时间：2023-10-11 16:32:59
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇简单电路设计方案，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
自主式课题教学法
针对目前课堂教学的现状，提出自主式课题教学法。其基本理念就是改革课堂教学，即在课堂上系统地讲授电路设计方法，而不是仅仅教会学生解题。此外，将学生分成若干个学习小组，给每个小组布置不同的电路模块设计课题，通过完成自己的课题达到初步实践电路设计方法的目的。同时，由于学生都是带着设计课题听课的，这样也会提高学生自主学习理论知识的积极性。具体实施步骤如下：
在课程教学初期，指导学生自由组成学习小组，提供若干模块设计课题供各小组挑选。选定的模块设计任务伴随该小组整个课程学习过程。这个阶段的教学要点如下：①尽量保证学生按照自己的意愿组合形成学习小组，这样小组成员在课题设计过程中才能有较好的默契，相互配合，依靠团队的力量完成设计任务。②该阶段是课程教学初期，学生对各个模块设计课题还不了解，教师应占用一定的课堂时间对课题进行解释和指点，充分激发学生自主学习的积极性，使学生自发地利用课余时间收集资料，选定设计方案。③当学习小组初步完成课题资料的收集和整理后，则安排一次课堂报告，由各个小组制作幻灯片向全班同学汇报其对课题的理解以及初步选定的设计方案，并由任课教师进行点评，指出其下一步工作重点。④模块设计课题应涵盖所讲授课程的各个章节，这样利于在讲课过程中通过讲解各个模块设计方法串联课程各章节的知识点。同时，讲课内容与学生正在进行的设计任务相关联，容易调动学生自主学习的积极性。
在课程教学中期，将模块设计课题融入到各个章节的课堂教学中，教会学生具体的电路设计方法，同时在实验课上指导学生进行电路调试以及指标测试。这个阶段的教学要点如下：①要求各小组通过课堂学习不断改进自己初期拟定的电路设计方案以及元器件参数计算方法。充分体现了自主式课堂教学法的教学理念，即激发学生的学习主动性，从而自主采用课堂讲授方法改进自己的电路设计，使其感受到如何将课堂所学理论知识运用到实际的电路设计中。②向学生灌输团队设计的理念，针对电路设计和调试过程中团队成员间的沟通和讨论，使学生认识到如何进行团队协作，同时在教师和团队间建立畅通的交流渠道，使学生的问题能得到解答，从而有信心完成课题设计任务。③安排课堂报告，各小组制作幻灯片向全班同学汇报课题设计进展，由任课教师对学生的设计进行中期考核并指出下一步工作重点。
在课堂教学后期，对各学习小组制作的模块电路进行验收和总结。这个阶段的教学要点如下：①督促各学习小组做好指标测试工作，验证自己设计的电路是否达到设计要求，同时总结整个设计过程的经验教训。②安排课堂报告，各小组制作幻灯片向全班同学汇报课题制作成果，由任课教师对设计成果进行总结。③各小组提交课题设计报告，详细介绍整个电路设计原理、参数计算过程，并记录系统的性能指标，总结电路调试过程中发现问题、解决问题的经验教训。
自主式课题教学法的应用实例
我们在通信电子线路课上使用了这种教学法。首先，根据整个课程内容设计8个模块的设计课题，将该课程的主要知识点都融合在这几个课题中，课题名称。
第一阶段：由学生自由组合形成学习小组并从这8个课题中选择一个，作为该小组在课程学习期间的设计任务。由小组成员相互配合进行资料收集以及设计方案的论证。在课程开始后的第二个教学周，组织各小组制作幻灯片报告该小组拟定的设计方案以及设计时间安排。需要说明的是，各小组进行方案设计的时候，相应的知识点还没有在课堂上进行系统地讲授，完全由学生先自学各自课题相关基础知识，然后进行资料收集整理，通过内部讨论，最终确定课题的初步设计方案。这个阶段需要学生充分发挥自己的主观能动性去熟悉课题、讨论方案以及确定初步方案。从实际情况来看，学生在这个阶段常常表现出很大的学习积极性，进行方案汇报时的现场气氛也很热烈。此外，由于设计课题涵盖了这门课程的主要知识点，相应课题方案的初步确定过程也是学生对课程知识的预习阶段。这样可以充分激发他们的求知欲，当教师在课堂上讲到相应的知识点时，能抓住学生的注意力，获得较好的教学效果。
第二阶段：主要完成各个章节知识点的讲授，这一阶段应该注意在课上重点讲解如何充分运用教材中的知识完成模块设计课题，让学生意识到，这些书本知识并不是抽象的理论知识，只要稍加变通就可以有效地指导生产实际。例如在讲到求解高频功率放大器的题目时，计算电路输出功率用到公式(1)：200cmVPR=(1)其中P0为电路输出功率，Vcm为电路输出电压幅值，R0为电路负载电阻。而在真正设计功放电路时，电路的输出功率及输出电压幅值常常是已知条件(见表1)，而具体的电路以及电路中所采用元器件的参数如电阻阻值是需要进行计算的。因此只需要将公式(1)转化为公式(2)：200cmVRP=(2)转化后即可用于电路中所采用负载电阻的计算。整个课程讲授过程都要将知识点具体化，让学生意识到，只要将这些公式进行简单的变化(常常是翻转)就可以用于电路设计过程中元器件的参数计算，从而使学生可以一边学习课堂知识，一边将所学知识应用起来，真正做到活学活用。此外，在实验课中要指导各小组的电路焊接以及调试工作，并监督其设计进度，从而掌握学生对所学内容的理解程度。在这个阶段，真正实现了本教学法所强调的理论联系实际，即学生可以做到边学习，边使用，边检验，整个课程的教学效果良好。最后一个阶段是课程的结束阶段，主要做好各小组课题的验收工作，并对各小组所设计的模块进行点评，最后安排一次期终汇报作为整个课堂教学的结束。本教学法已经实践了两年，学生对这种教学法的满意度较高。此外，学生的平时成绩与模块设计课题制作情况挂钩，因此各学习小组都投入了较多精力用于电路模块制作，成功率也较高。并且学生通过电路模块的制作过程也了解到了如何运用课堂所学知识进行电路设计。
【关键词】医用x光机 控制单元 设计
医学医用X光机是医疗的先进设备，其中的控制单元为了便于进行临床诊断，需要负责在设备的设计中对X射线图像进行处理和分析，通过X射线图像获得准确的信息，是提高诊断技术水平的关键。医用X光机的组成部分包括电气部分和机械部分，其中电气部分主要由X线成像单元、图像处理和控制单元、存储单元及图像显示单元组成。X光机图像处理是一款高性能、高密度的FPGA 芯片，它支持Nios1I嵌入式处理器，FPGA和 NiosⅡ处理器的结合进一步完善了处理器、外设、存储器和I/O接口的组合，使设计难度大大降低，提高了设计灵活度。目前，如何从X射线图像获得更多的信息，已经成为提高医疗设备诊断技术水平的一个新方向，也是医学界研究与应用的热点。
一、X光机控制单元设计内容
医用X光机的中心部分是医用设备的控制单元，它主要处理X线成像单元输出的12bit、lkxlk、30帧/秒的数字视频信号，设计的两个主要模块是图像处理模块和系统控制模块，主要通过这两个模块来完成高质量的医学视频图像信息。
图像处理模块： 主要负责输入的数字图像的处理，包括圆消隐、阴影校正、递归滤波、自动增益控制AGC、边缘增强、直方图均衡、Gamma校正、图像反转等算法，图像处理模块是图像处理和控制模块的核心。
系统控制模块： 为了实现图像处理和控制单元和设备的X 线成像单元，改善控制图像的主要功能，简要处理模块的操作模式，实现了存储单元和显示单元的联用，以及PC机和状态显示灯等部分的连接和参数的传递，确保CPU对外部接口和存储器等部分进行合理的控制。
二、X光机控制的设计方案
（一）设计原理。多种图像处理算法的流程，采用C语言确保 NiosIICPU对外部DDRSDRAM的读写操作功能的顺利进行，使用VHDL语言达到了易于操作的算法，并在QuartusII软件工具中进行编译、综合和仿真，实现了图像处理模块。在NiosII开发板进行上下载和调试，对FPGA的硬件设计程序和软件设计程序进行调整。
（二）设计方案
1.数字系统硬件的设计方法
一直以来，人们习惯性采用传统的硬件设计方法来完成系统硬件的设计。设计方法是自下至上的具体操作步骤，从系统对硬件的要求来看，技术规格书和系统控制图的设计都要首先完成系统控制流图的简单描画；然后对系统重要的部分划分功能模块；接着就是进行各功能模块电路设计，最后完成整个系统的硬件设计。而目前的设计是采用逻辑电路设计方法，对元器件各独立功能模块设计需要从选择具体元器件开始。采用通用的逻辑元器件来构成所需要的逻辑电路，从而完成系统的硬件设计。随着微处理器的出现，许多系统的硬件功能可以由软件功能来实现，但这种选择构成系统的通用的元器件中的硬件电路的方法并未得到根本性改变。后期进行的仿真和调试应该在系统硬件设计的. 系统仿真器、逻辑分析仪和示波器等是仿真和调试的仪器，对系统设计时存在的问题会及时发现。通过传统的硬件设计方法对系统进行设计，并完成调试，最终实现硬件设计。
2.嵌入式处理器硬件电路设计方法
利用硬件描述语言的硬件电路设计方法。利用VHDL语言设计系统硬件的方法，采用TopDown的设计方法，这种方法是逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。
（1）设计优点
利用VHDL语言设计硬件电路的优点：这种设计具有可靠性，具有重复定义的逻辑功能。因此，现场可编程门阵列使数字电路系统的设计，缩短了系统研制的周期和数字电路系统的体积和所用芯片的种类。而且设计文件适合于组合等逻辑电路应用场合。设计技术齐全、方法灵活、支持广泛 VHDL语言可以支持自上至下的设计方法， VHDL语言标准、规范，易于共享和复用。
（2）设计方案，首先是行为描述，其次是Register TransferLevel的描述
最后是逻辑综合。此后，将网络表转换成 FPGA的编程码点，利用FPGA完成硬件电路设计。接下来要进行行为层次仿真、RTL层次仿真和门级层次仿真，目的是便于早期发现设计中存在的问题，降低了硬件电路设计的难度。
3.采用FPGA设计ASIC电路设计。
（1）优点
FPGA具有设计周期最短、开发费用最低、风险最小的优点，设计人员只通过相关的软硬件环境就可以实现最终功能设计。不需要设计人员承担投片风险和费用，主要功能就是更换不同的软件FPGA的平均性能，使得医疗设备的逻辑容量大幅度提高。
（2）设计方案，具体方案
数字信号处理（DSP）块可以提供专用乘法器、加法器、减法器、累加器和求和单元，每个DSP块能支持不同的乘法器。能与用户逻辑相结合，编程至AlteraFPGA中。NiosII处理器具有可变时钟周期操作的定制指令。设计中应针对不同的性能范围和系统成本选择合适的内核，针对最少逻辑占用说明 ，优化平衡性能和尺寸进行优化流水线的嵌入式设计。NiosII处理器的接口它可以用VerilogHDL和VHDL源代码方式交付使用，参照设备接口设各接口说明，把用户逻辑模块连接至USOPCBuilder生成的系统中。DMA控制器与存储器进行批量数据交换，减轻CPU的负担。 用户通过用户逻辑接口，创建自己的设备，并通向导线传送到Nios II处理器系统中。用户还可以通过反复设计，轻松得出优化系统的最好方式。注意事项：1SOPCBuilder系统要选择合适的CPU和器件，并采用HDL设计文件进行，将配置文件下载到开发板上。系统软件所需的具体软件要编写独立于器件的C/c++程序；SOPC技术是一种特殊的嵌入式系统。具有灵活的设计方式，丰富足够的片上可编程逻辑资源。
关键词：步进电机调速系统 STC89C52单片机 起动 停止 加减速
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）03-0159-01
电机可以细分为很多种，步进电机是其中的一种，它的工作过程是“走一步停一步”的循环过程，在一些小功率的应用环境，比如打印机、复印件、银行自动柜员机、绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。步进电机最突出的优点是它能够瞬间启动和急速停止，可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速，快速起停、正反转控制及制动等，其在办公自动化设备以及各种控制装置等众多领域有着极其广泛的应用。随着微电子和计算机技术的发展，步进电动机的需求量与日俱增，研究步进电机驱动器及其控制系统具有十分重要的意义。
1 系统总体设计方案
系统总体设计方案如图1所示，主要包括：控制模块、电源模块、显示模块、测速模块、驱动模块、输入模块等部分。整个系统采用AT89S52单片机为控制核心，主要完成控制运算，单片机输出控制信号给驱动电路，实现步进电机的启动、停止、正反转、分级加减速控制。系统中的输入电路主要用于发出电机的启动、正反转、停止以及分级正反转信号，测速电路采用霍尔传感器来检测电机的转速，并通过显示电路实时显示电机的当前状况以及实际转速，而整个系统的功能实现离不开电源电路。
2 系统硬件设计
2.1 驱动电路设计方案
驱动模块主要采用芯片ULN2003A。ULN2003A有7路输出，由于系统中电机为三相六怕工作方式，则只需要采用ULN2003A的三个输出端。
单片机接口信号功率不够大，通过ULN2003A芯片，可以对信号放大。由单片机产生的脉冲频率和方向控制信号从P3.0～P3.2口输出，送入芯片ULN200A进行功率放大，达到步进电机所需的驱动电流和电压5V，驱动步进电机工作。
2.2 速度采集模块设计方案
本系统采用了霍尔传感器来进行速度的采集，霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种，本系统采用开关型霍尔传感器。
2.3 显示电路设计方案
在电机转速控制系统中，采用1602LCD液晶显示屏显示电机当前运行状态，该显示器控制方法简单，功率低、硬件电路简单、超薄轻巧、可对字符进行显示等优点。
本设计所使用的显示元件是LCD1602液晶显示屏，能够满足设计温湿度的分行显示功能。LCD1602液晶显示屏使用的较为普遍，它的工作电压为4.8V-5.2V，分为带背光和不带背光两种，
2.4 输入电路的设计
本设计输入电路采用独立式键盘.独立式键盘的特点是键盘接口中的按键与I/O线是对应的，键盘中各按键的独立性较好，互不干扰，方便进行程序编码。
3 系统软件设计
系统主程序流程图如图2所示。
在本系统中，以步进电机的三相六拍工作方式的控制为例，由于步进电机的转速通过控制输入脉冲的频率来控制，而电机的转向则可以通过控制通电顺序来控制正反转，如三相六拍的正向通电顺序为AABBBCCCAA ……，而其反向通电顺序则为AACCCBBBAA……。
4 结语
本系统能够实现步进电机的启动、停止、正反向转动和调速，并将步进电机的当前状态通过1602液晶显示屏实时显示。
参考文献
[1]王效华，张咏梅.单片机原理与应用[M].北京交通大学出版社，2007：17-26.
[2]冯博琴.微型计算机原理与接口技术[M].清华大学出版社，2002：33-74.
智能汽车作为当今科技时代下的新兴产物,集中运用了计算机、现代传感、信息融合、自动控制、人工智能及通讯等现代科学技术,是未来汽车发展的重要方向。本文详细介绍了基于摄像头传感器的智能竞速汽车控制器的设计方案,分别介绍了智能车的硬件组成、路径的检测识别方法和智能车的控制策略。利用摄像头传感器采集、识别道路信息,规划最优路径,采用PID控制算法控制电机和舵机实现自动控制。
关键词:
摄像头；智能汽车；设计方案
本设计是基于MK60DN512ZVLL10单片机开发实现的,该系统采用摄像头采集、识别道路两旁或者中央的引导线,在此基础上利用合理闭环的算法控制智能车运动,从而实现智能车快速稳定的寻迹行驶。
1智能车整体结构的选型与设计
1.1图像传感器的选择
图像传感器,即数字摄像头。目前市场主流的两种摄像头传感器:以金属氧化物半导体元件为感光材料的CMOS摄像头和以电荷耦合元件为感光材料的CCD摄像头。综合两种摄像头解析度、灵敏度、成本、功耗比、模块电路、体积、重量,CMOS摄像头可以满足于4米/秒速度以下智能车行驶,并且CMOS摄像头功耗低,工作电压只需3.3V-7V,完全可以由智能车稳压后得到,稳定经济,所以选择CMOS摄像头中的OV7725摄像头。
1.2起跑线检测传感器选择
起跑用的是发车灯塔控制方式,发车灯塔不仅发出起跑信号,而且发出终点信号。我们使用基于使用HS0038B传感器的基础电路作为接收灯塔光信号一个基础电路,OUT口接MK60的C5。
1.3速度检测传感器选择
一个完整的控制系统是闭环控制的,所以需要测速装置,用以精准反映智能车实时速度。我们采用了由欧姆龙公司研制的一款200线的小型编码器。
1.4车模选型
本次设计采用由飞思卡尔半导体公司赞助的G768型车模,即为竞赛中的C车模。
2智能车硬件电路设计
2.1硬件设计方案
本设计方案采用模块化方式完成总设计,模块化设计使思路清晰,在使用出现错误时容易修理。
2.2电路设计方案
本次设计将智能车系统电路分成两个主要部分,以MK60N512ZVLQ10为核心的控制电路和以电源为核心的驱动电路。考虑到MK60最小系统电路板比较大,所以将整个系统电路分为两块规则PCB板(主控板和驱动板)。
2.3控制电路
以MK60为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分:电源电路、时钟电路、JTAG接口、复位电路。
2.4驱动电路
因为本次比赛摄像头组使用的电机是RS-380SH直流电机,小车驱动芯片决定选用集成的高电流半桥电机驱动应用BTN7971B,它的输出电流足以带动电机转动并且较稳定。
2.5电源模块
比赛使用飞思卡尔专用电池,2000mAh的镍镉电池1块,标准电压7.2V。
3智能车软件算法设计
3.1软件控制整体设计
本次设计所用的软件调试工具支持C语言和汇编语言混合编程的IAREmbeddedWorkbench软件,由于C语言操作简单,可修改和移植性强,所以本次软件设计大部分程序都使用C语言编写,只有在某些地方加入了汇编语句。
3.2主程序结构
在系统初始化方面,我们所用到的底层硬件资源进行初始化和上层模块初始化。在方案选择及参数设定上,我们在主板上设置了一组四位的拨码开关和三个按键结合OLED显示屏实现的方案和参数的可调,以在比赛时对车作适当地调整。在图像获取上,对于Ov7725数字摄像头,使用场中断加高速DMA传输的方式来获取图像。图像处理则采用黑线提取和中心线提取。
3.3控制算法
控制算法是智能车的灵魂,为了使小车能以稳定的速度通过跑道,精确的速度控制是关键,采用速度闭环控制方案。
4智能车开发与调试
4.1软件开发环境
系统编译下载是在IARIDE开发环境下完成的,EmbeddedWorkbenchforARM是IARSystems公司为ARM单片机开发的一个集成开发环境,这一开发环境使用方便、入门容易和代码简明紧凑。此外,由于在IAR软件中进行编写,调用,修正函数比较复杂繁琐,所以使用了Sourceinsight3软件进行辅助编写小车程序。
4.2硬件开发环境
本次毕业设计所用的硬件开发平台为著名硬件开发公司Altium公司的AltiumDesigner10,这已开发环境在板级设计特性、软设计特性、数据管理特性、通用特性都较有优势。
4.3软件调试
软件调试主要包括:程序在线仿真调试,上位机调试。在线调试主要使用的是IAR中的调试器IARC-SPY。上位机调试主要是通过蓝牙模块将智能车运行过程中的状态和SD卡采集的图像及时地反馈到PC机上。
4.4现场调试
现场的调试包括摄像头调焦以及固定、PID参数整定、速度控制算法的参数整定、智能车运行状态等方面的调试。
5结语
关键词：低噪声放大器；噪声系数；增益；稳定性
1 无线传输
近年来，系统在各行业的应用越来越广，为了适应这一市场需求，需要优化低噪声放大器的设计方法，降低产品调试成本。传统的低噪声放大器输入输出匹配电路需要反复迭代、灵活性不高、后期电路调试复杂，产品一致性差。本文通过研究低噪声放大器的设计理论，提出了一个简单易行的低噪声放大器设计方案，通过该方案可以最大限度地降低放大器的噪声系数，提高放大器的稳定性，并且可以方便地在放大器增益、噪声数和定性之间进行折中设计，设计的电路后期调试简单、产品一致性高，与其他射频部件级联时不需要隔离器。完全能满足无线传输系统的技术要求和批量生产。利用该设计方法设计的放大器已经成功进行批量生产。
2 低噪声放大器的设计
本文设计的低噪声放大器主要由输入匹配网络、晶体管放大器、输出匹配网络、偏置电路构成。
2.1 放大器的主要技术指标
（1）工作频率：300～400 MHz；（2）增益：≥30 dB；（3）噪声系数：≤1.2 dB；（4）端口驻波：≤1.5；（5）供电电压：+5 VDC±0.5 V；（6）电流：≤ 80 mA。
2.2 放大器设计方案分析
由于设计指标要求的放大器增益要大于30 dB，所以设计中采用两级放大晶体管进行设计，每级放大器单独进行输入输出阻抗匹配，然后进行两级放大器级联。设计中选择安华高的低噪声放大器晶体管MGA-53543，该晶体管在300～400 MHz频段内高达19 dB的增益和1dB的噪声系数足以满足本文中要设计的低噪放的指标要求。
2.2.1 MGA-53543的S参数和噪声系数分析
根据MGA-53543的数据手册采用内插法可以得到MGA-53543在350 MHz时的S参数：
S11=0.327∠-123，S21=9.471∠141.3，
S12=0.079 5∠13.3，S22=0.206∠-128.3
由上面的S参数可以得到Δ=S11S22-S12S21=0.729 1∠-21.6
采用外推法可以得到MGA-53543在350 MHz时：
NFmin（dB）=1.06，Γopt=0.108∠156.5，Rn=0.1
2.2.2 放大器稳定性分析
根据器件S参数可以得到MGA-53543在350 MHz时的稳定系数：
所以MGA-53543在350 MHz时是不稳定的，需要对输入、输出稳定圆进行判定。
（1）作输入稳定圆。
圆心：
半径：
（2）作输出稳定圆。
圆心：
半径：
（3）作器件在350MHz的噪声系数圆。
圆心：
其中：
半径：
当噪声系数NF分别取：1.07 dB，1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB时，参数结果如表1所示。
如图1所示，通过在Γ平面作输入稳定圆、输出稳定圆、1.2 dB，1.3 dB，1.4 dB，1.5 dB等噪声系数圆、19 dB等增益圆发现在绝大部分情况下MGA-53543可以稳定工作，完全可以满足设计要求。
为了获得最低噪声系数，令
则有：
为了使则要求
，
此时，输入驻波比
输出驻波比 ，资用功率增益：
3.2.3 放大器匹配电路和PCB版图设计
（1）输入、输出阻抗变换电路的设计。输入匹配网络的设计就是把ΓS所对应的归一化阻抗变换到1，输出匹配网络的设计就是把ΓL所对应的归一化阻抗变换到1。
（2）具体设计的输入、输出阻抗变换电路如图2所示。
3.3 测试结果
对本文设计的两级级联低噪声放大器电装以后，用噪声仪和网络分析仪进行指标测试。
【关键词】单片机，计时，记分
本系采用单片机控制；具有比赛节数设置和24秒进攻倒计时功能；计时结束声光报警；比赛队名显示；掉电保护功能。
一、系统的总体方案设计
本系统的电路设计方框图如图1所示，它由五个部分组成：①控制部分采用单片机STC89C52；②显示采用高亮数码管和LED屏；③通过控制面板按键或手机、PC机设置队名和修改比分；④利用WIFI通信模块实现无线控制；⑤通过电铃和数字闪烁实现声光报警。
二、部分硬件电路设计
本设计的硬件电路由单片机最小系统、数码管显示电路、报警电路和参数设置、wifi通信模块等部分组成。
1.单片机的最小系统
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
2.计时和计分显示电路
采用LED制作数码管，由七段组成，每段LED用8个发光二极管构成，每个笔画由独立的三极管开关电路控制，三极管的控制端连接到74hc245，通过245的片选控制实现数码管的位选控制。如图2所示。
3.电铃报警电路：
该系统采用单片机输出实时信号控制继电器电路，实现铃声报警，如图3所示。
4.wifi通信模块
采用低成本嵌入式UART-ETH-WiFi模块，基于通用串行口进行连接，利用TCP/IP协议进行通信，实现用户串口、以太网、无线网（WiFi）3个接口之间的转换。
三、软件设计
系统程序主要包括时间显示和计分显示两大部分，设计方案如图4所示。
四、结论
该计分计时系统根据篮球类比赛的特点进行了精心设计，采用单片机控制，选用高亮度LED制作大尺寸数码管，准确度高，亮度好，使用寿命长，采用无线或有线操控，具有操作简单，符合人体操作习惯，性能稳定，尺寸适中，使用灵活，物美价廉等特点，特别适用于小型体育场馆和训练馆。
参考文献：
[1]《单片机应用技术及项目化训练》 李庭贵主编 西南交通大学出版社 2009.1
[2]《基于单片机的篮球计时计分器的设计》 鹿玉红等 电脑知识与技术 2010.2
[3]《多功能篮球比赛计时/计分系统设计》 蔡翰志 自动化应用 2011.06
关键词：液压支架；监测；电路设计
1液压支架监测系统模型的建立
1.1无线通信技术
液压支架工作环境比较复杂，通信频率、巷道的倾斜程度和井下的导体等多种因素都会影响无线通信信号。因此在设计矿井液压支架压力监测系统时必须要考虑到井下的特殊环境，考虑数据传输的可靠性。通过对目前市场上常用的无线通信技术比较，本文将ZigBee短距离无线通信技术应用于矿井环境监测中。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率的双向无线通信技术，有自己的标准协议，可以在很多传感器间进行通信，具有很强的自适应性，主要应用于自动控制领域，同时可以实现系统定位，具有低功耗、近距离、短延迟、低速率、低成本、网络容量大、高安全性、工作频段灵活的特点。
1.2液压支架监测系统组网模型
液压支架会随着煤矿开采工作的推进而移动，但移动的距离很短。液压支架的排列呈直线型，针对液压支架的这种物理排布情况，节点的分布也应是带状的。采用星形与网状的混合网，网络中的路由节点与协调器组成网状结构，结构简洁、节点功耗减少，每个星形网络内的通信采用单跳通信，网状结构中的路由节点采用多跳通信。在实际工作环境中，每个液压支架上放置一个采集节点，每隔3个液压支架放置一个路由节点。在矿井实际环境中，液压支架的排列呈直线型，节点的分布是带状的，整体网络组成簇型线状网络拓扑结构。
2电路详细设计方案
监测系统的硬件设计方案分为2部分，一是终端采集节点，二是路由节点。终端采集节点包括电源管理模块、传感器、信号调理电路。终端节点采用定时唤醒模式，降低功耗，提高监测系统的使用寿命。终端采集节点与路由节点通过线缆连接。每个路由节点最大可以连接3个传感器节点，即相邻的三个液压支架需要采用同一个路由节点。每个路由节点配备一个5V的电池供路由节点与传感器节点使用。路由节点将从终端节点获得的模拟信号经过ADC芯片转换为数字信号，并通过ZigBee射频口传送给井下汇聚节点。路由节点也带有显示功能与按键，可以任何时候被唤醒查看3个终端节点的压力数值。终端采集节点的作用如下：将压力传感器转换的微弱模拟信号进行放大并通过线缆传输给路由节点；每个终端采集节点带有一片数据记录芯片，对由于传感器及放大电路带来的误差进行偏差校准。路由节点的作用主要如下：每个路由节点需要有一个5V电池供电路板使用；每个路由节点可以连接3个终端采集节点，对终端采集节点的模拟信号进行处理并通过RF模块传送给井下汇聚节点；路由节点带有简单的显示模块，便于工人就近查看支架压力；路由节点需要有相应的按键，以便在屏幕关闭情况下唤醒屏幕；路由节点电路板能对每个功能模块进行电源管理，便于降低整个系统功耗；路由节点单片机必须采用低功耗单片机；路由节点的电压输入需要适应较宽的电压范围。终端节点电路板设计能使用目前市场上绝大部分的压力传感器，且内部带有数字校准芯片，可以对每一套终端节点由于分离元器件带来的偏差进行校准。煤矿中的电磁干扰较大，为了调高测量精度，此方案设计必须把压力传感器与信号放大电路就近放置。且此方法可以把由传感器与放大校准电路组成的模块变为一个液压监测的一个标准化变送器。
2.1放大电路部分设计
为了能更好的调配放大电路的带宽、放大倍率，放大器没有选择专用的仪表放大器而选择了四个独立的高性能放大器TI公司的OP4376，相对于普通的仪表放大器一般偏置电流在几十pA以上，输入偏置电压在几十微伏级别，OP4376有较低的输入偏置电流典型值0.2pA与输入偏置电压典型值5uV，可以对uV级的信号变动进行采集。且此运放的价格TI官网公布为1.4$，并不贵。经过实测此电路设计的输入采样精度能达到5uV。2.2电源部分设计电源芯片采用的是MCP1252，为目前市场上用量较大的一款电源芯片，输入电压范围相对较宽，且属于无感式开关电源芯片，可以缩小终端节点的体积。效率相对也比较高。而且带有电源管理控制引脚，可以对终端节点的功耗进行有效管理进而降低整个系统的功耗。
2.3校准电路设计
本文建议校准芯片采用一线制的数字EEPROM芯片，具体型号不再指导。2.4路由节点电路设计：2.4.1电源模块设计整个系统输入电源由电池供电，电压比较稳定，考虑到电池在满电与低电压两种情况下压差较大，本文采用了宽范围的输入电源芯片TPS63060（输入电压范围2.5-12V），此电压范围能使用大量的本安电源。且此电源芯片的电流高达2.25A足够整个系统使用，即使是输入的电压降到2.5V级别。本设计还采用了3个mos开关管对系统的不同终端节点的电源进行管理，在电源功率方面采用了信号控制与电源切断双重保护的方式来降低功耗。2.4.2接口电路接口电路中有3个连接终端节点接插件，包括插头输入检测（插头第6引脚与第5引脚通过在插头上短路，进行判断终端节点的接通），对输入信号做了RC滤波与SMBD7000钳位保护处理。在与ZigBee模块通信上采用了串口通信，此处不再做介绍。整个系统的单片机采用TI公司的MSP430低功耗系列。此芯片有8路12位ADC输入引脚。可以利用此引脚直接对终端节点传来的信号进行模数转换。为了现场方便查看设置了两个按键开关（KEY1KEY2）与6位8段数码管，可以通过软件编写实现现场的液压支柱压力检测、电池电压检测、RF通信连接等功能。整个电路在设计中严格按照矿用本安电路设计，属于本安型电路，若再配本安型电池为系统供电后，本系统就可以变为本安型矿用液压支柱监测系统。此系统电路经过实际测试正常情况下整个系统功耗在mW级别，且经过15个月的测试未发现任何不良现象，完全能够使用到实际现场。
作者:马晓兰 单位:西安思坦仪器股份有限公司
参考文献
关键词:单片机; 声音导引; 移动声源; ASSP芯片
中图分类号:TP271文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)08-0182-04
Design of Voice Guidance System Based on AT89S52
FENG Yang
(Weinan Teachers University, Weinan 714000, China)
Abstract:The design and implementation of the voice guidance systerm are introduced. The system consists of SCM system circuit, sound source modulation circuit, receiver circuit, stepping motor drive circuit and acoustoopic cuecircuit.Two single chip computers (AT89S52) are respectively used as the mobile sound source detection and control cores. The current location of the sound source is determined by MCU1 according to the time sequence of receiving a sound source signal by three receivers, and then is sent to the MCU2 through radio. MCU2 uses ASSP chip microcontroller (model MMC-1) to control the motor speed to achieve the motion control of mobile source, and sends out an acoustooptic cue when arriving at the designated place. The circuit is simple and haslow power consumption and high cost-performance ratio. The precise control of the voice guidance system can be realized by debugging.
Keywords:single chip computer; voice guidance; moving sound source; ASSP chip
0 引 言
2009年全国大学生电子设计大赛的B题是“声音导引系统”;题目要求设计并制作一声音导引系统声音导引系统有一个可移动声源S,三个声音接收器A,B,C,声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离,产生一个可移动声源离指定位置的误差信号,并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源,引导其运动。
1 系统的具体设计与实现
1.1 系统组成
系统组成如图1所示,在系统设计中采用两块单片机(AT89S52)分别作为可移动的声源的检测和控制核心。通过单片机(MCU1)对接收器接收到声源信号的时间做处理,检测出当前小车的位置,然后通过无线发送给MCU2。MCU2根据当前的位置控制电机的转速及转向,当停止下来时给出相应的声光提示。
图1 系统组成框图
1.2 具体算法实现
1.2.1 设计与计算
该设计主要是根据接收器接收到声源信号的时间间隔来确定当前小车的位置S,如图2所示。设S点到C点的距离为a。S点到A点的距离为b;S点到B点的距离为c。设S点的坐标设为(l,h),假设由单片机测得接收器A、接收器B和接收器C接收到信号的时间间隔计算出b与a的距离差为c1;b与c的距离差为c2。в赏2中关系可得到如下方程:
Иb-a=c1,b-c=c2,l2+h2=b2
l=2p1(p1-1)(p1-b)(p1-a)
h=2p2(p2-1)(p2-b)(p2-c)
p1=1/2(1+b+c),p2=1/2(1+b+a)
则可根据测量的距离差Еd=|c2-c1|求得相应的小车的位置(l,h)。
1.2.2 误差信号产生
该设计的误差信号产生主要有三个方面:
检波误差 由声源信号产生的半波损失,其误差的大小与声源信号发射的频率有关。当频率越小时,Еd=|c2-c1|г蛟叫 H缙德饰5 kHz的声源信号,其周期为0.2 ms,则半波损失导致Δd=0.1 ms×340 m/s=3.4 cm,所以频率越大,半波损失越小。
单片机的测量时间产生的误差 单片机晶振为24 MHz,内部时钟经12分频后,时钟周期为0.5 μs,测量时间误差为±0.5 μs,则会产生一定的误差信号。
计算误差 在计算声源位置的过程中,数据有一定的取舍,则会产生一定的误差。
图2 系统示意图
1.2.3 控制理论简单算法
该设计的控制理论简单算法主要考虑三种方案:
方案一: 根据计算出的Еd=|c2-c1|的值来确定小车是否移动,当移动到Δd=0时,控制小车停止。
方案二:根据测得Δd=|c2-c1|的具体值控制字PWM,PWM=KΔd,其中k为比例调节,Δd越大,K越大,从而控制小车的速度。
方案三: PID控制算法[2]
在连续运动控制系统中,将偏差的比例(P),积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量。控制系统中以驱动电机转速采样信息为反馈量,采用增量式数字PID控制算法,通过输出PWM信号对电机实现闭环控制。计算公式为:
ИЕun=KP(en-en-1)+KIen+KD(en-2en-1+en-2)И
式中: Еun为第n次输出增量;en为第n次偏差;en-1为第n-1次偏差;en-2为第n- 2次偏差。增量式PID控制系统中的KP,KI,KDР问,一般经反复测试、分析,最终确定理想数值。考虑到算法的简单可行和实际应用,采用方案一最简单,且能够实现小车速度的控制。
2 单元硬件电路设计
根据系统组成框图,系统只要由以下几部分电路组成,对各电路的设计与实现,分别有以下不同的设计方案。
2.1 可移动声源调制电路设计
可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号。利用RC振荡电路产生可调的周期性音频脉冲信号,经功率放大再由扬声器向外发送,该方案产生的音频信号高次谐波信号较大,经过电路的改进使高次谐波大大减小,可以满足设计要求。电路图如图3所示。
图3 声源电路设计
2.2 接收器电路设计
接收器电路主要用于接收可移动声源发出的音频脉冲信号,然后传送给单片机(MCU1),由单片机1(MCU1)对接收器接收到声源信号的时间做处理,检测出当前小车的位置,然后通过无线发送给单片机2(MCU2)。所以能不能很好地接收到音频信号是整过设计的关键。设计考虑接收器的信号采集传感器采用MIC,将采集信号放大、滤波、整形,产生方波信号,传送给单片机,由于MIC灵敏度较高,受外界噪声干扰较大,中间加高通滤波电路,可实现对声源信号的接收。电路图如图4所示。
图4 接收电路设计
2.3 小车控制电路设计
小车控制电路设计采用NEC的电机控制ASSP芯片[3](型号MMC-1)实现可移动声源的运动,用UART模式和ASSP芯片进行通信使之提供控制信号,再用L298驱动电机转动。L298N芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达50 V,可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用ASSP芯片口提供信号;而且电路简单,使用比较方便。通过控制L298的IN1,IN2,IN3,IN4输入端控制电机的转速及转向。此方案接口简单,不占用系统资源[4]。
图5 MMC-1芯片电路图
图6 驱动电路l298
2.4 小车转向精度控制及路程计算
小车转向精度控制及路程计算的方案有多种,考虑到安装的复杂和调试容易程度,设计采用反射式光电对管,对车轮上的黑白码盘检测,产生脉冲计数,从而计算小车行驶路程和转向控制[5]。
3 软件设计
3.1 软件设计说明
在小车程序中,一开始打开无线接收,在收到数据后进行判断小车是否到达预定位置,如果没有到达则继续由算法控制计算PWM值,由PWM值控制电机的转速和转向;如果收到数据后判断到达了预定位置,则发出声光信号指示到达了预定位置。
对于监测端程序设计,首先对测量值通过滤波算法进行滤波,然后将上次的测量值发送,再将定时器清零,判断INT3是否有下降沿到来,如果没有监测到下降沿,则继续等待,如果有,则开定时器,开中断,延时100 μs后又继续对测量值滤波[6-7]。
3.2 程序流程图
程序流程如图7所示。
图7 程序流程图
4 测试数据
4.1 基本要求
(1) 可移动声源发出声音后开始运动,到达ox线并停止,这段运动时间为响应时间,测量响应时间,用下列公式计算出响应的平均速度,要求平均速度大于5 cm/s。
平均速度=
可移动声源的起始位置到ox线的垂直距响应时间
(2) 可移动声源停止后的位置与ox线之间的距离即定位误差,定位误差小于3 cm。
(3) 可移动声源在运动过程中任意时刻超过ox线左侧的距离,超过ox线左侧的距离小于5 cm。
(4) 可移动声源到达ox线后,必须有明显的光和声指示。
(5) 将可移动声源转向180°(可手动调整发声器件方向),能够重复基本要求。
4.2 发挥部分
(1) 平均速度大于10 cm/s;定位误差小于1 cm;可移动声源在运动过程中任意时刻超过ox线左侧距离小于2 cm。
(2) 在完成基本要求部分移动到ox线上后,可移动声源在原地停止5～10 s,然后利用接收器A和C,使可移动声源运动到W点,到达W点以后,必须有明显的光和声指示并停止,此时声源距离W的直线距离小于1 cm。整个运动过程的平均速度大于10 cm/s。
4.3 基本要求测试
测试数据表如表1所示。将可移动声源转向180°(可手动调整发声器件方向),重复上述基本要求。测试数据表如表2所示。
表1 基本要求测试数据
测试次数小车平均速度 /(cm/s)定位误差 /cm超过ox线左侧距离 /cm声光提示
162.70有
26.52.90有
35.52.5m1有
表2 将可移动声源转向180°后测试数据
测试次数小车平均速度 /(cm/s)定位误差 /cm超过ox线左侧距离 /cm声光提示
16.71.21.5有
28.12.22.0有
38.42.52.4有
4.4 发挥部分测试
测试数据如表3所示。
表3 发挥部分测量数据
测试次数小车平均速度 /(cm/s)定位误差 /cm超过ox线距离 /cm停止距W点的距离/cm声光提示
19.80.900.9有
29.6 0.901.1有
310.20.20.40.8有
经测试数据显示,该设计能够达到大赛的基本要求,对于发挥部分也基本能够实现。
5 结 语
该设计基于完备可靠的硬件设计,采用 NEC电子电机控制ASSP芯片和AT89S52的控制和运算优势,使用了一套独特的软件算法,实现了声音导引系统的精确控制。
参考文献
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[6]戴佳, 戴卫恒. 51单片机C语言应用程序设计\. 北京:电子工业出版社,2006.
关键词:数字电路与逻辑设计;实验教学;教学改革
中图分类号:G642文献标识码:B
1引言
“数字电路与逻辑设计”是计算机类专业的专业基础课,具有综合性与实践性两大特点,特别是实践动手能力是学好这类课程的关键,这也是学生进入大学的第一门与工程相关的硬件课程,学生需要掌握的不仅仅是相关的课程知识,更应该通过实际电路的分析与设计学会逻辑思考,为后续的计算机组成原理、微机接口与通信、嵌入式系统原理等硬件系列课程打好基础,这就要求将所学的知识综合运用、融会贯通。
由于学生缺乏工程实践经历,习惯用数学思维思考,不做可行性分析和定性分析,所以对课程的学习经常抱怨“上课听不懂、实验没头绪、太难……”,最后失去对硬件系列课程的兴趣,不能很好地理解计算机结构和工作原理,对于很多问题,包括软件设计等问题都不可能找到最优的解决方案。如何通过实验的训练,使学生掌握工程设计的主要程序和方法,培养分析和解决工程实际问题的能力,树立正确的设计思想,训练逻辑思维能力和创新意识是值得探讨的问题。
2实验课程改革思路
华南农业大学为计算机类专业开设的“数字电路与逻辑设计”课程计划学时数为88学时,其中授课64学时,实验24学时。以下介绍我们在实验教学中为提高学生学习积极性、训练逻辑思维能力和实际操作能力所提出的教学改革思路和实践情况。
2.1实验组织模式的改革
“数字电路与逻辑设计”实验主要包含验证性实验、
设计性实验、课程设计和创新实验四大类。在实验课上针对这四种不同类别和层次的实验,采用不同的实验组织模式,如图1所示。
图1实验组织模式
对于重点考察基础知识、基本分析设计能力的验证性、设计性实验要求学生独立完成,每个实验又包含必做实验和选做实验,难度分级适当,既有多数学生都能完成的基本设计和制作,使他们在实验过程中掌握基本的知识并获得成就感,又有具有挑战性的项目,可激发学生的研究探索兴趣,以期实现较好的教学效果。
课程设计是单独设立的一个实验教学环节,学时数为两周,时间安排在讲授完“数字电路与逻辑设计”课程之后到“计算机组成原理”课程开课之前,用以加强数字逻辑的学习,并为“计算机组成原理”课程的学习作好预备。课程设计要求学生组队合作完成,设计过程采用开放式的管理。
作者简介:曹维(1978-),女,陕西西安人,实验师,工程硕士,主要研究方向为计算机硬件研究及应用。
创新实验是在完成课程实验和课程设计后,吸收部分对硬件感兴趣的优秀学生加入到创新实验的团队中来参加各种创新项目。
实验课的组织模式涵盖了各种层次的需求,既满足课程要求,又有延伸。
2.2实验内容的改革
实验内容的设置非常重要,不但要涵盖基本概念、基础知识,还要有实用性、可操作性。要有新意,与工程应用相结合;难度有层次性,既可以使大部分学生都可以完成基础实验,又有挑战性。“数字电路与逻辑设计”课程的实验安排如表1所示,每个实验都分成两部分。第一部分是基础实验,通过实验使学生进一步巩固和加深对相关课程基本理论的理解,巩固基本概念,提高综合运用所学知识的能力;第二部分是延伸实验,目的是进一步提高学生对数字系统的理解、培养学生独立分析问题和解决问题的能力、综合设计及创新能力,培养学生进行科学研究的独立工作能力,取得工程设计与组装调试的实践经验。
表1实验安排
实验名称 学时 实验延伸
实验一:芯片检测和基本门的构建 2 学习示波器和万用表的使用
实验二:组合逻辑电路的分析与设计 4 多进制全加、全减器的分析设计;OC门、三态门的认识。
实验三:中规模组合逻辑电路设计一
(并行加法器) 4 各种码形变换电路
实验四:中规模组合逻辑电路设计二
(译码器、数据选择器) 4 串并变换电路、交通灯故障报警电路、密码电子锁电路、表决器电路的分析与设计
实验五:触发器测试 2 加强时序概念的理解
实验六:同步时序逻辑电路分析设计 4 不完全确定同步时序逻辑电路分析设计
实验七:中规模集成电路计数器的功能及应用 4 综合运用
综合实验:课程设计 2周 硬件描述语言VHDL
2.3实验方法的改革
实验课教学不再是单纯的老师讲解、学生照电路图连线,也不是简单地完全交由学生独立完成,而应是根据实验类别分别处理。
验证性实验和设计性实验主要进行基本技能训练,先由老师讲述知识点的背景、问题产生的缘由、电路构成的思路等,之后才要求学生动手实验。对每一个讲解的电路,都要留给学生一系列问题:电路的设计思路是什么?有没有问题?适用在什么场合等等。要求通过实际电路的检测
来寻求答案,学生通过主动思考来解决问题,大大激发了学习兴趣。在此基础上,再要求学生完成较有难度的设计,学生根据所学逻辑电路的设计步骤,设计、连接电路并调试,写出完整的实验报告。
课程设计要求综合运用当前课程和前修课程的基本知识,进行融会贯通,对所学专业课程知识进行综合和实际应用。实验前给出设计要求,要求学生按设计任务书中的要求独立完成探索研究、查阅资料、设计方案、选择设备和安装调试、评估优化,写出完整的项目说明书。老师只进行答疑,但不涉及基础知识。
创新实验不是针对所有学生开设的,选择吸收部分对硬件感兴趣的优秀学生加入到创新实验的团队中来参加各种创新实验活动。实验室提供了元器件、硬件组装平台、各种产品开发平台,学生经过市场调研、分析设计、确定开发工具、项目实现、评估优化、开发说明书等过程,需要综合运用各门课程的知识,还要涉及到一些未曾接触过的领域,老师只进行设计思路的指导。通过创新实验即培养学生的科研兴趣也提高他们开发硬件产品的水平。
3实验课程改革实施情况分析
“数字电路与逻辑设计”的实验教学改革经过4年的实施,取得了一定的效果,学生普遍对硬件类课程产生了兴趣,提高了综合运用知识的能力,训练了逻辑思维。
3.1培养了分析和解决工程实际问题的能力
在同步时序逻辑电路分析设计(实验六)这个实验中,实验课上给了学生电路图(图2),要求学生分析,并搭建实际电路验证,大部分学生都可以根据电路图写出方程式(输出方程、驱动方程、状态方程)、列状态转移真值表、画状态转移图和时序图、说明逻辑功能,得出的结论是“111……”序列检测器,再按电路图搭建实际电路,测试结果。学生发现实验时两个1输入之后,输出就为Z=1,与分析结果不符,继而查找出原因是输方程为Z=xy2 y1,在11状态之后,输入x=1,在时钟未到来输出已经置1,修改电路为Moore型,则可实现“111……”序列检测器。
图2同步时序逻辑电路分析设计电路图
通过这个实验,学生们加深了对时序概念的理解,训练了独立思维的能力和动手能力,发现了指导老师也未注意的问题,对课程的学习产生了信心。
3.2训练了逻辑思维能力和创新意识
中规模组合逻辑电路设计(实验三)要求选用4位并行加法器和适当的逻辑门电路实现(X+Y)×Z,其中,X=X2X1X0、Y=Y2Y1Y0、Z=Z1Z0均为二进制。实验中希望同学积极思考,采用不同的方法来实现。下面介绍其中2种设计。
根据乘数和被乘数的取值范围,可知乘积范围处在0～48之间。故该电路应有6个输出,设输出用W5W4W3W2 W1W0表示。
第一种设计方案,两数先加再乘,过程如图3。
图3第一种设计方案
第二种设计方案,两数先分别乘,如图4、图5;再将结果相加,过程如图6。
经过这个实验,大部分的学生愿意积极主动思考,敢于创新,并通过实验训练了逻辑思维能力。
图4第二种设计方案(1)
图5第二种设计方案(2)
图6第二种设计方案(3)
4结束语
在“数字电路与逻辑设计”课程的实验教学工作中,我们不仅注重实践动手能力的培养,更注重逻辑思维能力、综合运用知识能力、创新意识的培养,更要使学生掌握工程设计的主要程序和方法,培养分析和解决工程实际问题的能力,树立正确的设计思想。
实验教学改革是一个长期过程,它需要在实践中不断深入与完善,适应科学技术的发展和社会对高素质人才的需求。
参考文献:
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【关键词】51单片机 TLC1549 多路数据监测
单片机技术经过长期的发展，在生产和生活的各个领域得到了广泛的应用。而51系列的单片机作为最早和最经典的类型有着广泛的应用和群众基础。TLC1549是德州仪器公司生产的10位模数转换器。内部含有采样保持，差分基准电压高阻输入，具有较强的抗干扰能力，并且它与单片机之间只需要较少的连接线便能实现通信。
本文介绍了利用这两种为广大电子爱好者熟知的器件构成的一种具有多路数据采集转换功能的设计方案，应用于电压信号的各种传感器，如温度，流量，水位。可以构成相应的数据采集监控系统。例如，可做成多路温度采集控制报警系统。
1 总体设计方案
本方案采用51单片机中的STC89C52RC作为主控芯片，STC的单片机可以直接通过串口下载程序，方便升级调试。TLC1549通过三根线即可与单片机通信，完成一路电压信号的AD转换，此方案在此基础上，增加了一个八通道的模拟多路选择器74HC4051，通过单片机程序控制依次打开各通道，可将八路传感器送入的信号分别经TLC1549进行转换，根据系统实际操作的对象，可按相应传感器的转换关系，通过程序换算，将采集的到信号转换成具体数值在液晶显示模块上显示出来。如温度传感器则转换成摄氏度，水位传感器转换成米。按键模块可以给系统预设一些参数，并可翻页查询各种参数。若采集数据超出这些范围，则由程序控制报警模块发出提示，同时也可控制相应的执行机构动作，将参数调整至合适范围内。控制系统的原理方框图如图1所示。
2 主要模块设计
本方案主要的模块包含数据采集转换电路，液晶显示模块，报警模块，执行机构控制模块。各部分简介如下：
2.1 数据采集转换电路
TLC1549是一款10位精度的AD转换芯片，完全可以满足一般生产和生活范围内的应用需要。其中REF+引脚上需要一个较稳定的基准电压。如图2所示，采用LM336-2.5集成稳压电路，它是一款精密的并联稳压二极管，具有较低的温度系数，多用于数字电压表，运放调节电路中作为较高精度的2.5V电压基准。1号引脚连接10K的电位器可以方便的微调该基准电压和温度系数。并联电容起到退耦和滤波的作用。
74HC4051是一款8通道双向模拟多路选择器。TLC1549与单片机相连接可实现一路AD信号转换，本设计将TLC1549的信号输入端与74HC4051的信号输出端连接在一起，便可实现最多八路信号输入的扩展。74HC4051的三个数据选择端及一个使能端与单片机的四个引脚相连，通过单片机编程依次选通各通道，将数据送入TLC1549进行转换处理，并送显示模块显示。
其中需要注意的是E为低电平时，八个通道可由S0至S2选中，编码从000至111分别与相应的通道对应，此时，通道呈低阻状态，信号与TLC1549连通。当E为高电平时，所有通道都进入高阻状态，相当于信号断开。74HC4051的模拟输入/输出端信号应在上限VCC和下限VEE之间，并且不超过10.0 V。
J21为一八针数据接口方便将八路信号与控制板相连，可根据实际情况在此接口前添加信号调理电路。
2.2 按键及报警
按键电路设计采用四个独立按键，报警电路采用三极管驱动蜂鸣器实现，这两个电路比较简单。其中，四个按键基本可以满足本系统的各种功能设置。如：菜单＼功能键、上翻＼+键、下翻＼-键、确认键。如图3所示。
2.3 液晶显示
显示部分采用12232液晶显示器，它是一种自带字库及ASCII字符集的显示器件，比起1602来说，它可以显示汉字，并且体积较小。本方案应用到多路温度信号采集，则显示效果如图4所示。
2.4 执行机构控制
执行机构主要是控制如动机，水泵，加热源之类的大功率用电装置，单片机根据传感器采集数据经程序处理决策后给出控制信号。控制信号通过光耦及继电器连接并控制执行机构。
3 总结
本设计方案采用八路数据采集分时输入的方式，所以适用于对实时性变化速度不高的模拟量，即非突变的模拟量。此外1549转换的一个缺点是读取的数据是上次启动AD转换的结果，那么，在芯片上电复位后，第一次读取的数据是输出寄存器中的随机数，结果是不准确的，所以需要软件上做一些处理来获得更精确的数值。在信号经过74HC4051芯片过程中，要控制好开关各通道的时间和速度，必免引入干扰和误差。总体来说，本方案电路设计简单易行，为多路数据的采集转换提供了一种新的思路。
参考文献
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作者简介
张晓光（1980-），男，吉林省梅河口市人。现为福建水利电力职业技术学院讲师，主要从事电子信息工程、自动化、单片机与嵌入式系统的教学与应用研究工作。
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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.
项目教学的实践
1.课题：温度（水温）测量系统的设计课堂教学：介绍三类常用温度传感器以及如何选用合适的温度传感器。首先，了解金属热电阻的电阻随温度而变化的特性，掌握电桥测温原理；其次，了解热敏电阻的特性、类型及应用；最后，认识热电偶，学会使用热电偶分度表，掌握热电偶的使用方法。实践教学：要求选用合适的传感器完成水温测量及报警电路的设计与实现（要求硬件实现）。教学过程：要求学生先讨论传感器的选型，然后讨论电路图的设计。设计完成后，每组各派一名同学展示电路图，并说明设计依据，然后各组提出元件需求，自行购买或从实验室领取，根据设计图完成电路焊接，验证报警功能。教学效果：学生完成了温度检测报警电路的设计（如图1所示）、仿真和实现，以热敏电阻或其他温度传感器作为检测元件，电路简单实用。有单片机基础的同学还完成了温度的显示和控制功能，效果良好。该电路虽然简单常见，但学生通过自己动手完成设计焊接调试，对系统设计充满兴趣，达到了教学目的。2.课题：电子称重系统设计课堂教学和实践教学结合：引导学生思考测量系统的设计思路，首先完成需求分析，然后进行系统总体设计，接下来进行传感器选型和具体信号处理电路设计。学生以4人一组进行设计。需求分析：要求学生以超市称重为应用目标完成需求分析，如需要电子秤实现基本的称重功能，称重范围为0～5kg，重量误差不大于±0.01kg，同时还能实现去皮、调零等功能。总体设计：要求学生分组讨论系统总体设计方案，最终大多数组给出总体设计方案，见图2所示。当物体放在秤盘上时重量施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使输出电压发生变化。该信号经放大滤波电路输出到A/D转换器，转换成数字信号输出到CPU，进行运算、控制、显示等。称重传感器选型：引导学生思考哪些传感器可用来测重，并从中合理选型。称重传感器的性能很大程度上决定了电子秤的精确度和稳定性。通常称重传感器产生的误差约占电子秤整体误差的50%～70%。按照称重传感器的结构型式不同，可以分直接位移传感器（电容式、电感式、电位计式、振弦式、空腔谐振器式等）、应变传感器（电阻应变式、声表面谐振式）或是利用磁弹性、压电和压阻等物理效应的传感器。对称重传感器的基本要求是：输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好的线性关系；有较高的灵敏度；对被称物体状态的影响要小；有较好的频响特性；稳定可靠。学生通过对比和综合考虑，系统采用电阻应变式传感器，量程为5kg，精度为0.01kg。其形状长约80cm，高和宽为10cm的长方体，金属块中间有两个圆形挖空，作用是让金属块容易产生弹性使贴在金属上的四片应变片更加灵敏地接收应变量，输出就更加灵敏。其结构图如图3所示。当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过全桥电路转换为电压的变化。利用电桥的和差特性（引导学生注意应变片电桥特性的重要性）可以提高系统灵敏度并进行温度补偿。信号处理电路设计：引导学生思考传感器一般输出微弱模拟电信号，如何与后续电路配合连接。传感器输出信号的处理是首先选用AD7705进入单片机后进行相关的软硬件设计。教学效果：有单片机基础的同学很好地完成了电子称称重系统的设计，传感器选用合理，系统设计思路清晰，完成后的系统软硬件运行可靠。该项目的完成说明学生已经具备实际设计系统的基本思路和基本技能。
项目教学的总结与思考
项目教学法中所设计的项目大多与学生日常生活密切相关，并蕴含工业测量系统设计思路。学生通过自己的努力以及同学之间的合作亲手设计并制作出真实的产品，这让学生感受到自己的学习价值。同时学生参与项目的讨论、实施、成果展示、交流评价等，有利于培养其善于思考、善于沟通以及团队精神。有些小组去电子市场购买元器件，这使学生了解了电子元器件的市场以及如何在市场中选购合适元器件。学生认为有助于拓展自己的课堂学习内容。通过两个学期的项目教学法实践，笔者认为在项目教学法的具体实践过程中应该注意以下问题：首先，教学项目要包含教学内容，同时要实用可行，学生有条件真正完成，同时根据学生的实际水平确定难易程度。其次，教师要适当给予引导，包括对知识的讲解和对项目具体实施思路的引导，这样学生才更容易理解接受并成功完成项目，并能在实施过程中培养系统观念，培养其创新能力。最后，要充分调动学生的积极性。在完成设计后，以其工程应用背景激发学生进一步学习的兴趣，同时可采用一些激励机制调动学生的学习积极性，提高教学效果。
本文作者：邢航漆海霞邹恩杨秀丽毕敏娜工作单位：华南农业大学
