家庭电路设计方案范文

导语：如何才能写好一篇家庭电路设计方案，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：嵌入式Linux；传感器；智能住宅；CGI；web

1.智能住宅的发展前景

智能家居又称智能住宅，国外常用Smart Home表示。

智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。

智能家居集成是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。以下是智能家居能实现的功能和提供的服务：

1、始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件。

2、安全防范：智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、紧急呼救，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。

3、家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的自动控制和远程控制等。

4、交互式智能控制：可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应。

5、环境自动控制。如家庭中央空调系统。

6、提供全方位家庭娱乐。如家庭影院系统和家庭中央背景音乐系统。

2.系统硬件详细设计方案

主要方案为以NCAP模块和STM模块为主要硬件电路。其中包括存储器电路设计、以太网接口电路设计、CAN接口电路设计、A/D转化电路设计、压力传感器电路设计等。网络化接口方案可利用硬件芯片实现TCP/IP协议栈。

2.1嵌入式Web服务器的处理器

处理器采用三星公司的ARM9处理器S3C2440。通过外扩存储器SDRAM和NANDFLASH、以太网接口、串口、JTAG调试端口等构建成服务器硬件平台。其中网络接口采用DM9000网卡芯片。服务器通过串口与协调器进行数据交互。

2.2外部传感器

具体的嵌入式Web传感器是基于某个特定的基本传感器来实现的。我们选用了AD590 模拟温度传感器，设计并实现嵌入式Web温度传感器的软件系统。

3.系统软件详细设计方案

3.1嵌入式TCP/IP 协议栈移植

本设计主要实现ARP、IP、ICMP、TCP协议。以太网数据的传输是采用MAC地址来识别的，而ARP协议提供IP地址和数据链路层使用MAC地址之间的转换功能，为了保证系统在以太网的通信，首先要实现ARP协议。Web服务器同Web浏览器之间的通信是通过HTTP协议实现的，在传输层采用TCP协议，能保证可靠的数据传输，进而实现其基础之上的HTTP协议[1]。HTTP是WWW的核心协议。HTTP是一个属于应用层的面向对象的协议。HTTP协议有两项功能，即传输文件和实现动态交互应用。在Linux内核中配置TCP/IP协议栈，进入内核目录中执行make menuconfig，选择Netwoking suppt并进入，进入netwking options子目录，选中 TCP/IP netwking 选项，然后选择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服务器移植

系统上电后Web服务器就自动运行，

并时刻监听端口。本设计采用嵌入式Web服务器boa。b移植步骤如下：1） 编译boa。下载Boa0.94.13 版本源码，将其解压并进入源码目录的src 子目录执行/boa/src/configure 生成Makefile 文件，修改Makefile 文件的CC 和CPP 的编译器为交叉编译器。然后执行make 命令，得到可执行程序boa。2） 配置boa。修改boa.conf 文件，完成boa 的配置，使其能够支持CGI 程序的执行。3） 将boa 和boa.conf 文件下载到嵌入式Linux 中。本设计分别把boa 和boa.conf 文件下载到/bin 和/etc/boa/目录下。

3.3 CGI脚本编译

CGI全称是“公共网关接口”（Common Gateway Interface），CGI建立在客户机/服务器机制上，为外部扩展应用程序与Web服务器交互提供了一个标准接口。其主要功能是在Web环境下，从客户端传送一些信息给Web服务器，Web服务器把接收到的有关信息放入环境变量，然后再去启动所指定的CGI脚本以完成特定的工作，CGI脚本从环境变量中获取相关信息来运行，最后以HTML格式输出相应的执行结果返回给浏览器端[2]。

CGI应用程序读取从嵌入式Web服务器传递来的各种信息，并对客户端的请求进行解释和处理，设计中主要启动串口数据通信进程，从串口发送数据到ZigBee协调器。最后CGI应用程序会将处理结果按照CGI规范返回给嵌入式Web服务器，Web服务器会对CGI应用程序的处理结果进行解析，并在此基础上生成HTTP响应信息返回给客户端浏览器[3]。编写相应的静态HTML 文件，然后编写CGI 脚本文件，实现对设备的控制和数据的采集。本设计采用C 语言编写CGI 脚本，窗体以GET 方法将用户提交的数据传递给CGI 程序，最后保存为.c 文件。然后用交叉编译命令arm-linux-gcc 生成能够在ARM 中运行的CGI程序。静态网页HTML 文件存放于/www/目录下，CGI 程序放在/www/cgi-bin/目录下。整个软件系统移植完毕后，在浏览器中输入ARM 板中的IP 地址就可以访问了。

4.方案分析

在本课题前期的研究过程中，全体成员均增强了对“智能住宅”的理解，对“智能住宅”的内涵、中长期的发展前景以及在当前时代背景下所面临的困难和挑战都有了进一步的认识。团队成员熟练掌握了在Linux环境下上层应用软件的开发，外设接口驱动开发、跨平台移植、Bootloader代码分析与移植、以太网烧写工具代码分析与移植。

我组全体成员对于利用嵌入式ARM9进行数据采集与网络传输操作，在智能传感器的基础上把TCP/IP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现成智能服务器的ROM中，利用传感器内建的Web服务器，用户可以通过浏览器采集远程监控对象的信息，在网络中查到设备采集的数据，实现传感器的网络化的整个流程有了更深的了解。

该技术应用前景广阔，在未来的智能住宅中必将有广泛的应用。

参考文献：

[1]刘武超.嵌入式家居监控系统的研究与设计

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关键词：灭火机器人；stm32F103VCT6Mini；设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.210

1 实现功能与设计方案

我们想制作一个可以全自动运作的机器人，它可以在任何地方识别地形，自主完成灭火工作。要想完成这个工作需要考虑很多方面。比如地面摩擦、机器人电机的转速差、各个齿轮间的摩擦等多个因素，我们用一个小屋来模拟现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭它。

针对以上的实现功能，我们打算设计一个一辆两个大轮转动，两的万向轮配合使用的车子，灭火工具在经过讨论之后，我们打算使用风扇这样一个相对难度较低的灭火器件。

2 机器人设计制作原理

灭火机器人主要以stm32为控制核心，他通过红外火焰传感器确定火灾位置，通过红外传感与地面灰度传感器进行地形识别，我们采用双电机驱动来使其运动。通过无线蓝牙模块启动小车后，机器人沿着场地里的右面墙壁行走，当搜寻到有蜡烛的房间时，红外传感器电压会变低，低于设定好的电频值，单片机接受信号，驱动电机，完成灭火。

3 模拟房子介绍

我们用的模拟场地的墙壁33cm高，材质为木头与金属。所有地板为黑色的金属地板。墙壁为白色木质板。为了更加形象，我们在地板、门口铺设地毯，模拟家庭。场地中所有的走廊和门口宽都是46cm，我们采用2.5cm宽的金属标识表示房间入口。

4 系统硬件设计

我们设计的目的是设计一个在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的智能机器人小车，本次设计使用的主控芯片使用了stm32单片机，我们有它完整的库，所以程序编写方面不成问题，主要工作是设计驱动跟改善机械结构上。

机器人机械部分安装及改造：我们采用3D打印技术一次性打印出车体的框架。在电路板方面，我们用AD将稳压模块，电机驱动，stm32芯片全都集成到了一个板子上，节省了车体空间。因为是用3D打印的车体，所以车体坚固，重量小，便于其转弯，提速。

传感器的设计安装、系统电路板的固定及连接：我们把五个红外管放在底盘上面，三个大致岔开60度，车体后面安装了两个大致岔开120度的红外对管。这样能够使探测的范围更大，有利于对墙壁的探测。系统电路板用铜柱架空，为了达到灭火的高度，将风扇和火焰传感器也加高。

5 系统软件设计

软件设计方案是以上述硬件电路为基础的，我们采用C语言编写，在将程序分为多个部分，一号房间，二号房间，三号房间，四号房间，一号返回，二号返回，三号返回，四号回家。用结构化程序完成小车的既定任务，方便，简洁，有效。包括电机控制模块、传感器模块的程序设计与实现。

6 灭火机器人行进路线分析

当小车于起点，小车一是可以不通过台阶，绕着1号房间向外搜索。二是直接过台阶，然后开始搜索。结合我们小车的特点和前面分析，我们选择不过台阶。

起跑后，小车处于1号和4号房间中间，由图可知，沿着左走的方案比较好，因此我们采用是左手规则，首先搜索的是1号房间，如图中的绿色箭头。当在1号房间发现火源时，小车进入房间并灭火，灭火后按最左侧路线返回；如没有发现火源，小车继续按左手规则搜索房间，在第2个房间里有火源时，无论在那个角，火焰传感器都能检测得到，如果没有检测到，则直接搜索第3个房间，同理，然后搜索第4号房间，不管有没有搜索到火源，从4号房间出来都绕着4号房间返回起点，因为回家过程中的时间不记入总时间，而绕行比较安全，小车比较好控制。

在选择回家的路径时，因为回家时间不算，所以针对这问题，我们的想法是减慢回家的速度，争取成功率和稳定性。而且路线的选择我们选的是从第一个房间里出来的是绕远路的行驶路线，从第二个房间里出来是直线回家，但是不会再搜索其余的房间，因此我们在回家的程序上进行了很多讨论，最终确立了一个最佳方案。

7 实验心得与结论

本次的全自动循迹灭火机器人的设计对我来说是个非常好的经历，它使我学会了keil这个编译环境。并且我对C语言的理解加深，对stm32芯片的各个模块的运用更加娴熟。使我在学习创造方面有了质的飞跃。再设计制作中我也认识了很多大神朋友，他们教会了我很多东西，我在未来的制作中可以避免很多错误，丰富了知识储备。我体会到硬件设计如果比较好的话，软件编程是比较容易的，所以这才启发我如果想搞好硬件，软件必须要懂，要想编出一个比较漂亮的程序，硬件设计也要必须懂，只有软硬兼顾，这才能开发出一个比较好的系统。

此外，由于地面的摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦等因素，控制机器人直行和转90度有一定的难度，要经过反复的调试、降低机器人的速度、通过传感器矫正等才能达到比较精确的控制。所以在做的过程中，选择一个好的、稳定的车模是必须的。

参考文献：

[1]国际赛制机器人灭火比赛规则[S].PDF.

[2]公茂法.黄鹤松.杨学蔚.单片机原理与实践[M].北京航空航天大学出版社，2009（03）.

[3]谭浩强.C程序设计（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2010（06）.

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2003（12）.

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【关键词】智能控制；二氧化碳传感器；LCD1602液晶显示；DS1302时钟模块

1前言

随着社会经济的快速发展，在智能化技术的潮流的带领下，家庭生活朝着智能化和现代化前进，智能窗帘也渐进成为智能家居的一个重要部分。目前已经批量生产的窗帘装置主要费时费力、不够智能化和人性化。本文的防丢装置的受益于大众，实现人员的手动及自动控制，便于室内换气和采光。窗帘在每个家庭中起到至关重要的作用，窗帘不仅能遮风挡雨还能保护用户的隐私。传统的窗帘大部分是手动窗帘，不仅费时费力，而且还可能错过的换气和采光时间。这种窗帘在实际生活中非常不方便，没有办法发挥到很好的作用。智能窗帘的出现很好的改变了这种现象了，现有的智能窗帘大多是利用红外遥控，实现窗帘智能开关，虽然这种控制系统的相对传统比较办法省力、方便。但还是不够智能化、人性化。因此，本设计根据光照的变化和二氧化碳浓度的变化，可以实现特定功能。

2总体方案工作原理及设计方案

采用二氧化碳传感器进行二氧化碳浓度的采集；采用光敏电阻进行光照强度的采集；以LCD1602液晶显示屏作为显示模块的主要部分，通过按键根据用户需求实现对室内二氧化碳浓度临界值的设定。处理好两个元器件的逻辑关系，配上蜂鸣器进行报警和时钟电路显示当前的时间，各个模块相互结合实现窗帘的智能控制。具体流程图如图l所示：

3硬件电路设计

定位系统由控制单元单片机（STC89C51）、显示/按键模块字程序，二氧化碳模块子程序、LCD1602液晶显示、红外遥控子程序、DS1302时钟模块组成。如图2所示二氧化碳传感器MH-Z14A和光敏电阻采集外界的二氧化碳浓度和光照强度，从二氧化碳传感器MH-Z14A和光敏电阻检测的信号利用信号校正电路进行放大，经过LM393比较器发送给单片机。但是很重要的一点是要处理好二氧化碳传感器和光敏电阻两者信号而逻辑关系。指示灯是用来表示智能窗帘控制器系统当前处于哪种模式和窗帘当前处于开启还是关闭。LCD1602液晶显示屏显示当前二氧化碳浓度和浓度临界值，用不同按键来切换制动窗帘系统的状态和控制单片机进行各种运转状态。

4LCD1602液晶显示

LCD1602液晶显示屏用来显示当前二氧化碳浓度和用户设定的二氧化碳临界值。本设计采用16列*2行的字符型LCD1602有32个5x7点阵组成的行字符型显示屏带背光的液晶显示屏。

5DS1302时钟模块

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整。工作电压宽达2.5～5.5V。

6终端软件设计方案

流程如图3所示。软件运行过程前，对电路各部分初始化，在初始化之后，首先开始运行的显示子程序，接着运行按键控制程序，自动模式处理程序。然后判断红外信息是否接收完成，接收完成后开始对红外遥控解码处理，处理完成后，继续循环执行主函数的程序。软件使用模块化编程，分为主程序（main.c）、键盘程序（keyboard.c）、步进电机程序（strppermotor.c）、自动模式程序（automaticmode.c）、二氧化碳传感器模块（carbondioxidesensor.c）、红外遥控模块(inferaredremotecontrol.c)。在主程序运行的时候，通过调用头文件中所申明的变量以及函数名，调用所定义的变量和函数段。程序设置了串行口：将串口波特率设置为9600，数据位设置为8位，停止位设置为1位，奇偶校验位设置为无。

7结束语

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关键词：智能家居 无线 nRF24L01 控制系统

一、概述

随着科技的发展，智能家居的日渐兴起给人们的家居生活带来了全新的感受，家居智能已成为一种趋势。智能家居中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。这些功能都是通过智能家居系统中的家庭网络控制器未实现的，家庭网络控制器具有家庭总线系统、通过家庭总线系统提供各种服务功能、并和住宅以外的外部世界相通连。可以这样说，智能家居系统是智能住宅的核心。由此可见，智能家居系统在智能住宅中的重要地位。

智能家居系统控制方式的解决方案分为有线方式和无线方式。由于多数智能家居系统的布线工程比较费事，所以在一些新的智能家居商家所研发的系统，就立足解决这个难题。目前这一问题虽然没有得到完全、彻底地解决，有难以满足视频和音频信号的传输，保密性差，接入设备昂贵等缺点。但随着4G网络技术的成熟，将会得到更好的应用和发展。所以就算价格就相对高一些，有的进口系统价位甚至高达10万元以上，还有部分系统采用的蓝牙技术，其产品也更为昂贵。即便如此，无线方式解决了布线的难题，随着网络技术的进步，已能基本满足视频和音频信号的传输。本文以2.4G射频技术为基础介绍一种性价比较高的智能家居控制系统。

二、智能家居控制系统设计方案

1.系统总体结构及工作原理

智能家居系统的总体设计主要包括了网络协议、系统硬件和系统软件三个主要的部分。智能家居系统由主机、从机、接口设备及各家电设备组成，主从机都有一个无线收发芯片，通过主从机间无线数据的收发，实现一个小型的无线智能网络。网络协议我们参考OSI模型，结合nRF24L01芯片的特性，以采用模块化、通用性设备为原则设计硬件电路，采用集中控制技术的控制方式，通过一个以单片机为核心的系统主机来构建，中心处理单元（CPU）负责系统的信号处理。同时把系统设备进行硬件功能划分，统一设计、统一接口，各硬件模块具有双向通信能力，以及互操作性和互换性，其控制部件都可以编程，增加了模块的通用性和实用性，为系统升级和维护提供有力的保障。

硬件收发模块采用一种新型单片射频收发器件nRF24L01，定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。nRF24L01是NORDIC公司生产的2.4GHz单片射频收发芯片,内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，采用FSK调制,内嵌NORDIC公司的增强型Enhanced Shock Burst技术，内置链路层，可实现点对点或是1对6无线通信。其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置，有125个可选工作频道，频道切换时间短，可用于跳频，通过跳频可以减少干扰。首先MCU通过串口对nRF24L01进行信道参数配置，nRF24L01执行配置任务，主机执行发送数据包指令，通过空中接口完成数据信息包的发送与接收；从机接收数据信息，由从MCU执行任务，从而实现控制家电的目的。图l为系统总体框图。

图1 系统总体结构框图

2.主要硬件电路设计

(1)控制中心电路

控制中心节点在2.4G网络中充当协调器节点的角色，主要负责2.4G网络的建立，节点的管理等任务。在本系统中，控制中心节点需要对接受的数据进行处理，并通过键盘输入和液晶显示，以及通过RS-232串口与PC机连接通信。

3.串口通信单元设计

STC12C5A60S2增强型51芯片有一组串行口接口。本设计采用RS-232的9针D型连接器，在最简单的串行通信中，只需3根通信线连接：TXD串行数据发送，RXD串行数据接收以及GND信号地线。

4.无线收发模块

根据硬件设计要求各个因素，在基于2.4G无线传输控制网络智能家居设计中，采用了工作在2.4GHz频段的射频片nRF2401。单片射频收发芯片nRF2401工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。

5.传感器电路设计

控制中心节点通过nRF24L01无线模块，接收各个传感器节点所发送过来的信息，并通过串口模块，把信息发送到上位机，在上位机的软件界面上直观地把各种数据呈现给使用者。传感器节点硬件主要由电源模块、时钟模块、无线模块、传感器模块组成。

三、结语

本文的智能家居系统利用无线网路芯片nRF24L01传输数据，硬件电路简单以增强型STC芯片作为系统节点控制器，极大地提高了系统的可靠性和稳定性。本系统使用方便,成本较低，超低功耗，集开放性、交互性、协作性、通用性、便携性等特点，使用稳定可靠，效率高，有良好的扩展性。

参考文献：

[1]詹宝容，庾锡昌.无线智能家居网络系统的设计[J].无线通信技术，2010(4):41-44

[2]王刚，夏平，陈仲滔.智能家居无线远程控制技术[J].电脑开发与应用，2008，21(3):67-69

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关键词：ZigBee技术；GPRS技术；智能家居；微处理器；家电控制

本设计是一个把网络通讯技术、自动化技术和计算机技术结合在一起的网络智能化家居系统。通过智能家居系统人们可以更方便快捷的使用和控制家用设备，从而给人们带来高效、安全、舒适的生活体验。

1.系统设计方案

家居智能控制系统总体框图如图1.1所示，本系统主要由MSP430F169微处理器、电话装置、液晶触摸屏电路、电源电路、GPRS收发模块、ZigBee无线通讯模块等构成。用户通过拨打电话装置，将控制家电设备的要求送给MSP430F169微处理器处理，再由处理器给红外控制节点发送控制某家电设备的命令，最终达到控制设备的目的，并通过GPRS向室外的用户汇报设备运行情况。

图1.1 总体结构框图

2.硬件设计

2.1 MSP430F169微处理器

本设计选用美国TI公司的MSP430系列的微处理器，它是一种16位超低功耗、自带DAC模块的信号处理器。它有强大的处理能力，丰富的片上外围模块，方便高效的开发环境和多种时钟模块。

2.2 GPRS无线通信模块

本模块采用的SIM300芯片是一款三频段GSM/GPRS模块，其接口电路如图2.1所示。MSP430与SIM300的硬件连接通过RX、TX和GND三线连接。处理器用USRTO串行通信口通过此三线运用异步通信模式向GPRS模块写入命令，向远程的用户汇报家电运行情况。

         

图2.1 MSP430与SIM300的硬件连接图    图2.2 MSP430与CC2420的硬件连接图

2.3 ZigBee无线通讯模块设计

无线收发芯片选用了TI公司的CC2420，这款芯片兼容IEEE.802.15.4无线收发芯片，CC2420与MSP430的连接如图2.2所示，只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据状态，SFD引脚表明是否在接收或发送数据帧；FIFO在接收数据中指示接收缓冲器中是否有数据；FIFOP用于指示接收数据的上限到达或者完整地接收帧；CCA用于查看信道是否为空。处理器通过SPI接口(CSn、SI、SO、SCLK)与CC2420交换数据、发送命令，并通过该接口访问CC2420内部寄存器和储存器。在访问过程中，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入/输出操作。

2.4 电话远程控制模块

该模块设计如图2.3所示，当远程的用户向家中拨打电话时，电话接口电路将电话线上的信号分成几路，分别输到不同的处理模块中。摘机电路处理电话线上的拨号音，振铃检测电路处理振铃信号，DTMF收发电路接收和发送DTMF信号。语音电路利用语音芯片来进行语音提示和应答，如“请输入密码”、“设备***开启”、“操作成功”等。预先将要用到的语段烧入芯片中，运行时取出所需的语段连成句子，再加入适当的延时输出。检测到用户按键后立即停止该语句的播放，转入下一步操作中。

图2.3 电话装置模块硬件设计图

2.5 家电控制模块

如图2.4所示，MSP430F169向CC2420发出遥控指令，位于红外控制节点的CC2430接收到相应的指令，驱动学习型控制模块发出红外线，控制空调、电视机等传统型家电。

图2.4 家电控制模块系统框图

2.5.1 红外发射电路设计

如图2.5所示，红外控制节点将CC2430作为微处理器接收到的指令通过P1.0输出，考虑到红外发射的距离和有效性，电路红外发射管加了三极管进行放大。

2.5.2 红外接收电路设计

如图2.6所示，红外接收端使用的是HS0038B红外接收头，HS0038B将接收到的红外信号转为电信号，通过Vout发出红外线，控制空调、电视机等传统型家电设计。

   

图2.5 红外发射单元电路图      图2.6 红外接收单元电路图

2.6 液晶触摸屏控制模块

本设计采用四线电阻式触摸屏通用的BB公司生产的ADS7846控制芯片，具有12位转换精度，支持SPI通讯协议；液晶屏控制器采用的是EPSON的SED1335，带有32K字节的SRAM，支持文本显示和图形显示(320×240点)两种方式，最多3层图形显示合成。

2.6.1 触摸屏控制芯片与单片机的接口电路

如图2.7所示，ADS7846是四线式触摸屏的控制器，控制器的主要功能是分时向X、Y电极对施加电压，并把测量电极上的电压信号转换为相应触点的X、Y坐标，并通过笔中断请求向MSP430F169表示有触摸发生。

图2.7 触摸屏控制电路接口电路

2.6.2 液晶控制芯片与单片机的接口电路

如图2.8所示，SED1335通过DB0-DB7八根数据线与MSP430进行数据传送，A0信号不是独立的，而是与片选信号CS组合定义的。当液晶屏上显示出需要操作的画面，我们通过手指或笔进行操作时，用户在触摸屏上有效区域点击，触摸屏的X方向输出电阻和Y方向输出电阻分别随X和Y呈线性变化，ADS7846控制器将其分别转换为12位数据，通过中断告知单片机需要接收数据，单片机接收到数据后进行处理。在接收过程中通常是采用多次平均的方法，假如有一次接收的数据和平均值差别很大，则这次测量就作废了，需要重新测量。一旦数据有效，单片机接着解算触点坐标落在液晶屏的位置，根据解算的结果判断执行相应的功能函数。使触摸屏和液晶屏有机的结合起来，建立一定的逻辑关系，交互地进行信息存取和输出。

图2.8 触摸屏模块接口电路图

3. 主程序设计 

如图3.1所示，MSP430的初始化包括设置引脚功能、SPI初始化、串口初始化、定时器初始化等。射频芯片CC2420的初始化包括芯片复位、芯片管脚的初始化及内部寄存器的初始化。程序在初始化之后，进入循环状态，与家庭子系统建立ZigBee网络，进行数据的接收和发射，并调用子程序命令，将有效的命令显示在液晶屏幕上，从而实现智能化家居管理。

图3.1 软件总流程图

4. 总结

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关键词：GSM；传感器；报警电路

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.07.133

1 引言

近年来国家科技水平提升，居民的生活逐步走向科技化、自动化、数字化，生活质量得到了极大程度的提升，但却也有许多安全隐患伴随其中。每年由于煤气泄漏导致的煤气中毒、爆炸等给人们的生活带来了很大的阴影，一但引发火灾，就能使成千上万的财产瞬间变为灰烬，因此，针对此类事故的研究及相关事故的防范就变得尤为重要，我们的项目便是针对煤气检测而制定的。

2 基于C8051F340的报警系统的总体设计方案

本系统以C8051F340单片机为控制中心，利用比较器的单片机控制，对几个传感器反馈到数据存储器的数据进行分组处理，单传感器分批数据融合，最后通过中断及中断优先级处理器实现应急报警。通过气敏传感器监测室内天然气浓度，将检测信号转换为电信号反馈，单片机控制模块是烟雾报警处理系统的核心控制和处理部分，判断是否需要蜂鸣器报警。运用温度传感器，烟雾传感器等环境监测类传感器。对单片机加载报警反馈系统，若出现险情通过电话报警的形式通知主人。并利用实时时钟芯片和LCD，实现时间数据在屏幕上的显示。

3 硬件电路设计

硬件电路分为电源模块、C8051F340模块、GSM模块、气敏传感器模块、门磁模块。下面介绍一下气敏传感器模块、门磁模块、GSM模块电路。

3.1 ZYMQ--4气敏传感器电路

ZYMQ--4气敏传感器是AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层（该敏感层掺杂有催化剂，使得其对CH4，CO等气体的敏感度提高十倍以上），通过气敏前后电导率的变化来推知被测气体的信息，这种变化来自于薄膜吸附被测气体前后的表面势垒变化，该传感器对甲烷、天然气有很高的灵敏度，具有快速的响应恢复特性，拥有长期的使用寿命和可靠的稳定性。模数转换器通过将采集到的电压信号分小段记录的方式计算出相对数字电压，将该数字与存储区中设定的最大电压值相比较，控制蜂鸣器警报。

3.2 GSM模块电路

本系统GSM模块配置西门子高性能TC35芯片，这款芯片可以通过AT指令进行控制，拥有RS232接口，可实现双频（GSM900/GSM1800）短消息数据通信、CSD数据通信与语音数据通信等较为可靠便捷的现代化网络通信，TC35芯片主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ ASIC）、闪存、ZIF 连接器、天线接口六部分组成，可安插SIM卡，通过 ZIF 连接器与单片机实现电路接口， 因此GSM模块具有发送SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能，当单片机检测到异常情况时，将通过串行口控制GSM模块发送相应的报警信息，几秒钟后用户的手机就能收到报警信息，提醒用户采取措施。

4 软件代码调试

C8051F340器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU（微控制单元），具有片内上电复位、VDD监视器、压调整器、看门狗定时器和始终振荡器。能够很好的完成所需电路模块的设计。ZYMQ--4气敏传感器对甲烷、天然气有很高的灵敏度；具有快速的响应回复特性；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；使用时驱动电路简单，可以通过小范围试验得到相对准确的数据。通过资料阅读分析各器件，进行模块间的完善。

5 结论

本系统通过相关的数据采集及处理，让居民实时了解家中的动向，能有效的减少居民的生命财产损失。本系统是充满智慧的控制系统，可提供全方位的信息交互功能，优化生活方式，提高家居安全性，是一套非常有实用价值的系统。

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智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适巡航并把车开得开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来撞车就不会发生了。提高安全性和系统效率。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的智能化。

1 智能车机械结构设计

机械结构是控制算法和软件程序的执行机构，对机械结构性能的了解和改造有利于对控制算法和软件程序的实现。因此对车体机械结构的调整是非常必要的。

1.1 车体机械参数调整：前轮参数的调整包括前轮主销后倾角，主销内倾角，前轮外倾角，前轮前束。这几个参数对车体直线行驶的平稳性和转弯的灵活性有很重要的影响[1]。

1.2 舵机的安装：舵机转向是整个控制系统中延迟较大的一个环节，在相同的舵机转向条件下，转向连杆在舵机一端的连接点离舵机轴心距离越远，转向轮转向变化越快。这样安装的优点是：改变了舵机的力臂，使转向更灵敏；舵机安装在正中央，使左右的转向基本一致；重心相对来说靠后，减轻舵机的负载[2]。

1.3后轮距与后轮差速机构调整

后轮距的调整：赛车高速行驶时突然转弯时容易翻倒，为了增加整车的平衡能力，可将车模原配的后轮调节件把改为大轮距的调节件，使后轮距在原来基础上增加了4mm。

1.4传感器的安装：图中将激光管固定在下排孔内上排六个固定接收管和透镜，将激光照射距离调整到50CM，前瞻效果达到最好[3]。

1.5 车体重心调整：重心越低越好。选择摄像头时选择比较轻的，摄像头支架材料及规格也要加以考虑，电路板的摆放也尽可能低。

2系统总体硬件电路设计

2.1 系统硬件电路结构：此智能车辆定位系统用激光管和接收芯片检测车辆前方的赛道，通过MC9S12XS128采样光电三极管的模拟信号，获得赛道数据，结合一定的算法，提取赛道的黑白线对舵机和电机驱动芯片以合适的控制。

系统先对接收芯片获得的数字信号，速度传感器测得的速度值，加速度传感器检测到的坡度信息，以及拨码开关输入的脉冲值等送入单片机最小系统进行分析处理，发出命令驱动舵机，并使用全桥电机驱动芯片 MC33883驱动场效应管控制电机的正反转，输出 PWM 波形实现对于电机的控制，使用LM 2940S 等稳压芯片对各模块提供电源。

2.2 传感器选择及其电路设计：激光传感器好比模型车的眼睛，是整个系统采集赛道信息的核心。前瞻距离最远能够达到1.1M。经过调整和优化，使得激光传感器性能能够完成赛道全部信息采集的任务。

2.3 电机驱动模块设计：MC33883它可以驱动场效应管实现电机的正反转，场效应管用IRF3205，场效应管为N沟道，MC33883的驱动能力很强，最大电流可以达到110A。本设计采用PWM直流脉宽调速，该方法有效地避免了串电阻调速其调速范围小，平滑性低的缺点， IN_HS1、IN_HS2、IN_LS1、IN_LS2是单片机传给MC33883脉冲信号的接口。

2.4 测速电路模块设计

VCC_MCU为5V电压，SIGNAL是编码器的脉冲输出端，SIGNAL和VCC_MCU之间接一个10K上拉电阻，然后将SIGNAL连接到单片机的PT7口，进行脉冲。

2.5稳压芯片选择及电源模块设计：我们需要对配发的标准车模用蓄电池进行电压调节。单片机系统、激光管、接收管、车速传感器电路，LED显示电路等各个电路的工作电压不同，我们需要设计方案来使得电压满足各自的要求。

3智能车电路板的设计

智能车的电路板设计是利用altium designer软件设计的。在布线时信号线和电源线的宽度不同，信号线的宽度为10mil，稳压后的电源线为20mil或30mil，直接经过电源的电源线为60mil。覆铜的时注意移除死铜，覆铜定义网络标号为GND。

4系统软件设计

4.1 程序开发和调试：本车在开发和调试中所使用的开发环境为Metrowerks 公司的集成开发环境 Metroworks CodeWarrior IDE4.6和与之配套使用的调试软Hiwave，调试器为清华大学工程物理系开发的BDM，辅助调试工具有电视机、刻度尺，串口调试软件等。

4.2 调试器：CodeWarrior IDE中的调试器不仅可以进行在线调试，还可以进行在线的仿真。在调试器中，我们可以看到定义的全局变量的变化和各个寄存器的当前值，还可以看到单片机内存中内容等。此外，还有许多其他的实用功能，在赛车的调试过程中使用很是方便有效。

4.3系统程序流程图：如图6显示程序开始进行初始化，然后开始采集信息，在把采集到的信息进行一些数据处理（这里可以用到模糊和PID算法），之后求出速度和转向。为了形成闭环系统这里利用中断进行时时测速，保证小车速度不至于过快或过慢，形成闭环系统，使小车更快，更稳定的完成比赛。

4.4 转向舵机的控制程序的设计：一个周期采集完毕以后，要对传感器的原始状态进行处理，我们规定当激光传感器照射到黑线记做1，白线记做0，12个传感器分别赋予对应的权值，当有2个或者1个激光传感器照射到黑线的时候，对它们的权值取平均值，最后单片机通过最终的偏移值计算出控制转向舵机和速度分配值。

number是计算一共有几个传感器在黑线上，lost_number是计算所有在黑线上传感器的偏移值，lost_location是计算激光传感器的平均偏移值。

4.5 速度采集程序的设计：速度采集模块需要定时采集速度，根据相同时间内的脉冲数多少来判定速度的快慢，因而我们单独开了一个PIT中断，中断定时周期为3MS，那么每当经过3MS，就读取脉冲累加器计数器PACNT的值，然后将此值和设定速度的值进行比较，完成对速度的闭环控制。 控制函数number_count变量是反馈的速度，用来传递给PID函数；TIME_INTER是速度给定；这里要注意的就是，当进行完毕速度读取，PACNT寄存器一定要清零，防止脉冲的错乱。

5 结论

我们在车模硬件及软件上都有许多改进与创新，采用上排激光管作为循迹传感器。大大提高了前瞻距离和系统的稳定性。激光前瞻达到0.25米，大前瞻是保证高速度的前提条件。采用自己制作的单片机最小系统板。自己制作的单片机最小系统板，尺寸小，重量轻。即减轻了车模总重量，有方便了其它硬件布局。使得整个硬件系统布局更简洁，性能更稳定。

参考文献

[1]陈家瑞.汽车构造.机械工业出版社，2009.

[2] 第四届全国大学生“飞思卡尔”智能汽车竞赛杭州电子科技大学钱江一号队技术报告，2009.

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关键词：镍镉智能充电器 PWM控制 ATmega32 BUCK电路

中图分类号：TM910.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0170-03

1 引言

随着科技的发展，越来越多的电子产品走进我们的日常生活，专供家庭使用的小容量蓄电池也越来越受到人们的认可。然而，由于电池在充电时经常发生过充、充电不足等问题，严重影响了蓄电池的寿命，这不仅浪费资源，而且污染环境。针对此问题，我们基于AVR设计了智能充电器系统，此系统实时监测电压、电流及温度，不仅保护电池，并且延长了蓄电池的使用寿命。

2 系统设计方案

本系统控制芯片选用高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具体型号为Atmega32。本芯片自带8路10位ADC，电流、电压检测电路可以通过ADC直接反馈给AVR单片机，无需附加其他AD芯片，方便应用同时转换精度较高。由AVR单片机产生PWM控制BUCK电路，进而调整充电电池在不同时期的电流大小，使整个系统更加安全、稳定、高效。针对镍镉电池常用的控制技术有：电压负增量控制、时间控制、温度控制、最高电压控制技术、检测技术等。本系统采用温度控制与检测技术相结合的方法，更加高效的给电池进行充电。系统解构框图如下。为了防止镍镉电池的记忆效应，我们在智能充电的第一阶段进行放电，放电截止电压选做0.9V；第二阶段，我们采用电流预充电，充电十分钟；第三阶段，我们采用电流快速充电，充电约2.5小时，终止判断为检测到电压负增长或温度正增长较快速度达到；第四阶段，我们采用0.1C涓流充电，充电时间十分钟。在充电过程中，我们同时采用过压保护和过热保护，当充电电池端电压高于1.45V，或者电池温度高于60℃时，充电自动终止。

3 硬件电路

3.1 电源

电源部分，我们采用开关稳压器进行稳压，与线性稳压芯片相比，开关稳压芯片具有转换效率高，发热低等优点。LM2576系列开关稳压集成电路是线性三段稳压器件的替代品，它具有可靠地工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为系统稳定、可靠地工作提供了强有力的保证。同时我们利用2A熔断丝对电路进行保护，防止线路短路产生大电流，烧坏器件。

3.2 AVR主控电路与JTAG下载（如图3）

ATmega32是具有32kb系统内可编程Flash的8位AVR微控制器，它具有高性能、低功耗等特点，同时具有8路十位ADC，方便我们进行电压，电流，温度测量值的读取，无需单独外扩AD转换电路，节省资源。

我们采用JTAG在线编程方式，简化操作流程，加快工程进展。

3.3 充放电电路

降压斩波电路使用一个全控型器件Q3，为在Q3关断时给负载中的电感电流提供通道，设置了续流二极管D3，AVR通过输出PWM波，控制Q3的导通时间为Ton与关断时间Toff，进而控制输出电压U，且有如下关系

（公式2.1）

上式中E为电源提供电压VDD。由此可知，输出到电池的电压平均值U最大为VDD，若减小PWM导通时间可以减小输出电压。电池电流平均值为

（公式2.2）

其中E0为电池端电压，R为电池内阻。

放电电路由ATmega32的DisCharge1控.制，在放电阶段，充电电路关闭；同样，在充电阶段，放电电路关闭。

3.4 检测电路

检测电路分两部分，一部分为由TL062运算放大器组成的放大检测电路，另一部分是由DS18B20组成的温度检测电路。我们用TL062组成同相放大器，基本模型如下（如图5）。

根据理想运放的输入电压为零的特性并应用KVL得

（公式2.3）

（公式2.4）

再根据理想运放输入电流为零特性得到

（公式2.5）

由公式2.3，2.4与2.5得同相放大器的输出电压与输入电压关系为

（公式2.6）

由公式2.6我们可以得知电压检测放大倍数为两倍，但是由于R3与R1的分压效果，检测电压 值为实际充电电池端电压。电流检测电路放大倍数为10倍。

温度检测我们采用单线接口方式工作的DS18B20进行采集，它具有测温范围广，硬件结构简单，控制方便等优点。

3.5 显示电路

显示模块，我们采用LCD1602实时显示充电电流，用LED灯显示工作状态，其中绿灯为正常充电状态，红灯为充电已完成。

4 控制思想

在智能充电的过程中，我们通过调整PWM占空比可以保持充电电流稳定，因此对于充电时间我们可以进行如下预估，方便控制系统的建立。

镍镉电池的充电时间计算公式为：

（公式2.7）

其中Q为电池容量，I为充电电流，T为所需充电时间，为经验常数，此处我们选为1.3。

因此当我们采用0.5C恒流充电时，可以计算出充电时间T为2.6小时。

在时间调整的过程中，我们采用电压、电流实时监测技术，进而实现了智能充电系统电压、电流的双闭环控制，保证了充电系统的安全运行，并且使镍镉电池的使用寿命延长，同时有效的减弱了镍镉电池的记忆效应。

5 结语

本系统根据镍镉电池特性曲线，通过对充电电流的精确控制，实时监测温度，电压，对充电电池进行全方位保护，防止了线路短路，器件损坏，误操作等可能对充电系统及充电电池带来的损害，同时有效的提升了电池的使用寿命，消弱了记忆效应对电池的影响。实验证明，本系统结构简单，功能齐全，成本低，可靠性高，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术：机械工业出版社，2009.

[2]陈希有.电路理论基础.高等教育出版社，2008.

[3]戴晟晖.从零开始学C语言.电子工业出版社，2011.

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[关键词]环保课桌；可循环利用；资源利用

[DOI]10.13939/ki.zgsc.2017.15.104

1 设计背景及意义

环境是人类生存和发展的基本前提。环境为我生存和发展提供了必需的资源和条件。随着社会经济的发展，环境问题已经作为一个不可回避的重要问题提上了各国政府的议事日程。保护环境，减轻环境污染，遏制生态恶化趋势，成为政府社会管理的重要任务。对于我们国家，保护环境是我国的一项基本国策，解决全国突出的环境问题，促进经济、社会与环境协调发展和实施可持续发展战略，是政府面临的重要而又艰巨的任务。

针对我们国家现在的资源短缺，环境污染也是较严重的问题，为缓解该问题，国家提出了可持续发展的战略，当前，节能环保低碳经济的发展理念已经成为我们人类可持续发展的行动指南，要实现低碳的生活方式，必须要改变我们人类获取能源的方式。因此只有积极探索并拓宽其他低碳能源获得渠道，广泛采用节能环保的清洁能源，逐步减少化石能源的使用，才能有效减少温室气体的排放，保护我们赖以生存的地球环境。在这样的背景下，就想到设计一个既能节约资源又能环保的课堂教具，合理运用法拉第电磁感应（发电机）原理，以独特的机械和电路设计，利用了人体脚踏运动能量，推动机械装置发电，供学习照明及充电使用。该设计获得的电能来源可靠、照明光度稳定，并能达到自动储能充电的目的。能够满足人们学习所需的照明和健身要求。而且考虑到平时使用的基础课本，相同年级学的课本都相同，但年级不同用的课本也不同，所以，如果每一届用过的课本能循环使用，同时又能够方便学生取阅，那就可以节省制造课本的资源，以及相继带来的环境污染，继而就想到了课桌这个暂存教具，利用课桌的空间，进行对书的存放，但又考虑到书本的丢失和缺损现象，就设计一款全封闭式的课桌，结合电气装置，实现机电一体化的控制。

2 设计方案

2.1 尺寸及结构设计

（1）本课桌最大尺寸是620mm×430mm×694mm，桌腿最大伸展长度是657mm，桌腿最小收缩长度是270mm。桌面、课斗、桌腿高的允许误差范围为±2mm，在其中的一面桌壁上安装射频插卡装置，只需学生用学生证对准该射频装置，便可使射频装置启动，为防止书出现丢失现象，学生在选择书的时候，要输入相应的密码，在射频装置中安装读卡器可以读取并记录学生的信息。将踏板机械能转换为高速的转速动力，带动直流发电机发电，提供书桌照明，同时将电能变换成标准充电电压提供用户充电使用。

（2）考虑到书传出和收回时，采用用齿轮齿条机械结构，由于该机构简单且易加工。在书传出时，通过单片机控制驱动板驱动电机正传前进一段时间，使书到达指定的位置。

（3）为方便学生取书，我们在桌匣下安装杆和小滑轨，通过该机构将书的一部分支起，停止一段时间能让学生取得书之后，让电动机反转，回到初始位置，停止。装置设计基本结构由六部分组成，由机械踏板传动机构、直流发电机，防回流电路、LED台灯、充电保护电路、恒流控制电路、3.7V充电电源输出1.2V充电电池夹等部分组成。

（4）通过键盘及LCD12864显示屏，选择所需要的书，初步拟定为桌膛可放四本书，为上、下两层，中间用隔板隔开，用显示屏可以看到每个号码所对应的书：分别为1-高等数学，2-材料力学，3-英语，假设需要高等数学书，则按下1按钮，便可得到该书。

（5）由于该装置是通过电控制的，所以，为防止停电时无法用书，我们在桌膛内安装了可充电式备用电池。

2.2 照明、充电参数的设计和选择

书桌照明灯的设计和选择：书桌照明灯的选择应考虑两方面问题：一是不要消耗脚踏板太多动力；二是用较小的功率提供足够的书桌照明，以达到节能的目的。这里选用FX-DZSZ055Y型节能高亮度发光二极LED灯，其光通量6-7流明，色温6000-6500K高亮正白，LED各项指标基本符合书桌照明。

LED额定电压3.2V，额定电流20毫安，其功率=3.2V×20毫安=0.064W要达到足够的书桌照明根据光通量确定用8只LED灯组成书桌照明灯，其书桌照明灯总功率=0.064W×8只=0.512W。

储能充电池电压参数的确定：课题为了提供家庭常用电池充电，我们分别对家庭常用充电设备进行了调查。家庭常用设备是手机、MP3、学习机、MP4、电筒、半导体收音机、电动玩具车、电子照相机，主要是两种型号充电器，3.7V锂离子电池和1.2V镍镉电池，因此可确定充电对象电压是3.7V和1.2V充电池，充电电流选取200MA较为合适。

装置技术指标：

（a）书桌照明功率：0.512W。

（b）输出可对3.7V锂电池和1.2V×3枚标准充电池充电。

（c）输出充电电压4.2V，电流200MA。

2.3 自动控制恒流稳定照明电路的设计

在踩踏板直流发电机在供电过程中，直流电源电压是不稳定的，不能恒定功率地供给高亮度发光二极管照明，因此照明亮度会有变化，产生照明不稳定问题。为了解决这个问题，我在这里设计了一个自动恒流供电电路来保证LED照明时电流相对稳定。设计方案是用三极管BG来组成自控恒流源，根据三极管工作原理Ib=Ic/β可知，只要提供恒定的Ib[基级电流]就可稳定Ic电流，来保证LED照明亮度稳定。电路中红色发光二极管D10，电阻R1，来组成自动稳压电路，其原理是利用红色发光二极管D10导通时Vw正向压降1.8V稳定不变，来提供稳定的基级Ib电流，另外红色发光二极管做还同时用它兼顾装置的面板工作状态显示，做到一举两得节约成本。照明灯由8个高亮LED【D1-D8】发光二极管组成，采取并联的方式连接。

2.4 传动机构方案的确定

（1）曲柄滑块机构

该机构实现直线运动较简单，但所占空间较大，在设计计算也较烦琐，要求耐磨性能好，平行度较高。

（2）凸轮机构

凸轮机构具有结构简单、紧凑、运动可靠等优点，但由于点、线接触，接触应力较大，易磨损，因为用于课堂，产生的噪声也较大，不易加工。

（3）齿轮齿条机构

结构简单，传动效率高、寿命长、传动比准确、传递功率与适用的速度范围大、工作安全可靠，且易加工。

通过对以上三种机械传动机构的比较，我们最终采用齿轮齿条机械机构。

2.5 机械踏板传动结构设计

设计目的：是用机械踏板传动机构带动减速直流发电机发电。

设计参数：直流发电机的减速比1/4。踏板速度30次/分钟时减速电机转速260转/分钟。

设计思路：①采用两个互成一定角度的摆动导杆机构，导杆直接与踏板焊接。当左边的踏板进入死点位置时，右边的踏板刚好处在最高点处，这时右脚对右踏板施加一个外力时，力的方向垂直于滑块，因此将对右边的轴产生一个水平向前的分力F1，由于是S形轴，也将对左边踏板产生一个向后的水平力F1，水平力F1推支滑块绕轴承做圆周运动，滑块绕轴承做圆周运动的同时使左边的踏板越过死点位置向上运动，有效度过死点位置；同理，左踏板的水平分力使右踏板越过死点位置。这样交替蹬踏，都有效度过死点位置，避免了卡死的情况。②采用直齿圆柱齿轮传动，齿轮模数为1的标准圆柱直齿轮，齿数分别为15和200（或225）。当踏板速度30次/分钟时，减速电机的转速刚好为260转/分钟。机械踏板传动结构主要由S形轴、滑块、导杆、踏板、大圆柱直齿轮、轴承、轴承支架、底座、直流发电机支架组成。

3 应用

该装置在推广使用上是非常有意x的，虽然，它的成本比一般课桌要高，但它却能实现普通课桌实现不了的功能，让课堂在开始就充满了未知的向往。在现在高科技迅速发展的时代，我们应该让学生更多地了解机械，运用它，并喜欢上对机械的制造和研发，能够让学生更加积极主动地加入到机械的行列，而且针对现在环保对于人类生存发展的重要性，虽然，它不能完全解决环境带来的影响，却能对环境保护产生一定影响，而且该课桌成批量生产成本会较低。

参考文献：

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关键词：工业供配电、电路设计

中图分类号： S611 文献标识码： A

前言：工业供配电和普通的家庭供配电在设计上还是有着比较特殊的差异的，工业在供配电时通常是随着极大的电力负荷，对于高、低压配电系统的选择也是有着一定的要求。除了要满足工厂的用电的需求，同时还要尽量的保障工厂电力系统也能够安全稳定的运行。另外，在满足企业的基本用电需求的时候，也尽量可能多的考虑设计方案的经济效益，这样才能够为企业带来更大的经济价值。

1、工业供配电设计的原则

1.1供配电总体布置设计

遵循国家相关法规，设置总体内外变配电布局设计，依照短路电流需求、同路负荷和对应额度，确定变电所的高低侧电装置。本着可靠与效益原则设置配电压、配电网设计方案，测算导线横面和电压耗损配置装备。

1.2防雷器材的设计原则

依照当地区气象条件，考虑安装防雷器材装置，采用防直击避雷器材作用范围核算，计算，排除易反击状况空间长度计算，依据基本参数设计防雷电型号，确立连接位置，通过避雷火弧电、频放电压与最大允许安装距离检验以及冲击接地电阻计算。

2、工业供配电设计中需要注意的问题

2.1电力负荷

电力负荷在展开工业配电设计的时候，首先应该做的是进行负荷分级。分级依据会根据电力负荷因事故中断后在政治及经济上所造成的影响及破坏程度来确定，一般会分成一级、二级和三级，当供电中断以后，造成的影响及损失越大，对供电的可靠性的要求就会越高。在进行电力负荷分级的时候，不同的行业因为使用的设备不同，在分级的时候也会时不同的参考依据，在《工业民用配电设计手册》中会有具体说明。电荷分级以后针对不同级别电荷的供电要求也是不一样的。(1)一级电荷的供电要求是最严格的，尤其是对于一级电荷别重要的电荷，一般会配备两个电源，这是因为当一个电源维修的时候，可以有另一个电源来进行持续供电，这样才能够避免电荷的中断。但是在实际操作的过程中应该考虑到，很有可能在当一个电源发生严重故障的时候也会对另一个电源造成一定的影响，这很容易会导致两个电源都出现问题。为了避免这样的情况发生通常对于一级重要电荷除了会配备两个常用电源外还需要配备一个增设应急电源，应急电源系统可按具体条件来选择，通常可采取独立发电机组或者选取第三路独立电源或蓄电池来替代。(2)对于第二级负荷在供电的时候，需要尽量保障在线路发生常见的故障的时候供电不被中断，或者中断后电力系统能够迅速恢复供电。(3)第三级负荷的供电要求只需要尽量保障其在正常状况下的用电即可。

负荷分类及计算通常工业配电中都会伴随着许多大功率的用电设备，这些设备不仅会产生很大的用电量，在进行负荷分类时也有严格的参照。根据国内电价制度对于不同性质的工业企业、企业内不同形式设备的用电在电价计收费方式上都会有所区分，在设计时应当尽量将不同电价的负荷严格分开，这样才能够让后期的分类计费更易于操作。负荷计算在工业配电中是很有必要的，只有前期进行准确的计算才能够知道企业所需的总负荷量及负荷等级与负荷类比，有了这些数据后才能够计算出各支部的分负荷，进而可以以此为依据向供电部门申请电源及拟定的供配电系统及设备。同时，也可以以此为依据来选择需要的电器、导体，计算出潜在的电压损失、电能损失及功率损失等。

2.2高压、低压供配电系统的选择

供电电压的选择主要取决于工厂用电负荷的大小、供电距离的远近以及工业企业的规划与远景。对于大型工厂以及用电负荷很大的中型企业，设备容量可以控制在2000～50000 kV，如果输送电能距离在20～150 km内的可以以35～11 kV的电压进行供电。对于中小型工厂通常电容设备课控制在100～2000 kV内，当输送电能距离在4～20 km以内时可采用6～10 kV的电压进行供电。工业配电高压、低压供配电系统的选择要根据工厂具体的情况来定，在获取了工厂的设备容量、电能输送距离等数据后可以针对性的采取合适的配电系统。此外，在确定工厂高压配电电压时应当对于各种配电方案进行综合性权衡，在满足企业基本用电需求的同时应当尽量多的考虑方案的经济效益。对于低压供配电系统的选择则需要着重考虑低压用电设备的电压，通常情况下380/220 V基本能够适用。但对于有些特殊行业，例如矿井下作业的工业企业，这样的低压配电无法满足其需求， 需要采用660 V甚至1140 V的低压配电电压。对于高压、低压供配电系统的选择需要具体参考企业的性质、用电需求及设备电容量等客观因素。以某新建石化工程项目为例，该项目在实际运作过程中主要划分为两个区域:生产区和辅助区，在生产区中又会有很多个子项目，其中涵盖装置区、厂房、配电房及水泵房等，每个区域应当选择的供电电压都不一样。原则上首先需要计算出每个子项目中的用电负荷总量，同时要算出所要设备的总电压。在选择供电电压时线路的输送距离也应当有准确的测算，这样才能够了解在输电线上可能产生的电压损耗。只有对于单个项目的各方面状况都有了清晰的了解后才能够在确定合适的供电电压。工业配电设计在实际工业项目或工业厂房中应用很多，在进行设计前很重要的一点是要具体考察项目的实际情况再来选择合适的设计方案，这样才能够在设计出科学有效的方案的同时又能够最大程度帮助企业节省不必要的电费开支。

3、供配电设计中常见问题

3.1供配电设计的配电设备或处所

配电设备线路破损，变压器容量虚假劣质电能表，断路器等设备导致安全隐患;缺乏保护与降低智能开闭和软起器，缺乏变电所配电，加大距离，降低效率。注意各处计量途径不统一，配电所地理处所千差万别，有些潮湿影响变压器寿命和工作稳定。还有些维护或消防通道不合格，限制配电设备工作发挥，也增加维护工作量与经济投入。

3.2供配电系统监测手段落后

在某些大型工业厂区或综合建筑群，日常的用电量很大经常出现负荷如果做不到及时监控，可能导致变压器及其他电器破损，经过一段时期运行后不能做到实时监控配电变压器工作情况的话，可能造成该配电系统的安全隐患二即使维修得当、也形成了电气损坏和经济损失。

3.3供配电系统非消防电源控制失误

根据消防有关规定，确认火情同时应当切断非消防电源，并连通消防报警或火警标志灯，一旦发现火情，应立即切断防火区域非消防电源。在此类设计中经常低压柜出线侧切断配电干线回路。如果不注意分路设置电源线路，造成火灾时得惊慌与报警器失灵。

3.4长距离供电缺乏短路保护

电缆大间距对设备供应电流、在监测末端设备工作是否正常开启与电压能否达到要求的同时，也要注意设置馈电断路器带短路或过延时保护设施，因短路的刹那形成电缆的保护死角，或电路末端无法有效保护，与长电路的末端断路器形成级差，造成越级跳闸现象。

结束语：随着我国经济快速发展和社会进步，电能在工农业生产以及人们日常生活中越来越起到举足轻重的作用，电气化拉动经济增长，提高社会生产率，降低劳动成本和人们劳动强度，工业供配电设计对于发展经济，改善人们生活有着非常重大现实意义。文中针对供配电设计与运行中的问题，结合实践体会提出一些解决办法和对策，希望供配电系统更好的提供安全可靠的供配电系统和高质量电能，为我国经济持续发展和人们生活提供有力保证。

参考文献：