tǒng)用激光管和接收芯片檢測車輛前方的賽道，通過MC9S12XS128采樣光電三極管的模擬信號，獲得賽道數(shù)據(jù)，結(jié)合一定的算法，提取賽道的黑白線對舵機和電機驅(qū)動芯片以合適的控制。

系統(tǒng)先對接收芯片獲得的數(shù)字信號，速度傳感器測得的速度值，加速度傳感器檢測到的坡度信息，以及撥碼開關(guān)輸入的脈沖值等送入單片機最小系統(tǒng)進行分析處理，發(fā)出命令驅(qū)動舵機，并使用全橋電機驅(qū)動芯片 MC33883驅(qū)動場效應管控制電機的正反轉(zhuǎn)，輸出 PWM 波形實現(xiàn)對于電機的控制，使用LM 2940S 等穩(wěn)壓芯片對各模塊提供電源。

2.2 傳感器選擇及其電路設計：激光傳感器好比模型車的眼睛，是整個系統(tǒng)采集賽道信息的核心。前瞻距離最遠能夠達到1.1M。經(jīng)過調(diào)整和優(yōu)化，使得激光傳感器性能能夠完成賽道全部信息采集的任務。

2.3 電機驅(qū)動模塊設計：MC33883它可以驅(qū)動場效應管實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，場效應管用IRF3205，場效應管為N溝道，MC33883的驅(qū)動能力很強，最大電流可以達到110A。本設計采用PWM直流脈寬調(diào)速，該方法有效地避免了串電阻調(diào)速其調(diào)速范圍小，平滑性低的缺點， IN_HS1、IN_HS2、IN_LS1、IN_LS2是單片機傳給MC33883脈沖信號的接口。

2.4 測速電路模塊設計

VCC_MCU為5V電壓，SIGNAL是編碼器的脈沖輸出端，SIGNAL和VCC_MCU之間接一個10K上拉電阻，然后將SIGNAL連接到單片機的PT7口，進行脈沖。

2.5穩(wěn)壓芯片選擇及電源模塊設計：我們需要對配發(fā)的標準車模用蓄電池進行電壓調(diào)節(jié)。單片機系統(tǒng)、激光管、接收管、車速傳感器電路，LED顯示電路等各個電路的工作電壓不同，我們需要設計方案來使得電壓滿足各自的要求。

3智能車電路板的設計

智能車的電路板設計是利用altium designer軟件設計的。在布線時信號線和電源線的寬度不同，信號線的寬度為10mil，穩(wěn)壓后的電源線為20mil或30mil，直接經(jīng)過電源的電源線為60mil。覆銅的時注意移除死銅，覆銅定義網(wǎng)絡標號為GND。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1 程序開發(fā)和調(diào)試：本車在開發(fā)和調(diào)試中所使用的開發(fā)環(huán)境為Metrowerks 公司的集成開發(fā)環(huán)境 Metroworks CodeWarrior IDE4.6和與之配套使用的調(diào)試軟Hiwave，調(diào)試器為清華大學工程物理系開發(fā)的BDM，輔助調(diào)試工具有電視機、刻度尺，串口調(diào)試軟件等。

4.2 調(diào)試器：CodeWarrior IDE中的調(diào)試器不僅可以進行在線調(diào)試，還可以進行在線的仿真。在調(diào)試器中，我們可以看到定義的全局變量的變化和各個寄存器的當前值，還可以看到單片機內(nèi)存中內(nèi)容等。此外，還有許多其他的實用功能，在賽車的調(diào)試過程中使用很是方便有效。

4.3系統(tǒng)程序流程圖：如圖6顯示程序開始進行初始化，然后開始采集信息，在把采集到的信息進行一些數(shù)據(jù)處理（這里可以用到模糊和PID算法），之后求出速度和轉(zhuǎn)向。為了形成閉環(huán)系統(tǒng)這里利用中斷進行時時測速，保證小車速度不至于過快或過慢，形成閉環(huán)系統(tǒng)，使小車更快，更穩(wěn)定的完成比賽。

4.4 轉(zhuǎn)向舵機的控制程序的設計：一個周期采集完畢以后，要對傳感器的原始狀態(tài)進行處理，我們規(guī)定當激光傳感器照射到黑線記做1，白線記做0，12個傳感器分別賦予對應的權(quán)值，當有2個或者1個激光傳感器照射到黑線的時候，對它們的權(quán)值取平均值，最后單片機通過最終的偏移值計算出控制轉(zhuǎn)向舵機和速度分配值。

number是計算一共有幾個傳感器在黑線上，lost_number是計算所有在黑線上傳感器的偏移值，lost_location是計算激光傳感器的平均偏移值。

4.5 速度采集程序的設計：速度采集模塊需要定時采集速度，根據(jù)相同時間內(nèi)的脈沖數(shù)多少來判定速度的快慢，因而我們單獨開了一個PIT中斷，中斷定時周期為3MS，那么每當經(jīng)過3MS，就讀取脈沖累加器計數(shù)器PACNT的值，然后將此值和設定速度的值進行比較，完成對速度的閉環(huán)控制。 控制函數(shù)number_count變量是反饋的速度，用來傳遞給PID函數(shù)；TIME_INTER是速度給定；這里要注意的就是，當進行完畢速度讀取，PACNT寄存器一定要清零，防止脈沖的錯亂。

5 結(jié)論

我們在車模硬件及軟件上都有許多改進與創(chuàng)新，采用上排激光管作為循跡傳感器。大大提高了前瞻距離和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。激光前瞻達到0.25米，大前瞻是保證高速度的前提條件。采用自己制作的單片機最小系統(tǒng)板。自己制作的單片機最小系統(tǒng)板，尺寸小，重量輕。即減輕了車?？傊亓?，有方便了其它硬件布局。使得整個硬件系統(tǒng)布局更簡潔，性能更穩(wěn)定。

參考文獻

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造.機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 第四屆全國大學生“飛思卡爾”智能汽車競賽杭州電子科技大學錢江一號隊技術(shù)報告，2009.

篇8

關(guān)鍵詞：鎳鎘智能充電器 PWM控制 ATmega32 BUCK電路

中圖分類號：TM910.6 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）03-0170-03

1 引言

隨著科技的發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品走進我們的日常生活，專供家庭使用的小容量蓄電池也越來越受到人們的認可。然而，由于電池在充電時經(jīng)常發(fā)生過充、充電不足等問題，嚴重影響了蓄電池的壽命，這不僅浪費資源，而且污染環(huán)境。針對此問題，我們基于AVR設計了智能充電器系統(tǒng)，此系統(tǒng)實時監(jiān)測電壓、電流及溫度，不僅保護電池，并且延長了蓄電池的使用壽命。

2 系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)控制芯片選用高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具體型號為Atmega32。本芯片自帶8路10位ADC，電流、電壓檢測電路可以通過ADC直接反饋給AVR單片機，無需附加其他AD芯片，方便應用同時轉(zhuǎn)換精度較高。由AVR單片機產(chǎn)生PWM控制BUCK電路，進而調(diào)整充電電池在不同時期的電流大小，使整個系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定、高效。針對鎳鎘電池常用的控制技術(shù)有：電壓負增量控制、時間控制、溫度控制、最高電壓控制技術(shù)、檢測技術(shù)等。本系統(tǒng)采用溫度控制與檢測技術(shù)相結(jié)合的方法，更加高效的給電池進行充電。系統(tǒng)解構(gòu)框圖如下。為了防止鎳鎘電池的記憶效應，我們在智能充電的第一階段進行放電，放電截止電壓選做0.9V；第二階段，我們采用電流預充電，充電十分鐘；第三階段，我們采用電流快速充電，充電約2.5小時，終止判斷為檢測到電壓負增長或溫度正增長較快速度達到；第四階段，我們采用0.1C涓流充電，充電時間十分鐘。在充電過程中，我們同時采用過壓保護和過熱保護，當充電電池端電壓高于1.45V，或者電池溫度高于60℃時，充電自動終止。

3 硬件電路

3.1 電源

電源部分，我們采用開關(guān)穩(wěn)壓器進行穩(wěn)壓，與線性穩(wěn)壓芯片相比，開關(guān)穩(wěn)壓芯片具有轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱低等優(yōu)點。LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是線性三段穩(wěn)壓器件的替代品，它具有可靠地工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅(qū)動能力，從而為系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作提供了強有力的保證。同時我們利用2A熔斷絲對電路進行保護，防止線路短路產(chǎn)生大電流，燒壞器件。

3.2 AVR主控電路與JTAG下載（如圖3）

ATmega32是具有32kb系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位AVR微控制器，它具有高性能、低功耗等特點，同時具有8路十位ADC，方便我們進行電壓，電流，溫度測量值的讀取，無需單獨外擴AD轉(zhuǎn)換電路，節(jié)省資源。

我們采用JTAG在線編程方式，簡化操作流程，加快工程進展。

3.3 充放電電路

降壓斬波電路使用一個全控型器件Q3，為在Q3關(guān)斷時給負載中的電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管D3，AVR通過輸出PWM波，控制Q3的導通時間為Ton與關(guān)斷時間Toff，進而控制輸出電壓U，且有如下關(guān)系

（公式2.1）

上式中E為電源提供電壓VDD。由此可知，輸出到電池的電壓平均值U最大為VDD，若減小PWM導通時間可以減小輸出電壓。電池電流平均值為

（公式2.2）

其中E0為電池端電壓，R為電池內(nèi)阻。

放電電路由ATmega32的DisCharge1控.制，在放電階段，充電電路關(guān)閉；同樣，在充電階段，放電電路關(guān)閉。

3.4 檢測電路

檢測電路分兩部分，一部分為由TL062運算放大器組成的放大檢測電路，另一部分是由DS18B20組成的溫度檢測電路。我們用TL062組成同相放大器，基本模型如下（如圖5）。

根據(jù)理想運放的輸入電壓為零的特性并應用KVL得

（公式2.3）

（公式2.4）

再根據(jù)理想運放輸入電流為零特性得到

（公式2.5）

由公式2.3，2.4與2.5得同相放大器的輸出電壓與輸入電壓關(guān)系為

（公式2.6）

由公式2.6我們可以得知電壓檢測放大倍數(shù)為兩倍，但是由于R3與R1的分壓效果，檢測電壓 值為實際充電電池端電壓。電流檢測電路放大倍數(shù)為10倍。

溫度檢測我們采用單線接口方式工作的DS18B20進行采集，它具有測溫范圍廣，硬件結(jié)構(gòu)簡單，控制方便等優(yōu)點。

3.5 顯示電路

顯示模塊，我們采用LCD1602實時顯示充電電流，用LED燈顯示工作狀態(tài)，其中綠燈為正常充電狀態(tài)，紅燈為充電已完成。

4 控制思想

在智能充電的過程中，我們通過調(diào)整PWM占空比可以保持充電電流穩(wěn)定，因此對于充電時間我們可以進行如下預估，方便控制系統(tǒng)的建立。

鎳鎘電池的充電時間計算公式為：

（公式2.7）

其中Q為電池容量，I為充電電流，T為所需充電時間，為經(jīng)驗常數(shù)，此處我們選為1.3。

因此當我們采用0.5C恒流充電時，可以計算出充電時間T為2.6小時。

在時間調(diào)整的過程中，我們采用電壓、電流實時監(jiān)測技術(shù)，進而實現(xiàn)了智能充電系統(tǒng)電壓、電流的雙閉環(huán)控制，保證了充電系統(tǒng)的安全運行，并且使鎳鎘電池的使用壽命延長，同時有效的減弱了鎳鎘電池的記憶效應。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)根據(jù)鎳鎘電池特性曲線，通過對充電電流的精確控制，實時監(jiān)測溫度，電壓，對充電電池進行全方位保護，防止了線路短路，器件損壞，誤操作等可能對充電系統(tǒng)及充電電池帶來的損害，同時有效的提升了電池的使用壽命，消弱了記憶效應對電池的影響。實驗證明，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，成本低，可靠性高，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]陳希有.電路理論基礎(chǔ).高等教育出版社，2008.

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篇9

[關(guān)鍵詞]環(huán)保課桌；可循環(huán)利用；資源利用

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2017.15.104

1 設計背景及意義

環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基本前提。環(huán)境為我生存和發(fā)展提供了必需的資源和條件。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)境問題已經(jīng)作為一個不可回避的重要問題提上了各國政府的議事日程。保護環(huán)境，減輕環(huán)境污染，遏制生態(tài)惡化趨勢，成為政府社會管理的重要任務。對于我們國家，保護環(huán)境是我國的一項基本國策，解決全國突出的環(huán)境問題，促進經(jīng)濟、社會與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展和實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是政府面臨的重要而又艱巨的任務。

針對我們國家現(xiàn)在的資源短缺，環(huán)境污染也是較嚴重的問題，為緩解該問題，國家提出了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，當前，節(jié)能環(huán)保低碳經(jīng)濟的發(fā)展理念已經(jīng)成為我們?nèi)祟惪沙掷m(xù)發(fā)展的行動指南，要實現(xiàn)低碳的生活方式，必須要改變我們?nèi)祟惈@取能源的方式。因此只有積極探索并拓寬其他低碳能源獲得渠道，廣泛采用節(jié)能環(huán)保的清潔能源，逐步減少化石能源的使用，才能有效減少溫室氣體的排放，保護我們賴以生存的地球環(huán)境。在這樣的背景下，就想到設計一個既能節(jié)約資源又能環(huán)保的課堂教具，合理運用法拉第電磁感應（發(fā)電機）原理，以獨特的機械和電路設計，利用了人體腳踏運動能量，推動機械裝置發(fā)電，供學習照明及充電使用。該設計獲得的電能來源可靠、照明光度穩(wěn)定，并能達到自動儲能充電的目的。能夠滿足人們學習所需的照明和健身要求。而且考慮到平時使用的基礎(chǔ)課本，相同年級學的課本都相同，但年級不同用的課本也不同，所以，如果每一屆用過的課本能循環(huán)使用，同時又能夠方便學生取閱，那就可以節(jié)省制造課本的資源，以及相繼帶來的環(huán)境污染，繼而就想到了課桌這個暫存教具，利用課桌的空間，進行對書的存放，但又考慮到書本的丟失和缺損現(xiàn)象，就設計一款全封閉式的課桌，結(jié)合電氣裝置，實現(xiàn)機電一體化的控制。

2 設計方案

2.1 尺寸及結(jié)構(gòu)設計

（1）本課桌最大尺寸是620mm×430mm×694mm，桌腿最大伸展長度是657mm，桌腿最小收縮長度是270mm。桌面、課斗、桌腿高的允許誤差范圍為±2mm，在其中的一面桌壁上安裝射頻插卡裝置，只需學生用學生證對準該射頻裝置，便可使射頻裝置啟動，為防止書出現(xiàn)丟失現(xiàn)象，學生在選擇書的時候，要輸入相應的密碼，在射頻裝置中安裝讀卡器可以讀取并記錄學生的信息。將踏板機械能轉(zhuǎn)換為高速的轉(zhuǎn)速動力，帶動直流發(fā)電機發(fā)電，提供書桌照明，同時將電能變換成標準充電電壓提供用戶充電使用。

（2）考慮到書傳出和收回時，采用用齒輪齒條機械結(jié)構(gòu)，由于該機構(gòu)簡單且易加工。在書傳出時，通過單片機控制驅(qū)動板驅(qū)動電機正傳前進一段時間，使書到達指定的位置。

（3）為方便學生取書，我們在桌匣下安裝桿和小滑軌，通過該機構(gòu)將書的一部分支起，停止一段時間能讓學生取得書之后，讓電動機反轉(zhuǎn)，回到初始位置，停止。裝置設計基本結(jié)構(gòu)由六部分組成，由機械踏板傳動機構(gòu)、直流發(fā)電機，防回流電路、LED臺燈、充電保護電路、恒流控制電路、3.7V充電電源輸出1.2V充電電池夾等部分組成。

（4）通過鍵盤及LCD12864顯示屏，選擇所需要的書，初步擬定為桌膛可放四本書，為上、下兩層，中間用隔板隔開，用顯示屏可以看到每個號碼所對應的書：分別為1-高等數(shù)學，2-材料力學，3-英語，假設需要高等數(shù)學書，則按下1按鈕，便可得到該書。

（5）由于該裝置是通過電控制的，所以，為防止停電時無法用書，我們在桌膛內(nèi)安裝了可充電式備用電池。

2.2 照明、充電參數(shù)的設計和選擇

書桌照明燈的設計和選擇：書桌照明燈的選擇應考慮兩方面問題：一是不要消耗腳踏板太多動力；二是用較小的功率提供足夠的書桌照明，以達到節(jié)能的目的。這里選用FX-DZSZ055Y型節(jié)能高亮度發(fā)光二極LED燈，其光通量6-7流明，色溫6000-6500K高亮正白，LED各項指標基本符合書桌照明。

LED額定電壓3.2V，額定電流20毫安，其功率=3.2V×20毫安=0.064W要達到足夠的書桌照明根據(jù)光通量確定用8只LED燈組成書桌照明燈，其書桌照明燈總功率=0.064W×8只=0.512W。

儲能充電池電壓參數(shù)的確定：課題為了提供家庭常用電池充電，我們分別對家庭常用充電設備進行了調(diào)查。家庭常用設備是手機、MP3、學習機、MP4、電筒、半導體收音機、電動玩具車、電子照相機，主要是兩種型號充電器，3.7V鋰離子電池和1.2V鎳鎘電池，因此可確定充電對象電壓是3.7V和1.2V充電池，充電電流選取200MA較為合適。

裝置技術(shù)指標：

（a）書桌照明功率：0.512W。

（b）輸出可對3.7V鋰電池和1.2V×3枚標準充電池充電。

（c）輸出充電電壓4.2V，電流200MA。

2.3 自動控制恒流穩(wěn)定照明電路的設計

在踩踏板直流發(fā)電機在供電過程中，直流電源電壓是不穩(wěn)定的，不能恒定功率地供給高亮度發(fā)光二極管照明，因此照明亮度會有變化，產(chǎn)生照明不穩(wěn)定問題。為了解決這個問題，我在這里設計了一個自動恒流供電電路來保證LED照明時電流相對穩(wěn)定。設計方案是用三極管BG來組成自控恒流源，根據(jù)三極管工作原理Ib=Ic/β可知，只要提供恒定的Ib[基級電流]就可穩(wěn)定Ic電流，來保證LED照明亮度穩(wěn)定。電路中紅色發(fā)光二極管D10，電阻R1，來組成自動穩(wěn)壓電路，其原理是利用紅色發(fā)光二極管D10導通時Vw正向壓降1.8V穩(wěn)定不變，來提供穩(wěn)定的基級Ib電流，另外紅色發(fā)光二極管做還同時用它兼顧裝置的面板工作狀態(tài)顯示，做到一舉兩得節(jié)約成本。照明燈由8個高亮LED【D1-D8】發(fā)光二極管組成，采取并聯(lián)的方式連接。

2.4 傳動機構(gòu)方案的確定

（1）曲柄滑塊機構(gòu)

該機構(gòu)實現(xiàn)直線運動較簡單，但所占空間較大，在設計計算也較煩瑣，要求耐磨性能好，平行度較高。

（2）凸輪機構(gòu)

凸輪機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、運動可靠等優(yōu)點，但由于點、線接觸，接觸應力較大，易磨損，因為用于課堂，產(chǎn)生的噪聲也較大，不易加工。

（3）齒輪齒條機構(gòu)

結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高、壽命長、傳動比準確、傳遞功率與適用的速度范圍大、工作安全可靠，且易加工。

通過對以上三種機械傳動機構(gòu)的比較，我們最終采用齒輪齒條機械機構(gòu)。

2.5 機械踏板傳動結(jié)構(gòu)設計

設計目的：是用機械踏板傳動機構(gòu)帶動減速直流發(fā)電機發(fā)電。

設計參數(shù)：直流發(fā)電機的減速比1/4。踏板速度30次/分鐘時減速電機轉(zhuǎn)速260轉(zhuǎn)/分鐘。

設計思路：①采用兩個互成一定角度的擺動導桿機構(gòu)，導桿直接與踏板焊接。當左邊的踏板進入死點位置時，右邊的踏板剛好處在最高點處，這時右腳對右踏板施加一個外力時，力的方向垂直于滑塊，因此將對右邊的軸產(chǎn)生一個水平向前的分力F1，由于是S形軸，也將對左邊踏板產(chǎn)生一個向后的水平力F1，水平力F1推支滑塊繞軸承做圓周運動，滑塊繞軸承做圓周運動的同時使左邊的踏板越過死點位置向上運動，有效度過死點位置；同理，左踏板的水平分力使右踏板越過死點位置。這樣交替蹬踏，都有效度過死點位置，避免了卡死的情況。②采用直齒圓柱齒輪傳動，齒輪模數(shù)為1的標準圓柱直齒輪，齒數(shù)分別為15和200（或225）。當踏板速度30次/分鐘時，減速電機的轉(zhuǎn)速剛好為260轉(zhuǎn)/分鐘。機械踏板傳動結(jié)構(gòu)主要由S形軸、滑塊、導桿、踏板、大圓柱直齒輪、軸承、軸承支架、底座、直流發(fā)電機支架組成。

3 應用

該裝置在推廣使用上是非常有意x的，雖然，它的成本比一般課桌要高，但它卻能實現(xiàn)普通課桌實現(xiàn)不了的功能，讓課堂在開始就充滿了未知的向往。在現(xiàn)在高科技迅速發(fā)展的時代，我們應該讓學生更多地了解機械，運用它，并喜歡上對機械的制造和研發(fā)，能夠讓學生更加積極主動地加入到機械的行列，而且針對現(xiàn)在環(huán)保對于人類生存發(fā)展的重要性，雖然，它不能完全解決環(huán)境帶來的影響，卻能對環(huán)境保護產(chǎn)生一定影響，而且該課桌成批量生產(chǎn)成本會較低。

參考文獻：

篇10

關(guān)鍵詞：工業(yè)供配電、電路設計

中圖分類號： S611 文獻標識碼： A

前言：工業(yè)供配電和普通的家庭供配電在設計上還是有著比較特殊的差異的，工業(yè)在供配電時通常是隨著極大的電力負荷，對于高、低壓配電系統(tǒng)的選擇也是有著一定的要求。除了要滿足工廠的用電的需求，同時還要盡量的保障工廠電力系統(tǒng)也能夠安全穩(wěn)定的運行。另外，在滿足企業(yè)的基本用電需求的時候，也盡量可能多的考慮設計方案的經(jīng)濟效益，這樣才能夠為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟價值。

1、工業(yè)供配電設計的原則

1.1供配電總體布置設計

遵循國家相關(guān)法規(guī)，設置總體內(nèi)外變配電布局設計，依照短路電流需求、同路負荷和對應額度，確定變電所的高低側(cè)電裝置。本著可靠與效益原則設置配電壓、配電網(wǎng)設計方案，測算導線橫面和電壓耗損配置裝備。

1.2防雷器材的設計原則

依照當?shù)貐^(qū)氣象條件，考慮安裝防雷器材裝置，采用防直擊避雷器材作用范圍核算，計算，排除易反擊狀況空間長度計算，依據(jù)基本參數(shù)設計防雷電型號，確立連接位置，通過避雷火弧電、頻放電壓與最大允許安裝距離檢驗以及沖擊接地電阻計算。

2、工業(yè)供配電設計中需要注意的問題

2.1電力負荷

電力負荷在展開工業(yè)配電設計的時候，首先應該做的是進行負荷分級。分級依據(jù)會根據(jù)電力負荷因事故中斷后在政治及經(jīng)濟上所造成的影響及破壞程度來確定，一般會分成一級、二級和三級，當供電中斷以后，造成的影響及損失越大，對供電的可靠性的要求就會越高。在進行電力負荷分級的時候，不同的行業(yè)因為使用的設備不同，在分級的時候也會時不同的參考依據(jù)，在《工業(yè)民用配電設計手冊》中會有具體說明。電荷分級以后針對不同級別電荷的供電要求也是不一樣的。(1)一級電荷的供電要求是最嚴格的，尤其是對于一級電荷別重要的電荷，一般會配備兩個電源，這是因為當一個電源維修的時候，可以有另一個電源來進行持續(xù)供電，這樣才能夠避免電荷的中斷。但是在實際操作的過程中應該考慮到，很有可能在當一個電源發(fā)生嚴重故障的時候也會對另一個電源造成一定的影響，這很容易會導致兩個電源都出現(xiàn)問題。為了避免這樣的情況發(fā)生通常對于一級重要電荷除了會配備兩個常用電源外還需要配備一個增設應急電源，應急電源系統(tǒng)可按具體條件來選擇，通?？刹扇—毩l(fā)電機組或者選取第三路獨立電源或蓄電池來替代。(2)對于第二級負荷在供電的時候，需要盡量保障在線路發(fā)生常見的故障的時候供電不被中斷，或者中斷后電力系統(tǒng)能夠迅速恢復供電。(3)第三級負荷的供電要求只需要盡量保障其在正常狀況下的用電即可。

負荷分類及計算通常工業(yè)配電中都會伴隨著許多大功率的用電設備，這些設備不僅會產(chǎn)生很大的用電量，在進行負荷分類時也有嚴格的參照。根據(jù)國內(nèi)電價制度對于不同性質(zhì)的工業(yè)企業(yè)、企業(yè)內(nèi)不同形式設備的用電在電價計收費方式上都會有所區(qū)分，在設計時應當盡量將不同電價的負荷嚴格分開，這樣才能夠讓后期的分類計費更易于操作。負荷計算在工業(yè)配電中是很有必要的，只有前期進行準確的計算才能夠知道企業(yè)所需的總負荷量及負荷等級與負荷類比，有了這些數(shù)據(jù)后才能夠計算出各支部的分負荷，進而可以以此為依據(jù)向供電部門申請電源及擬定的供配電系統(tǒng)及設備。同時，也可以以此為依據(jù)來選擇需要的電器、導體，計算出潛在的電壓損失、電能損失及功率損失等。

2.2高壓、低壓供配電系統(tǒng)的選擇

供電電壓的選擇主要取決于工廠用電負荷的大小、供電距離的遠近以及工業(yè)企業(yè)的規(guī)劃與遠景。對于大型工廠以及用電負荷很大的中型企業(yè)，設備容量可以控制在2000～50000 kV，如果輸送電能距離在20～150 km內(nèi)的可以以35～11 kV的電壓進行供電。對于中小型工廠通常電容設備課控制在100～2000 kV內(nèi)，當輸送電能距離在4～20 km以內(nèi)時可采用6～10 kV的電壓進行供電。工業(yè)配電高壓、低壓供配電系統(tǒng)的選擇要根據(jù)工廠具體的情況來定，在獲取了工廠的設備容量、電能輸送距離等數(shù)據(jù)后可以針對性的采取合適的配電系統(tǒng)。此外，在確定工廠高壓配電電壓時應當對于各種配電方案進行綜合性權(quán)衡，在滿足企業(yè)基本用電需求的同時應當盡量多的考慮方案的經(jīng)濟效益。對于低壓供配電系統(tǒng)的選擇則需要著重考慮低壓用電設備的電壓，通常情況下380/220 V基本能夠適用。但對于有些特殊行業(yè)，例如礦井下作業(yè)的工業(yè)企業(yè)，這樣的低壓配電無法滿足其需求， 需要采用660 V甚至1140 V的低壓配電電壓。對于高壓、低壓供配電系統(tǒng)的選擇需要具體參考企業(yè)的性質(zhì)、用電需求及設備電容量等客觀因素。以某新建石化工程項目為例，該項目在實際運作過程中主要劃分為兩個區(qū)域:生產(chǎn)區(qū)和輔助區(qū)，在生產(chǎn)區(qū)中又會有很多個子項目，其中涵蓋裝置區(qū)、廠房、配電房及水泵房等，每個區(qū)域應當選擇的供電電壓都不一樣。原則上首先需要計算出每個子項目中的用電負荷總量，同時要算出所要設備的總電壓。在選擇供電電壓時線路的輸送距離也應當有準確的測算，這樣才能夠了解在輸電線上可能產(chǎn)生的電壓損耗。只有對于單個項目的各方面狀況都有了清晰的了解后才能夠在確定合適的供電電壓。工業(yè)配電設計在實際工業(yè)項目或工業(yè)廠房中應用很多，在進行設計前很重要的一點是要具體考察項目的實際情況再來選擇合適的設計方案，這樣才能夠在設計出科學有效的方案的同時又能夠最大程度幫助企業(yè)節(jié)省不必要的電費開支。

3、供配電設計中常見問題

3.1供配電設計的配電設備或處所

配電設備線路破損，變壓器容量虛假劣質(zhì)電能表，斷路器等設備導致安全隱患;缺乏保護與降低智能開閉和軟起器，缺乏變電所配電，加大距離，降低效率。注意各處計量途徑不統(tǒng)一，配電所地理處所千差萬別，有些潮濕影響變壓器壽命和工作穩(wěn)定。還有些維護或消防通道不合格，限制配電設備工作發(fā)揮，也增加維護工作量與經(jīng)濟投入。

3.2供配電系統(tǒng)監(jiān)測手段落后

在某些大型工業(yè)廠區(qū)或綜合建筑群，日常的用電量很大經(jīng)常出現(xiàn)負荷如果做不到及時監(jiān)控，可能導致變壓器及其他電器破損，經(jīng)過一段時期運行后不能做到實時監(jiān)控配電變壓器工作情況的話，可能造成該配電系統(tǒng)的安全隱患二即使維修得當、也形成了電氣損壞和經(jīng)濟損失。

3.3供配電系統(tǒng)非消防電源控制失誤

根據(jù)消防有關(guān)規(guī)定，確認火情同時應當切斷非消防電源，并連通消防報警或火警標志燈，一旦發(fā)現(xiàn)火情，應立即切斷防火區(qū)域非消防電源。在此類設計中經(jīng)常低壓柜出線側(cè)切斷配電干線回路。如果不注意分路設置電源線路，造成火災時得驚慌與報警器失靈。

3.4長距離供電缺乏短路保護

電纜大間距對設備供應電流、在監(jiān)測末端設備工作是否正常開啟與電壓能否達到要求的同時，也要注意設置饋電斷路器帶短路或過延時保護設施，因短路的剎那形成電纜的保護死角，或電路末端無法有效保護，與長電路的末端斷路器形成級差，造成越級跳閘現(xiàn)象。

結(jié)束語：隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和社會進步，電能在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓狡鸬脚e足輕重的作用，電氣化拉動經(jīng)濟增長，提高社會生產(chǎn)率，降低勞動成本和人們勞動強度，工業(yè)供配電設計對于發(fā)展經(jīng)濟，改善人們生活有著非常重大現(xiàn)實意義。文中針對供配電設計與運行中的問題，結(jié)合實踐體會提出一些解決辦法和對策，希望供配電系統(tǒng)更好的提供安全可靠的供配電系統(tǒng)和高質(zhì)量電能，為我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展和人們生活提供有力保證。

參考文獻：