电路设计前景范文

导语：如何才能写好一篇电路设计前景，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：输电线路；设计；路径选择

中图分类号： S611 文献标识码： A

一、概述

输电线路设计中的路径选择可以说是输电线路工程的龙头工作，一条线路的起点和终点确定之后，线路设计人员应该遵照各项方针政策，根据运行安全、经济合理、施工方便等因素进行确定出最佳的路径方案。

二、输电线路设计中路径选择的原则

1、政策和经济性原则。按照国家有关规定，输电线路路径的选择需要遵守相关的法律法规及行业标准，必须与当地的建设总体规划相结合。

2、准确评估环境影响。随着国民经济的不断发展，对输电线路的要求越来越高，对涉及外部条件的环境影响评价、压覆矿产评估、地质灾害评估、文物调查及评估、河势分析及防洪影响评估、地震安全性评价等工程前期工作都需得到相关行政管理部门的许可批准后，工程才能实施。

3、尽量采取避让措施。实际上就是对路径的优化选择，采用另行选线、增加转角塔等方法避让一些环境敏感区，尽量避开城镇规划区、开发区、居民区、军事设施、大型采石场、机场、火车站等重要区域及复杂地质带和微气象区。

4、自然环境的原则。输电线路设计中路径选择应尽量避开森林、绿化区、农田等，减少为架设线路而造成的森林砍伐以及对沿路的建筑物的拆迁，以免对自然环境以及人民生活造成较大影响。

5、安全运行原则。输电线路路径，要充分考虑运行安全的要求，防止安全事故的发生，选线阶段需根据沿线经过区域，进行实地调查。如：输电线路的重要跨越点的选择、热源对输电线路的影响、污染对输电线路的影响等等。

三、输电线路设计路径选择的技术要求

路径选择和勘测是整个线路设计中的关键，方案的合理性对线路的经济、技术指标和施工、运行条件起着重要作用。为了做到既合理的缩短路径长度、降低线路投资又保证线路安全可靠、运行方便，一条线路有时需要徒步往返3~5趟才能确定出最佳方案，所以线路勘测工作是对设计人员业务水平、耐心和责任心的综合考验。

在工程选线阶段，设计人员要根据每项工程的实际情况，对线路沿线地上、地下、在建、拟建的工程设施进行充分搜资和调研，进行多路径方案比选，尽可能选择长度短、转角少、交叉跨越少，地形条件较好的方案。综合考虑青赔费用和民事工作，尽可能避开树木、房屋和经济作物种植区。在勘测工作中做到兼顾塔位的经济合理性和关键塔位设立的可能性(如转角点、交跨点和必须设立杆塔的特殊地点等)，个别特殊地段更要反复测量比较，选择出最优路径。

1、在起点和终点不变的情况下，尽可能降低线路的长度和转角次数，并力求减小转角的角度。线路路径设计应尽量按照直线距离考虑，降低曲折系数。一般情况下，输电线路越短，途经地区越少，材料费用就越低，场地清理预算也会相应降低，施工难度就越小。尽量能靠近现有国道、省道、县道和乡镇公路，改善线路周边的交通条件，方便线路施工和运行。

2、尽量避免跨越房屋、厂房等建筑物，最好绕过或远离居民区。当线路途经居民区时，时常会遇到当地居民以风水或辐射等原因阻挠线路架设的情况，严重影响了线路工程的施工进度。

3、尽量避免线路通过果园等经济作物区或其它森林植物生长地区。当线路途经经济作物区时，线路工程需要增加场地清理费的预算，而且在施工过程中，也会因为赔偿问题而影响施工进度；当线路途经快速生长的植物区时，将会为输电线路日后的安全运行埋下隐患，可靠性也将受到严重的影响；当途经稀有植物区时，由于需要考虑植物存活率的问题，还可能会涉及到政府林业部门的相关手续，也会增加线路工程的施工难度。

4、不允许线路通过易燃、易爆、不良地质地带和采动影响区等区域，避免这些地区的某些因素对输电线路造成破坏。如果线路沿线出现类似区域，需要提前采取措施提高其安全水平，甚至需要迁改线路路径。

5、尽可能减少重要高压输电线路的交叉跨越。如果遇到不能避免的情况时，应尽量接近垂直交叉，并保持一定的安全距离。如果跨越电力线路时，可能会涉及到线路停电配合施工、带电施工、搭设跨越架等情况。目前，由于各行各业对输电线路可靠性的要求越来越高，所以，在设计线路时，要尽量考虑在不影响其他电力线路运行的情况下该线路施工的可行性。

6、应尽量避免与公路或河道等交叉跨越，如果不能避免这种情况时，应尽量与被跨越物垂直交叉，并且在河道最窄、两岸地形较高、地质条件较好的地段跨越。当线路跨越公路、河道时，施工时可能需要封路、封航，这也将增加施工难度和施工预算。

7、由于变电站或电厂的构架受力有限，输电线路应尽量垂直于构架。

四、输电线路设计路径选择中存在的问题

1、部分设计单位将线路的勘测外包给其他单位，导致设计人员对前期工作现场调查不到位，现场的实际情况不够清楚，设计不够严谨，多次变更施工图纸。另外，部分设计单位对地质探测的深度不够，造成地质评估报告误判，以致出现部分变电站基础下沉的情况。

2、地方政府的支持力度不够。政府部门在进行市政规划时，未能充分考虑电力线路规划问题，以至于部分输电线路路径选择受限，它们的曲折系数比较高。后续施工过程中，发现一些已经被政府规划部门批复的线路工程路径后续又被其他企业征用，以至于出现了设计变更的情况。一些线路走廊被其他企业征用或用于其他用途，增加了输电线路的长度或多出了一些不必要的交叉跨越，所以，就相应增加了工程造价。

3、由于线路可能会途经多个村镇和区域，不可避免地会出现一些民事问题。民事问题越多，就越拖延施工工期。目前，民事问题已经成为了输电线路施工和运行维护的最大难题之一。因为民事问题，部分线路工程的场地清理费超预算100%以上，延误工期2年以上。所以在进行线路路径选择工作时，尽量深入基层，调查民事，避免开工后因民事问题的影响造成大面积改线。

4、不必要地提高设计标准。例如，过度提高安全系数，造成档距过小，塔位数量增加，增加了线路工程的建设规模。

5、过度满足用户的需求，降低路径选择的条件。例如，某电厂并网发电项目在厂区规划过程中，用户并未向供电局征求线路路径要求，导致出线构架方向与线路路径方向相差甚远。

结束语

总言之，作为输电线路设计重要环节的路径选择，它直接关系着整个线路设计的好坏，更对整个输电线路的成败产生着至关重要的影响。所以要求相关技术人员必须认真对待，在进行线路选择时应充分考虑各种影响因素的综合作用，从而选出最优方案，确保线路运行安全。

参考文献

[1]张殿生：电力工程高压送电线路设计手册（第二版）.中国电力出版社

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关键词：地铁车辆；牵引控制；故障处理

1 车辆概况

南京地铁采用 A 型车辆，其牵引、制动分别系统采用阿尔斯通和克诺尔公司的产品。

车辆单元分为带驾驶室的控制车 A、带受电弓的动车 B 和不带受电弓的动车C 三种类型。6车编组，每一列车由2个单元构成，即为　A— B — C — C — B — A，A 车头采用自动车钩，两单元之间采用半自动车钩，单元内部车钩用半永久性连接杆连接。

2 影响车辆正常牵引的故障

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关键词：区域精神文明；区域经济；思路

中图分类号：F207 文献标识码：A 文章编号：1001-828X（2012）10-0-01

在现代区域经济发展诸要素中，以自然资源、生态环境、人文历史等要素为内容的精神文明建设，是不可或缺的基础性要素，又以其乘数效应渗透于劳动力、资金、技术等牵动性要素与制度性要素之中，成为区域经济发展的强大驱动力。区域精神文明促进区域经济发展具体体现在：文化资源成为影响区域经济增长的重要因素；文化产业成为区域经济新的增长点；区域文化塑造区域特色经济；文化交流促进和谐区域建设；企业文化提升区域微观基础的核心竞争力，增强区域的整体经济实力。

一、区域精神文明建设的内涵及其特殊性

区域精神文明建设是指一个区域范围内全部精神文明活动的总和。作为我国社会主义精神文明建设的重要组成部分，它具有精神文明建设的一般性，同时，区域精神文明又具有自身的特殊性。首先，区域精神文明建设具有区域性，由于各个区域在自然资源、人文历史和风俗习惯等方面的千差万别，从而形成了各自的特点，使区域精神文明建设带有明显的区域性；其次，区域精神文明建设具有中间性，这点在处于城乡结合部的区域体现得尤其明显，这一区域的精神文明建设具有显著的中间性。再次，区域精神文明建设具有整体性，区一级政权是国家在基层比较完整的经济、政治和社会单元，它囊括了工农商业、党政军、社区、社团等经济、政治、社会实体，相对于行业的精神文明建设而言具有整体性。

二、区域精神文明建设与区域经济的契合性

（一）精神文明建设的区域性。以区域精神文明建设的区域性为切入点，把握区域精神文明建设与壮大区域特色经济的契合性。区域特色经济是依托区域自然、人文等资源，形成具有地方色彩的地域经济，如安溪县的茶叶经济、德化县的陶瓷经济、惠安县的石雕经济和沙县的小吃经济。区域精神文明建设壮大区域特色经济的切入点，关键在于把具有区域特性的传统文化资源转化为区域经济资源，形成现实生产力。洛江区旅游传统文化资源丰富、闻名遐尔，拥有洛阳古桥、双髻山、仰恩湖、蔡襄祠、俞大猷公园、施琅将军陵园等自然景观和人文景观，拥有印尼风味特色餐饮、印尼舞蹈等异国文化，拥有“陈三五娘”传说、“妆糕人”等入选省级非物质遗产的地方文化，每个自然景观和人文景观都有其美丽而奇异的传说，尤其是双髻山宗教文化更是一绝。因此，洛江区在区域精神文明建设服务区域经济上，应当认真学习安溪、德化、惠安县把传统茶文化、陶瓷文化、石雕文化转化为茶叶经济、陶瓷经济、石雕经济的成功经验，尤其是沙县小吃经济遍布我省诸多城市形成规模不小的小吃经济，小吃文化居然能做得如此精彩，其成功更是令人深思。所以把握区域精神文明建设与壮大区域特色经济，应该重点做好区域性特色传统文化资源向经济资源转换的文章，挖掘、整理和开发旅游文化，促其向旅游经济转换，着力构建生态旅游经济。

（二）精神文明建设的中间性。以区域精神文明建设的中间性为切入点，把握区域精神文明建设与壮大区域劳务经济和民营经济的契合性。壮大区域经济的两大途径是工业化和城市化。因而，区域精神文明建设服务区域经济，最重要在于为区域的工业化和城市化服务。然而，区域精神文明建设的中间性特点告诉我们，区域精神文明更多的是乡村文明和农业文明，而较少的恰恰是现代社会所需要的城市文明和工业文明。所以，区域精神文明建设服务区域经济，就必须在推进工业化和城市化所需要的工业文明和城市文明建设上加大力度。就洛江区来说，目前主要的任务是有效提升区域民众的劳动技能和企业家的素质，因为，洛江区的基本区情之一是城郊型的农业大区，耕地资源小，人均耕地只有0.4亩左右，人地矛盾造成劳动力相对过剩。但是劳动力资源不等于人力资源，如何使劳动力资源转化为人力资源，关键在于劳动技能的提升使其适应工业文明和城市文明的需要。只有劳动力资源转化为人力资源，并开发外出务工，才能形成区域劳务经济。因此，区域精神文明建设要把职业技能和职业道德培训，把农民变成工人、市民当做自己的重要任务。同时要致力于提升本区域企业家素质，从而达到提升区域民营经济管理水平、壮大发展区域民营经济的目的。

（三）精神文明建设的整体性。以区域精神文明的整体性为切入点，把握区域精神文明建设与壮大区域开放经济的契合性。区域开放经济是指区域经济应当面向全省、全国乃至全世界开放，即区域经济应当突破区一级行政区划的约束，在更大的区域范围内进行资源的优化配置，获取竞争优势。随着我国市场经济体制日趋完善，以及入世后按WTO规则办事的要求，当前区域经济在招商引资中再搞“优惠政策”吸引力已大不如前。投资者进行投资目光转移到该区域的信誉和名气。同时，区域信誉也有助于工业、农业产品打出市场、农村劳动力有效转移。区域信誉与形象是区域经济的无形资源，形象就是环境，形象决定发展，于是很多地方都把形象建设摆上重要的位置，如南安市提出树立“乐于商、乐于住、乐于游”的区域形象，外省有的县提出树立“门槛最低，办事最快，服务最优，信誉最好，回报最高”的区域形象。必须指出区域形象作为一个区域的总体标志，具有识别功能，有利于提高区域的指向引力，成为区域经济发展的吸纳器和助推器。所以，区域形象作为一种无形的社会资源已成为发展区域开放经济的关键。因此，区域精神文明建设服务区域经济，要以整体性为切入点，在树立区域形象、提高区域名气上下功夫。

三、区域精神文明建设的形象性

区域精神文明建设是一个区域整体形象的体现，它主要包括深层次的区域人文精神与表层次的区域基础设施和文化设施等，是区域各个行业，各个方面精神文明的总表现，其中区域人文精神是区域形象的核心。区域形象的表层建设要在抓好城市规划和管理的同时，着重抓好城市标志性建筑和文化基础设施建设。区域形象的深层建设，应着重抓好区域人文精神培育。但是，区域人文精神的培育，绝不是靠几句简单的口号，开几次动员会，搞一阵风就能奏效的。在培育区域人文精神过程中，首先，要深入开展“树文明新风、建文明新城、做文明公民”等多种形式的群众性精神文明创建活动，大力弘扬“爱国守法、明礼诚信、团结友善、勤俭自强、敬业奉献”为主要内容的公民道德规范，形成先进的区域文化。其次，要汲取区域文化的优秀成果，并且结合时代特征，树立符合区情民情富有生命力人文精神；再次，借助区域领导层和精英人士的示范倡导，区域民众的认同和参与，使区域文化长得到成长与积淀。总之，培育区域人文精神不能脱离区域的社会环境，不能脱离时代要求，就当代而言应把培育的重点放在区域社会形成创业致富、全面小康的价值追求，形成诚信友善、积极进取的行为理念上。一旦这些价值追求和生活理念变成区域干部、群众的自觉行为，区域人文精神就建立起来了。如“爱拼才会赢”的闽南精神便是一个典型的例子。

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【关键词】470MHz；功耗；通信模块

1、引言

随着计算机网络技术、传感器技术及无线通信技术的高速发展，具备以上三种技术的无线传感网络日益引起了人们的高度关注[2]。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景[3]。无线通信模块一般被布置在环境比较恶劣、无人值守区域，因此无线通信模块能量受到限制。因此，低功耗成为了无线传感器网络最重要的设计准则之一。故此，本文提出了以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为处理器模块和射频通信模块，制作470MHz频段的无线通信模块。

2、470MHz无线通信节点的总体设计

470MHz无线通信模块的总体设计分为硬件总体设计和软件总体设计，其中硬件设计方案为本文重点设计对象。硬件设计方案中重点设计470MHz频段无线射频模块。470MHz无线通信模块的总体设计中的软件设计方案是对470MHz频段无线射频模块底层驱动进行设计。470MHz无线通信节点总体设计方案和实际模块，如下图1，图2。

图1 470MHz无线通信节点总体设计方案

图2 470MHz无线通信节点实物图

2.1470MHz无线通信节点的硬件设计

为解决现有通信模块技术中存在的问题，本文提供一种支持IEEE802.15.4g标准的470MHz无线通信模块。本文主要介绍470MHz无线通信模块的硬件设计，硬件设计总体分为微控制器电路设计、无线射频电路设计、接口调试电路设计以及供电电路设计。

2.1.1微控制器电路和接口调试电路的设计

微控制器电路选用了TI公司生产的MSP430F5529芯片，该芯片是16位超低功耗微处理器，最高工作频率为25MHz，内置128K字节的闪存，同时还具有非常丰富的外设接口等。微控制器电路设计部分，包含外接接口电路设计、复位电路设计和晶振电路设计。微控制器和接口电路，如图3。晶振电路采用的是一个为32.768KHz的外部低速时钟源，另一个为16MHz的高速外部时钟源来稳定系统时钟[4]。MSP430F5529的启动方式为上电复位。主控电路模块和射频电路模块的通信方式是通过SPI来进行的。接口调试电路设计采用一个JTAG接口。JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件进行编程。

图3 470MHz无线通信节点微控制器和接口电路

2.1.2射频电路的设计

射频模块芯片选用采用TI公司的CC1200无线射频收发芯片，CC1200 器件是一款全集成单芯片射频收发器，高性能低功耗芯片，此器件设计用于在成本有效无线系统中实现极低功耗和低压运行的高性能。射频电路的设计是470MHz无线通信节点设计的核心。射频电路设计需要注意的是巴伦电路的设计、微带传输线的设计和射频电路的设计[5]。射频电路设计，如图4。

2.1.3供电电路设计

下面接收供电电路设计，电源模块采用普通的可充电的锂电池。输入电压通过AMS1117稳压芯片将电压转换成3.3V电压，为整个电路提供稳定的电源；当电池电量达不到最低电量要求时，可以通过5V电源接口对电池充电，充电芯片采用的是MCP738332[6]。供电部分电路设计，如图5。

2.2470MHz无线通信模块的软件设计

本章只是大体说下无线通信模块的软件设计，不做具体介绍。首先进行串口通信设计节点接收数据传递给上位机直观显示出数据采用串口通信方式。首先进行串口初始化通信设计。初始化完成后可通过串口给节点发送指令来控制节点的数据通信。还有射频模块主程序设计先要配置射频寄存器参数本设计可以通过配置射频寄存器参数来选择信道，中心频率，发射功率，传输速率等系统参数。在设置发送命令给射频芯片，微控制器芯片将发送命令通过SPI传输给射频芯片可以改变射频芯片的工作模式。射频可以通过一些配置来控制射频芯片工作机制的设置，例如中断设置，模式设置，数据包处理设置等。

图4 470MHz无线通信节点射频电路设计

图5 470MHz无线通信节点供电电路设计

3、实验测试

根据国家标准GB/T 15629.15-2010《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网》中针对470MHz测试的性能指标要求，提出470MHz无线射频模块射频性能总体测试方案，包括发射功率测试、通信距离测试。

3.1发射功率测试结果

将模块通过连接线连接到设置好的频谱分析仪（N9010A）上，读取数据并截图，如下图

图6 模块功率测试

由上图可知，模块的最大发射功率为14.61dBm，并且基本没有带外杂散辐射，符合标准。

3.2、通信距离测试结果

抽取两个节点，分别下载发送和接收程序，两个模块进行点对点的测试（两点距离为1.2公里处），通过串口助手将数据打印出来并分析，结果如下表

表2 实际通信距离测试

4、结论

本文根据无线传输原理、无线射频电路设计技术及无线传感网技术，重点研究巴伦电路设计、微带传输线设计及PCB设计技等关键设计电路，完成设计470MHz频段无线传感网节点，以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为微控制器模块和射频通信模块，设计完成模块，使模块能够实现通信模块的通信距离达到1200m和发射功率达到14dBm等方面的一系列技术指标。

参考文献

[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，04：114-124.

[2]戴莹.无线传感器网络在智能电网中若干关键问题的研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[3]AkyilidizIF，SuW，Sankarasubrmaniam Y， et al.Wireless sensor networks： a survey[J].Computer Networks，2002，38（4）： 393-422.

[4]刘旭.基于IEEE802.15.4g的无线通信系统开发与研究[D].山东：山东大学，2013.

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关键词：医用诊断设备；光电检测；前置放大电路；AD8034

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.2.006

引言

在用于临床检验科室的医用体外诊断设备中，大量应用光学信号的变化来分析血液、尿液和脑脊液等体液成分，因此光电检测电路设计被广泛应用于该类设备。医用光电检测电路根据光学信号变化情况可以分为两大类，第一类是用于检测近似静止或者光学信号的缓慢变化，如应用比色法进行检测的生化分析仪和血凝仪等的低频光电检测电路，第二类是用于检测光学信号的快速变化，如用于血液细胞分析仪和流式细胞仪的高频光电检测电路。

本文介绍一种用于上文中第二类光学信号检测的高频光电检测模拟电路设计，该前置放大电路作为一个独立PCB板设计，封装为用于光电转换的前置放大器，整个系统的电气性能主要由该模块决定。本设计的检测对象是波长为535nm附近的绿光信号，该信号是由快速经过光照区的细胞所引发的散射光信号，根据细胞经过光照区的速度，散射光信号变化频率在1MHz～1.8MHz之间。

1 系统方案

由于散射光信号的光功率很低，为了减少信号转换中引入的干扰，同时适合医用设备的光学应用场景，本设计采用了传感器偏置模块、带宽补偿模块、I/V转换模块和信号调理输出模块的系统设计方案，如图 1所示实现完整的光学检测前置放大电路设计。

前置放大电路包含光电转换传感器、带宽补偿电路、I/V转换电路和信号调理电路，将光信号转换为电压脉冲信号输出给后续仪器处理电路，该光电检测电路封装为用于光电转换的前置放大器，本文重点介绍该电路的设计实现。

2 传感器偏置设计

前置放大模块的电路性能是本设计的关键，需精心进行设计和调试。根据系统光信号特点，选用日本滨松公司的S1223型光电二极管作为光电转换传感器。S1223的有效接收面积为2.4mm×3.6mm，工作在10V以上偏置电压的条件下，可以提供25MHz的信号频率响应，在400～1000nm波长范围内具有良好的光电转换性能，能够满足光信号转换的要求。

如图3光电二极管S1223使用VB=-12V偏置，为了防止电流过大损坏光电二极管，反偏电路中加入了20kΩ的限流电阻，此时的反偏电压不小于10V，由图 2可知S1223中存在约50pA暗电流，通过I/V转换之后产生的电压在uV级水平，对电路性能没有影响。

3 带宽补偿设计

由于引入限流电阻将导致电路在高频信号下，光电流大部分以电荷形式储存在光电二极管的结电容中，流出的电流很小，简单说就是造成信号带宽下降，具体如下式所示：

其中C1=0.1μF。当C1>>Cs时（一般10倍以上），就可以保证光电流基本无损的经过后续I/V转换电路，实现带宽补偿。

4 I/V转换设计

光电二极管输出的电流信号难以被电路直接放大，一般都是先经过I/ V转换电路转变为电压信号。本设计I/V转换电路采用成熟的跨阻放大器来实现，基本电路模型如图 5所示。

通常I/V转换电路使用FET型输入的运算放大器实现，应选择偏置电流小，输入电容低和失调电压温漂系数低的高开环增益运放，此外需着重关注电流噪声、电压噪声、输入电容、增益带宽积等参数。在本设计中，I/V转换部分信号带宽最小取3MHz，运放的增益带宽积选择由反馈电阻Rf、总输入电容Ci和信号带宽共同决定。总输入电容Ci为二极管电容与运放输入电容之和。

通常运放的输入电容为几个pF，S1223在反向偏置时的结电容为20pF，估算走线电容为2pF，运放的输入电容取8pF，因此取Ci=30pF计算。图5中的电路在45°相位裕度的时候有下面的公式关系，其中f2表示带宽高限频率，此处即3MHz，ft表示运放的最小单位增益带宽。

根据系统光信号在光电二极管S1223上的电流范围、板卡输出电压信号峰峰值确定I/V变换电路的反馈电阻取R2 =6.2kΩ，根据上面公式得I/V变换的运放增益带宽积必须大于10.5MHz。综合上述考虑，本设计采用ADI公司的AD8034实现，其增益带宽积为80MHz。

另外在I/V变换电路中，为了使电路稳定，需要在反馈电阻上并联一个电容，以减少电路的不稳定性，即图5中的Cf。根据下面信号带宽计算公式

2.56MHz，通带增益为1。根据放大倍数、带宽和增益带宽积间的简单关系，同样选择ADI公司的AD8034。同时，为了去除低频信号的干扰，电路中引入一级由RC电路组成的高通电路，截止频率根据R2、C2值可简单计算得到高通截止频率为16Hz。

6 信号带宽分析

分析各级电路模块的信号带宽，可以计算得到整个电路的信号带宽：

1）光电二极管S1223的带宽：25MHz；

2） I/V转换级的带宽：为1阶低通模型，可知低通截止频率为5.1MHz；

3）1阶高通模型的带宽：为1阶高通模型，可知高通截止频率为16Hz；

4）固定增益环节的带宽：为1阶低通模型，可知低通截止频率为3.18MHz；

5）2阶巴特沃兹低通滤波器的带宽：低通截止频率为2.56MHz。

综上，根据多级放大电路频响的上限截止频率计算公式

计算可得，整个光电检测前置放大电路的信号通带范围为（16 Hz～2.07M Hz），带宽约为fH=2.07M Hz，满足光学信号的设计需求。

7 噪声分析

根据多级放大电路的原理，本文介绍的光电检测前置放大电路的噪声主要决定于I/V转换电路引入的噪声。对用于高速光电信号转换的I/V转换电路，该级噪声主要为运放的电压噪声和Rf的电阻热噪声。由于整个电路的的信号带宽为fH=2.07MHz，取等效噪声带宽变换因子为1.57，同时后级放大级增益为G=10，则结合图5所示的I/V转换等效电路模型，整个电路的噪声计算如下：

结语

本文介绍的医用光电检测前置放大电路设计，在研制过程中经历多次试验，结果表明满足开发的临床诊断设备应用需求，且具有电路形式简单、噪声性能良好、稳定性高等优点，可以在同类医用诊断设备的设计应用中加以推广，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]刘斌，张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报，2003，27（3）：194-196

[2]宋涛，张斌，罗倩倩.光电转换电路的设计与优化[J].光电技术应用，2010，25（6）：46～48

[3]S1223 Si PIN Photodiode数据手册.日本滨松公司.

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【关键词】STM32单片机 多参数 电感及气动传感器 电气控制

1 前言

本论文介绍了机械平台方案及原理设计、传感器信号处理和采集电路、以STM32为核心的电磁阀、步进电机等硬件驱动电路设计。

2 机械结构方案及测量原理

被测带轮安装于气动塞规上，步进电机驱动塑胶小齿轮与被测带轮啮合传动。塑胶齿轮压紧被测带轮，被测带轮与气动塞规的贴合面作为测量基准。带轮在塑胶轮的啮合下转动一周，位于横轴、纵轴的电感式传感器以及塞规内的三组气动测头按一定时间间隔在工件上连续采样。气动塞规内安装的三组气动测头用于检测内径等信息，带轮轴向和径向垂直安装的三组电感式位移传感器用于测量带轮高度、外径、平行差、外圆跳动等参数。

3 硬件电路设计

3.1 信号处理电路设计

通常，传感器输出信号具有种类多、信号微弱、易衰减、易受干扰等特点。故而信号需经过一些预处理、信号的调制与解调、信号的非线性校正、信号的限幅或放大、滤波处理、阻抗匹配、AD转换等，从而滤除传感器信号的高频分量、提高传感器信号的抗干扰能力、使输入级的输入阻抗和传感器的输出阻抗相匹配。本文最终设计的信号处理电路如图1所示。

3.1.1 限幅电路设计

本部分设计电路中利用5.6V的稳压二极管1N4734和串联200Ω电阻的方法将输出信号钳制在-0.7V和5.6V之间。1N4734稳定电压UZ为5.6V，在2.0V反向工作电压下，其最大漏电流为10uA。以第一路传感器信号处理电路为例，本设计中R88取值为200Ω，此时由于漏电流在R88上产生的压降Ur约为2mV，几乎可以忽略，若取值过大，势必造成传感器信号的更大衰减。当传感器输出最大电压Um达9V时，此时R88上压降约为3.4V，R88通过的最大电流Im约为17mA，可由公式（1）计算得出。

Im=（Um-UZ）/R88 （1）

由式（1）可知，当R88过小时，二极管稳压状态下，其通过的电流势必增大，而这电流由传感器内部提供，长期过载使用会减小传感器使用寿命，更甚者会直接烧坏传感器。

3.1.2 分压和滤波电路设计

在限幅电路中，R88作为限流电阻存在，同时由于分压电路的设计，其也作为分压电阻的一部分而存在。故本部分设计电路中，分压电路是有电阻R88、R1、R3和可调电阻R7构成的。已知要求分压系数K=0.6，分压电阻的计算公式如（2）所示。

K=（R3+R7）/（R88+R1+R3+R7） （2）

最终分别取R1=47K，R3=68K，R7=5K，R7可调电阻用于微调分压系数。由于电阻用于传感器的精确分压以及测量系统工业环境的应用，对分压电路的电阻精度和温度特性要求很高，R1和R3在此均使用0.1%的阻值误差，10个PPM的超低温漂系数，并联的钽电容C3用于滤除传感器信号的高频干扰。

3.1.3 跟随电路的设计

跟随电路中，电压串联负反馈且反馈系数为1，故Uo=Ui。MAX44251采用专有的自相关归零技术，直流失调和偏移接近于零。电压跟随器在这里的作用是阻抗变换作用，一方面，将输入阻抗变得很高，另一方面，输出阻抗变得很低，AD输入阻抗对跟随电路的输出信号的影响可以做到很小。

3.2 阀门驱动电路设计

电磁阀的开关决定气缸的执行动作，是本系统自动化检测中重要基础元件。合理的驱动设计、完善的隔离措施、可靠的保护回路是保证电磁阀控制的精度和灵活性的关键，也是保证硬件系统可靠性和安全性的关键。阀门驱动电路如图2所示。

BC639-16的集电极和发射级之间安全电压Vceo=80V，集电极最大能承受电压Ic=1A，直流放大倍数hFE范围为100～250，已知电磁阀线圈电阻约在200Ω左右，电源U=24V，正常工作时电源需提供电流IC约120mA左右，根据公式（3）知基级只需很小的电流便足以使三极管达到饱和从而驱动电磁阀正常工作。

IB=IC/hFE （3）

由图2可知，当光耦控制端为低电平时，受光器接收到光线，并产生光电流，输出端导通，进而使Q12导通，电磁阀在24V电压下正常工作。反之，当F1为高电平时，电磁阀断开。上拉电阻R52防止F1在电平状态不确定时，电磁阀出现误导通情况。R38和R46将24V电源分压，确保光耦输出端工作在合适的电压下。二极管D7用于泄放反向电动势，防止电磁阀开关动作瞬间产生的感应电流烧毁三极管Q12，从而起到保护元器件的作用。

3.3 步进电机驱动电路设计

拟定被测带轮旋转一周用时2S，即被测带轮转速为N1=0.5转/秒，已知所选42步进电机减速比为5，被测带轮齿数Z1=124，与被测带轮啮合旋转的小塑胶轮齿数Z2=80，一个齿轮传动副中，两啮合齿轮转速和齿数关系公式如（4）所示。

N1/N2=Z2/Z1； （4）

由式（4）可求出小塑胶轮转速为N2=0.775转/秒，根据公式减速比为输入转速与输出转速之比可知电机输入转速N=3.875转/秒。设驱动器选用800脉冲/转的细分设置，可计算出PWM脉冲频率为3.1K。

电机驱动器采用共阳极接法，本系统最终设计的电机驱动电路如图3所示。由于PWM脉冲频率为3.1K，响应速度不高，同时兼顾经济原则，故采用TP521作为隔离和驱动的光耦器件。

4 总结

本文针对现行工厂带轮检测设备落后、功能单一等缺点，提出了新的检测仪设计方案，并简要阐述了机械结构方案和设计原理，着重介绍了电气控制的硬件电路设计，为现行企业的设备升级提供了切实可靠的路径，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]倪厚强.轴类零件综合误差在线检测仪研究与实现[D].东南大学，2004.

[2]王焊东.传感器应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[3]张国雄.测控电路[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.6.

作者简介

龚阳波（1989-），男，湖南省张家界市人。硕士学位。研究方向为智能仪表。

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计算机系统所要求解决的问题日趋复杂，与此同时，计算机系统本身的结构也越来越复杂。而复杂性的提高就意味着可靠性的降低，实践经验表明，要想使如此复杂的实时系统实现零出错率几乎是不可能的，因此人们寄希望于系统的容错性能：即系统在出现错误的情况下的适应能力。对于如何同时实现系统的复杂性和可靠性，大自然给了我们近乎完美的蓝本。人体是迄今为止我们所知道的最复杂的生物系统，通过千万年基因进化，使得人体可以在某些细胞发生病变的情况下，不断地进行自我诊断，并最终自愈。因此借用这一机理，科学家们研究出可进化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可进化硬件不但同样具有自我诊断能力，能够通过自我重构消除错误，而且可以在设计要求或系统工作环境发生变化的情况下，通过自我重构来使电路适应这种变化而继续正常工作。严格地说，EHW具有两个方面的目的，一方面是把进化算法应用于电子电路的设计中；另一方面是硬件具有通过动态地、自主地重构自己实现在线适应变化的能力。前者强调的是进化算法在电子设计中可替代传统基于规范的设计方法；后者强调的是硬件的可适应机理。当然二者的区别也是很模糊的。本文主要讨论的是EHW在第一个方面的问题。

对EHW的研究主要采用了进化理论中的进化计算（EvolutionaryComputing）算法,特别是遗传算法（GA）为设计算法，在数字电路中以现场可编程门阵列（FPGA）为媒介，在模拟电路设计中以现场可编程模拟阵列（FPAA）为媒介来进行的。此外还有建立在晶体管级的现场可编程晶体管阵列（FPTA），它为同时设计数字电路和和模拟电路提供了一个可靠的平台。下面主要介绍一下遗传算法和现场可编程门阵列的相关知识，并以数字电路为例介绍可进化硬件设计方法。

1．1遗传算法

遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程的一种自适应全局优化算法，它借鉴了物种进化的思想，将欲求解问题编码，把可行解表示成字符串形式，称为染色体或个体。先通过初始化随机产生一群个体，称为种群，它们都是假设解。然后把这些假设解置于问题的“环境”中，根据适应值或某种竞争机制选择个体（适应值就是解的满意程度），使用各种遗传操作算子（包括选择，变异，交叉等等）产生下一代（下一代可以完全替代原种群，即非重叠种群；也可以部分替代原种群中一些较差的个体，即重叠种群），如此进化下去，直到满足期望的终止条件，得到问题的最优解为止。

1．2现场可编程逻辑阵列(FPGA)

现场可编程逻辑阵列是一种基于查找表(LUT,LookupTable)结构的可在线编程的逻辑电路。它由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态，工作时需要对片内的RAM进行编程。当用户通过原理图或硬件描述语言（HDL）描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会把设计方案通过编译形成数据流，并将数据流下载至RAM中。这些RAM中的数据流决定电路的逻辑关系。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用，灌入不同的数据流就会获得不同的硬件系统，这就是可编程特性。这一特性是实现EHW的重要特性。目前在可进化电子电路的设计中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。

2进化电子电路设计架构

本节以设计高容错性的数字电路设计为例来阐述EHW的设计架构及主要设计步骤。对于通过进化理论的遗传算法来产生容错性，所设计的电路系统可以看作一个具有持续性地、实时地适应变化的硬件系统。对于电子电路来说，所谓的变化的来源很多，如硬件故障导致的错误，设计要求和规则的改变，环境的改变（各种干扰的出现）等。

从进化论的角度来看，当这些变化发生时，个体的适应度会作相应的改变。当进化进行时，个体会适应这些变化重新获得高的适应度。基于进化论的电子电路设计就是利用这种原理,通过对设计结果进行多次地进化来提高其适应变化的能力。

电子电路进化设计架构如图1所示。图中给出了电子电路的设计的两种进化，分别是内部进化和外部进化。其中内部进化是指硬件内部结构的进化，而外部进化是指软件模拟的电路的进化。这两种进化是相互独立的，当然通过外部进化得到的最终设计结果还是要由硬件结构的变化来实际体现。从图中可以看出，进化过程是一个循环往复的过程，其中是根据进化算法（遗传算法）的计算结果来进行的。整个进化设计包括以下步骤：

（1）根据设计的目的，产生初步的方案，并把初步方案用一组染色体（一组“0”和“1”表示的数据串）来表示，其中每个个体表示的是设计的一部分。染色体转化成控制数据流下载到FPGA上，用来定义FPGA的开关状态，从而确定可重构硬件内部各单元的联结，形成了初步的硬件系统。用来设计进化硬件的FPGA器件可以接受任意组合的数据流下载，而不会导致器件的损害。

（2）将设计结果与目标要求进行比较，并用某种误差表示作为描述系统适应度的衡量准则。这需要一定的检测手段和评估软件的支持。对不同的个体，根据适应度进行排序，下一代的个体将由最优的个体来产生。

（3）根据适应度再对新的个体组进行统计，并根据统计结果挑选一些个体。一

部分被选个体保持原样，另一部分个体根据遗传算法进行修改，如进行交叉和变异，而这种交叉和变异的目的是为了产生更具适应性的下一代。把新一代染色体转化成控制数据流下载到FPGA中对硬件进行进化。

（4）重复上述步骤，产生新的数代个体，直到新的个体表示的设计方案表现出接近要求的适应能力为止。

一般来说通过遗传算法最后会得到一个或数个设计结果，最后设计方案具有对设计要求和系统工作环境的最佳适应性。这一过程又叫内部进化或硬件进化。

图中的右边展示了另一种设计可进化电路的方法，即用模拟软件来代替可重构器件，染色体每一位确定的是软件模拟电路的连接方式，而不是可重构器件各单元的连接方式。这一方法叫外部进化或软件进化。这种方法中进化过程完全模拟进行，只有最后的结果才在器件上实施。

进化电子电路设计中，最关键的是遗传算法的应用。在遗传算法的应用过程中，变异因子的确定是需要慎重考虑的，它的大小既关系到个体变异的程度，也关系到个体对环境变化做出反应的能力，而这两个因素相互抵触。变异因子越大，个体更容易适应环境变化，对系统出现的错误做出快速反应，但个体更容易发生突变。而变异因子较小时，系统的反应力变差，但系统一旦获得高适应度的设计方案时可以保持稳定。

对于可进化数字电路的设计，可以在两个层面上进行。一个是在基本的“与”、“或”、“非”门的基础上进行进化设计，一个是在功能块如触发器、加法器和多路选择器的基础上进行。前一种方法更为灵活，而后一种更适于工业应用。有人提出了一种基于进化细胞机（CellularAutomaton）的神经网络模块设计架构。采用这一结构设计时，只需要定义整个模块的适应度，而对于每一模块如何实现它复杂的功能可以不予理睬，对于超大规模线路的设计可以采用这一方法来将电路进行整体优化设计。

3可进化电路设计环境

上面描述的软硬件进化电子电路设计可在图2所示的设计系统环境下进行。这一设计系统环境对于测试可重构硬件的构架及展示在FPGA可重构硬件上的进化设计很有用处。该设计系统环境包括遗传算法软件包、FPGA开发系统板、数据采集软硬件、适应度评估软件、用户接口程序及电路模拟仿真软件。

遗传算法由计算机上运行的一个程序包实现。由它来实现进化计算并产生染色体组。表示硬件描述的染色体通过通信电缆由计算机下载到有FPGA器件的实验板上。然后通过接口将布线结果传回计算机。适应度评估建立在仪器数据采集硬件及软件上，一个接口码将GA与硬件连接起来，可能的设计方案在此得到评估。同时还有一个图形用户接口以便于设计结果的可视化和将问题形式化。通过执行遗传算法在每一代染色体组都会产生新的染色体群组，并被转化为数据流传入实验板上。至于通过软件进化的电子电路设计，可采用Spice软件作为线路模拟仿真软件，把染色体变成模拟电路并通过仿真软件来仿真电路的运行情况，通过相应软件来评估设计结果。

4结论与展望

进化过程广义上可以看作是一个复杂的动态系统的状态变化。在这个意义上，可以将“可进化”这一特性运用到无数的人工系统中，只要这些系统的性能会受到环境的影响。不仅是遗传算法，神经网络、人工智能工程以及胚胎学都可以应用到可进化系统中。虽然目前设计出的可进化硬件还存在着许多需要解决的问题，如系统的鲁棒性等。但在未来的发展中，电子电路可进化的设计方法将不可避免的取代传统的自顶向下设计方法，系统的复杂性将不再成为系统设计的障碍。另一方面，硬件本身的自我重构能力对于那些在复杂多变的环境，特别是人不能直接参与的环境工作的系统来说将带来极大的影响。因此可进化硬件的研究将会进一步深入并会得到广泛的应用而造福人类。

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方法一：看职业前景，明专业身世

要想了解这三个专业到底学什么，先来看看这些专业未来从事的是什么工作，以此来区分它们。

电子信息工程：当软件工程师、电子工程设计师。

电子科学与技术：开发计算机硬件，当电路设计工程师。

电子信息科学与技术：电子方面，可以做电路设计工程师；信息方面，可以做电信工程师；计算机方面，开发软件、硬件。

南京大学电子信息工程专业的小Z毕业后到中兴上海研发中心工作。他的专业侧重于“信息”，与通信业密切相关，像现在使用的彩信手机，可以传输图片、甚至录音，这就是他的工作研发的范畴。现在，电子信息工程已经涵盖了社会的诸多方面，如电话交换局里怎么处理各种电话信号，我们周围的网络怎样传递数据等都要涉及电子信息工程的应用技术。毕业生除了做电子工程设计师开发电子、通信器件，做软件工程师为各类硬件设备“量身”开发软件外，还可以在积累几年的工作经验后，主持策划一些大的系统开发，如中国联通打造的CDMA网络。

与小Z不同，毕业于华中科技大学电子科学与技术专业的小J进了创维电器有限公司创维彩电厂。最初是在生产第一线流水线上做最基层的工作，不久就被调到技术组做生产线技术员。可以说，电子科学与技术专业的生命力是最顽强的，它的知识更新不如电子信息工程快，但持久而弥新，在制造业中有着不可替代的作用。正如美国“硅谷”最大的成功之处就在于紧紧抓住世界半导体工业发展的脉搏，才有今天的发展，成为世界经济的样板。计算机硬件开发、电路设计工程师是这个专业的标志性职业。

与他们来自同一城市的小L，从南京信息工程大学电子信息科学与技术专业毕业后就到了海信集团技术服务部，每天的工作就是维护计算机。最初是做一些顾客回访、产品市场调查、计算机系统维护，后来参与一些详细的工作，比如约定顾客、维修单开立、对外宣传以及维护工作。电子信息科学与技术对应的是IC产业，即集成电路，简称芯片。可以说，在血缘关系上它与电子科学与技术相当亲近，有很多交融之处，甚至可以把它认为是后者的子专业，术有专攻，学有更精、更深。毕业生就业的范围非常广泛，在电子方面，可以做电路设计工程师，有线无线都能上手；在信息方面，可以做电信工程师；在计算机方面，搞软硬件开发都在行。

方法二：熟学习内容，知专业重点

电子信息工程：重“信息”，学习硬件电路、软件编程。

电子科学与技术：重“电子”，学习物理电子、光电子和微电子学。

电子信息科学与技术：重电路设计，学习电子、计算机、信息技术。

电子信息工程与电子科学与技术，同属于“电气信息”下的两个专业，而电子信息科学与技术则隶属于电子信息科学类。但他们都是与“电子”相关的专业，就像是三胞胎一样，它们之间有着许多的共同点，如它们的工作领域交叉，对学生的数学、物理、英语基础要求都很高。然而它们也有着各自不同的地方，从它们所开设的专业课程便可看出。

电子科学与技术的着重点在于“电子”，它的学习范围是物理电子、光电子和微电子学。电子科学与技术专业有两个内容十分重要，可以说决定了你今后工作的前途。一个是集成电路设计，也就是芯片。另一个重要内容就是嵌入式系统。所以，你一定要学好大一、大二的基础课：数字电路、模拟电路、C语言等。

相对于电子科学与技术，电子信息工程专业更偏重于“信息”工程，主要是信号的处理以及电子设备的集成与开发。就课程而言，电子信息工程与通信工程十分相似，但学得比通信工程广泛。电子信息工程专业对动手操作和使用工具的要求也是比较高的，譬如自己连接传感器的电路，用计算机设置小的通信系统。该专业的科技含量很高，学起来也是比较辛苦的，因为要掌握的知识都是与时俱进、时常更新的技术含量很高的新东西。学这个专业，要有“钻劲”，课上课余都置身其中，才能“泡”出真才实学。

电子信息科学与技术是一个宽口径的专业，主要是偏电路设计，以后的方向是技术类，如超大规模集成电路设计或研发等，学习内容非常广泛，涉及电子、计算机、信息技术三大知识板块。学这个专业的学生常常觉得“很赚”，一是学的东西很多，二是因为动手的乐趣多。电子信息科学与技术专业的学习内容与电子科学与技术专业的内容在很大程度上相似，如计算机、信息处理、嵌入式方向。不过与电子科学与技术不同的是，计算机与嵌入式主要是偏重硬件，信息处理偏重算法，要求很强的数学功底。

方法三：观专业特色，选心仪学校

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关键词:MSP430F449;等精度法;自动识别;功耗

中图分类号:TN709 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2010)02-0307-02

0 前言

随着测量技术的飞速发展以及人们对电参数的测量精度要求的提高,目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足测量要求,因此一种使用更方便,测量精度更高的电参数测试仪将会有广泛的使用价值和应用前景。

1 理论分析与计算

设计要求:①电阻测量范围:10Ω～100KΩ,相对误差

②电流测量范围:100μA～10mA,相对误差

③电压测量范围:100mV～10V,相对误差

④频率测量范围:100Hz～10kHz,相对误差

⑤显示刷新周期≤2s,使用单5V直流电源供电;

⑥连续测量的时候可以不检测输入信号类型,但须设置AUTO功能键,按下后自动判别一次输入信号类型,判别时间不大于4S。

频率测量原理分析。

下图1为等精度测频法的测量原理时序图。等精度测频法同时使用两个计数器A和B对待测信号频率Fx和频标信号频率Fm在设定的精确门内进行计数,精确门与预置门的门限时间相同,Fx的上升沿触发精确门。用两个计数器分别在精确门内对Fx和Fm计数得数值分别为M和N,则待测信号的频率为Fx=MFxN,由于计数由待测信号的上升沿控制,故M无计数误差,误差为ΔFx=MFxN-1-MFxN,相对误差为ΔFxFm=1N-1,本系统精确门门限时间为0.5S,频标信号频率Fm=8MHz,N=4000000,相对误差可达0.000025%,完全达到设计要求。

2 系统总体设计方案

本系统先对所测信号进行识别,后调用相应的测量电路进行测量。由于本系统将电流,电阻信号转换为电压信号,将所测测量结果送入单片机后由其内部12位AD进行采样,根据所测结果进行计算后由LCD实时显示,系统设计图见下图2.

3 主要电路设计

3.1 信号判别电路方案设计

本系统首先对待测信号进行频率检测,若检测信号频率不为0,则转入频率检测,若信号频率为0,则将电阻R1接入回路,检测R1两端电压,若电压值为0,则待测信号为电阻,转入电阻测量。若电压值不为0,则将R1换为阻值不同的R2,检测R2两端电压,若电压值与R1相同则待测信号为电压,转入电压测量,若不同,则待测信号为电流,转入电流测量。详细电路设计见下图3.

3.2 电压测量电路方案设计

本系统为了降低功耗,充分利用MSP430内部资源,所以使用MSP430内部AD进行采样,其内部AD为12位,最大输入幅值为2.5V,精度为 V=0.6mV,完全达到设计要求精度。将待测通过一电阻分压网络后,将分压网络每个节点电压经双四通道模拟开关MAX309,模拟开关分两路输出,一路信号经射级跟随器后输入到MSP430中由AD采样,另一路输出信号经一放大电路后输入到MSP430中由AD采样。根据采样值判断比较这两路输出值后计算出待测电压大小。详细电路设计下图4。

3.3 电阻测量电路方案设计

本系统采用改变反馈电阻大小对恒定电压实现不同倍数的放大,通过对输出电压的测量可以计算出放大倍数,从而计算出待测电阻的大小。由于要求采用单电源供电,所以运放采用精密,低噪声可单电源供电的OPA350,测量小电阻采用导通电阻小于5Ω的模拟开关MAX4664。详细电路设计见下图5。

4 系统软件设计

本系统软件主要由MSP430F449构成,根据按键选择不同的测量电路,从而根据测量值计算出待测信号的大小。MSP430F449主要完成人机交互部分处理和系统控制和计算,整个系统模块化思想始终贯穿,详细流程图见右图6所示。

5 数据测试与分析

5.1 测试仪器

5.2 测试方案及结果

通过改变待测频率,电阻,电压,电流值的大小检测系统的测试精确度。详细测试结果见下表1,2,3,4.

5.3 结果分析

通过以上数据可知,本系统测量信号频率精度很高,测量其他指标精度也达到了设计要求。由于本系统采用了较多的模拟开关,其实际导通电阻与其性能参数中导通电阻相差较大,且随工作电压的变化而改变,导致本系统测量精度无法进一步提高,若大量使用继电器,则会导致系统体积较大,且功耗较高,故综合考虑模拟开关比较适合本系统。

6 结语

本电参数测试系统与广泛使用的万用表相比,使用方便,只需要两个探测表笔,无需档位切换便可自动检测出待测电信号,且精度高,性能稳定,具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]黄根春,陈小桥,张望先.电子设计教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[2]谢自美.电子线路设计实验测试(第二版)[M].北京:华中科技大学出版社,2003.

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关键词： 笔记本电脑； STC12C2052； 智能温控； 散热器 

中图分类号： TN37?34； TP302.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）10?0113?03 

Design of intelligent temperature control radiator based on microcontroller 

JIN Qichun， LI Hanshuang， CHEN Weiwei 

（School of Mechatronic and Power Engineering， Jiangsu University of science and Technology， Zhangjiagang 215600， China） 

Abstract： The base fan?type radiator may keep a constant speed while opening， and its rotate speed can’t be adjusted automatically. In order to overcome the above shortcomings， an intelligent temperature control radiator was designed. The radiator is composed of the temperature acquisition module， motor driver module， display module， etc. According to the real?time acquired temperature， the fan’s speed can be changed with the speed variation of the controlled motor by means of PWM register owned by the controller itself， so the purpose of heat dissipation by intelligent temperature control is achieved. 

Keywords： laptop； STC12C2052； intelligent temperature control； radiator 

笔记本电脑自诞生起，散热问题就随之而来，如何将笔记本电脑在工作时产生的热量快速有效地散发出去，保证其正常工作，是笔记本散热器设计研究要解决的核心问题。目前，外接型的底座风扇式散热器是市场上较流行的一种散热器[1]，然而该散热器处于工作状态时，散热风扇就一直保持在较高的转速下运行，不能随笔记本电脑工作温度的改变进行风扇转速的自动调节，这样就造成了能源的浪费。为了解决这个问题，本文设计了一种基于单片机的智能温控散热器，它可以根据温度变化，实现散热器转速档位的自动调节，从而达到节能散热的双重效果。 

1 系统设计原理 

本文中设计的散热器系统以单片机作为控制器，通过温度传感器实时测量笔记本电脑出风口的温度，并送由单片机读取，单片机根据测得温度值所属温度区间来调节电机的转动速度，每一温度区间对应一种特定的转速，温度越高，电机转速越快，从而实现风扇转速的智能控制。系统同时设置有显示器，可以交替显示当前所测的温度值和电机的转速档位。系统结构设计图如图1所示。 

2 系统硬件电路设计 

散热器系统硬件电路设计包括：单片机最小系统电路设计、温度采集电路设计、电机驱动电路设计和显示电路设计，设计完成的智能温控散热器原理图如图2所示。 

2.1 单片机最小系统电路设计 

STC12C2052是一种含有8051内核，结构精简，高效能低功耗的单片机，片内含2 KB可反复擦写的flash只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器[2]，且自带PWM脉宽调制模块。其适应温度范围广，抗干扰能力强，适用于各种不同的开发环境，在电子行业中有广泛的应用。 

图2 智能温控散热器原理图 

单片机最小系统包括复位电路，晶振电路和电源电路。该系统中复位电路采用按键手动复位操作方式。当按键按下时，开关导通，此时电容两端形成一个回路，电容即被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量，其电压从5 V逐渐减小，同时10 kΩ电阻两端的电压增大，所以RST引脚接收到高电平，单片机系统自动复位。晶振电路是在一个反相放大器的两端接入晶振，且有两个22 pF的电容分别接到晶振两端，每个电容的另一端再接到地，该电路为系统提供基本时钟信号。电源电路将从USB口取得的5 V直流电经过滤波电容输出给单片机，为系统提供稳定的电压。 

2.2 温度采集电路设计 

DS18B20温度采集传感器以其功耗小，微型化，性能高，抗干扰能力强的优点[3]，在实际场合和领域中得到越来越广泛地应用。该温度传感器可以将温度转化为数字信号传输给单片机进行处理，可编程分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5 ℃，0.25 ℃，0.125 ℃和0.062 5 ℃，即分辨位数越多，实现的测温精度越高[4]。它的测温范围为-55～125 ℃，在-10～85 ℃时测温精度为±0.5 ℃，此测温范围和精度足以适用于对笔记本电脑出风口温度的测量。另外，该传感器具有单线接口的特点，即它与微处理器连接时仅需一条口线便可以实现与微处理器的双向通信[5]。　2.3 电机驱动电路设计 

本设计采用直流电动机驱动电扇转动，其工作电压为5 V。由于单片机输出给电机的电流比较微弱，电机无法正常运转，这就需要加驱动电路将单片机电流信号放大。L9110驱动芯片是一款为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大器件，其静态工作电流低，电源电压范围大，抗干扰能力强且成本低，因此该芯片很符合此系统的设计要求。 

L9110芯片有IA、IB两路输入管脚和OA、OB两路输出管脚，这四路管脚的输入输出逻辑关系如表1所示。由表1可知，当IA、IB输入端均为高电平或者低电平时，OA、OB输出端全为低电平，此时电动机不转动；当IA、IB两个输入端输入电平高低不同时，OA、OB两个输出端有高低电位差，此时电动机转动。 

表1 L9110输入输出管脚逻辑关系表 

本系统通过单片机的PWM控制来实现电机的转速调制，并且利用定频调宽方法改变PWM脉冲占空比。如图3所示，脉冲信号是由连接电机的开关先导通T1秒、再断开T2秒得到的[6]，由占空比[D=T1T]，则电机的平均电压为： 

因此，定频调宽即为保持T不变，调节T1，T2来改变占空比D，获得电机不同的平均电压Ud，从而实现直流电机的调速[7]。 

2.4 显示电路设计 

显示器采用了双位LED共阳极数码管。其中，单片机的P3.2和P3.3管脚控制数码管的位选，并且使用2个PNP型S8550三极管作为驱动。单片机通过控制三极管处于饱和区或截止区，对应三极管状态为接通或断开，从而实现数码管位选端的通断。对于段选电路，单片机的P1.0～P1.7口各自连接了470 Ω的限流电阻，使数码管能正常显示数字和字符。数码管采用了动态扫描显示方式，数据经由P1口传递到数码管显示，数码管按位快速扫描后，利用视觉暂留效应，可以使人看到两位数码管同时显示[8]。 

3 系统软件设计 

散热器系统软件设计主要分为三大模块：温度采集、DC电机驱动、数码管显示，并采用C语言编程。系统上电以后，首先对各个模块进行初始化设置，然后用温度传感器DS18B20检测笔记本电脑出风口的温度，将温度发送给单片机之后，单片机根据测得温度所属的区间，控制占空比来调节不同的PWM脉宽，从而控制直流电机的转速。当外部采集的温度在25～35 ℃范围时，人体对温度感觉较温和，此时电脑内部的温度大约为35～45 ℃，而笔记本电脑的正常工作温度为45 ℃左右，所以此时CPU的工作状态较稳定，风扇缓慢转动即可；外部采集的温度在35～55 ℃范围时，电脑内部的温度大约在45～65 ℃，此时应适当加快电脑的散热速度；当外部温度大于55 ℃时，人体能明显感觉温度比较高，而此时电脑内部的温度大于65 ℃，十分不利于电脑正常运作，因为CPU温度一旦超出75 ℃，会给电脑带来死机甚至报废的后果，所以此时应调节风扇高速运转，加快笔记本电脑的散热速度[9]。由此，本系统将温度范围划分为三个区间：[25，35），[35，55），[55，100）。测得温度在25～45 ℃时，控制脉宽占空比为20%，电机转速较慢；45～55 ℃时，控制脉宽占空比为50%；大于55 ℃时，控制脉宽占空比为80%，此时电机转速较快，可以有效且快速地为电脑散热。同时，系统通过延时程序，将采集的温度和电机转速档位转化成数字量间隔30 s显示在数码管上。系统主程序流程图如图4所示。 

4 结 语 

本文介绍了单片机控制的智能温控散热器系统，该系统巧妙地将温度测量、单片机PWM控制电机转速及数码管显示等模块联系在了一起，使散热器不必一直保持在高速运转的状态下，它可以根据电脑出风口的温度来有效调扇的转速，不仅可以达到良好的散热目的，而且符合节能的环保理念。系统同时具备智能化、结构精简、安全系数高、可操作性强的优点，因此可以给电脑用户带来极大的便利。此外，若将电路和程序稍作修改，它还可以应用在多种场合，例如直流电机的调速系统，环境温度的监测[10]。因此该产品设计具有广阔的市场前景和广泛的实际应用需求。 

参考文献 

[1] 何可.笔记本坐上“冷板凳”[N].中国质量报，2012?05?10（8）. 

[2] 姚永平.STC12C2052AD系列单片机器件手册[Z].北京：宏晶科技，2005. 

[3] MA Jianhui， GUO Peng， MENG Kai. Study on intelligent temperature controller based on expert controlling [J]. Sensors & amp transducers， 2014， 171（5）： 20?24. 

[4] 明德刚.DS18B20在单片机温控系统中的应用[J].贵州大学学报（自然科学版），2006，23（1）：106?110. 

[5] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.