时间：2023-10-20 10:52:08
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篇智能电路设计与制作，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。
【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
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[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.
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[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.
关键词：电磁密码箱，报警，蜂鸣器，STC89C52
一、总体方案设计
它是以STC89C52单片机为核心，配以相应硬件电路，完成密码的设置、存贮、识别、驱动电磁执行器并检测其驱动电流值、接收蜂鸣器送来的报警信号、发送数据等功能，单片机接收键入的代码，并与存贮在EEPROM中的六位密码进行比较，六位密码可以有298万多组密码供主人随意变换，保密性极高，可选密码组是连续排列的，如果密码正确，则驱动电磁执行器开锁；如果密码输入不正确，则单片机通过通信线路向智能报警器发出报警信号。
密码箱主要由矩阵键盘、单片机、外部硬件等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电磁密码箱的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈，单片机将每次开锁操作和此时电磁执行器的驱动电流值作为状态信息发送给单片机的芯片处理，同时将接收来自无限循环的密码识别程序的报警信息也发送给智能报警器，从而使整个密码箱正常运行。
二、硬件现及单元电路设计
1、单片机的时钟电路与复位电路设计
本系统采用STC系统列单片机，相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多，而且执行速度快；STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写，下载程序较为方便；STC51单片机内部集成了看门狗电路；且具有很强抗干扰能力。本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路，由于单片机P0口内部不含上拉电阻，为高阻态，不能正常地输出高/低电平，因而该组I/O口在使用时必须外接上拉电阻。
2、键盘电路设计
在单片机应用系统中，一般都会设置键盘，主要为了控制运行状态，输入一些命令或数据，以完成特定的人机交互。键盘是与单片机进行人机交互的最基本的途径，其以按键的形式来设置控制功能或输入数据，按键的输入状态本质上是一个开关量。对于简单的开关量的输入可以采用独立式按键，这种方法接口简单，但占用单片机I/O端口资源较多。对于输入参数较多、功能复杂的系统，需要采用矩阵式键盘进行输入控制。本系统采用4×4矩阵式键盘。
3、液晶显示电路设计
液晶显示器（LCD）是一种功耗很低的显示器，它的使用非常广泛，比如电子表、计算器、数码相机、计算机的显示器和液晶电视等。电子密码锁中需要显示的信息比较多，为了能直观的看到结果，并且为了设计显的美观，使用总线和排阻进行简化连接方式，本设计采用液晶显示屏LCD进行显示，
4、存储芯片电路设计
I2C总线（Inter Intergrate Circuit BUS）全称为芯片间总线，它在芯片间以两根连线实现全双工同步数据传送，一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SDL），可以很方便地构成器件扩展系统。I2C总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成，为了对数据进行存储，本系统使用串行EEPROM芯片，AT24C01系列是典型的I2C串行总线的EEPROM，本系统采用此芯片进行数据存储。
三、系统软件设计方案
1、主程序流图
如图所示为主程序流程图，用户才可以自行设定和修改6位密码，密码输错会有提示声。只有键入6位开锁密码完成正确才能开锁。
四、系统的安装与调试
安装步骤1.检查元件的好坏。按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。
参考文献：
[1] 王千. 实用电子电路大全[M]. 电子工业出版社， 2004， 28-36
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[3] 张荣. 基于单片机的智能系统设计与实现[M]. 电子工业出版社， 2005， 35-38
[4] 朱勇. 单片机原理与应用技术[M]. 清华大学出版社， 2006， 14-16
【关键词】单片机嵌入技术 智能家居 远程监控 传感技术 射频收发 短信监控
1 研究背景
随着科技发展，通信技术、计算机技术、网络技术和控制技术的发展，促使了家庭居住环境的现代化、舒适化、安全化。这些发展影响到了人们生活的方方面面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，家居智能化也就应运而生了。传感器技术的功能也越来越强，而且现今各种传感器都已经标准化、模块化。这给智能家居控制系统的设计以及广泛应用提供了极大方便。
智能家庭控制系统是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立起来的，一个由家庭到小区的综合信息服务和管理系统，它也构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的综合系统。
2 构思设计方案
在确定总体方案时，有以下几个重要因素：首先选择好单片机，依据设计需求来确定IO口、定时器、计数器以及附带特定的模块（比如AD转换器等）。配置丰富、功能强大、价廉物美的单片机是我们首选产品。其次，被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。再次，结合制作实际与应用实际，确定输入逻辑控制单元和输出驱动控制对象， 画出整个原理图和系统流程图。
3 电路设计
本设计采用型号为STC12C5A60S2单片机作为主控器件MCU，应用系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统由单片机以及扩展的存储器、输入输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的电路芯片或部件组成；软件系统由单片机主、从机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组。
电路设计结构图见图3，主机电路图见图4。
4 软件设计与编程
4.1 主机功能设计
12864汉字液晶屏显示，全中文显示。 未来公历和农历节日、记念日双行显示。3个独立时钟功能，可设置多种闹钟方式。多范围整点报时功能。 7级液晶屏背光亮度调整。自动背光功能，在环境光变暗时自动调整背光。小巧美观的外观设计，可直立于桌面上。0～99摄氏度环境温度显示。利用无线数据传输控制 继电器来达到家电控制了闹钟响应时任意按键 取消闹钟响声。有当前设置掉电后，第二次上电依然保存。主机流程图见图5。
4.2 从机程序设计
主要功能有温度传感、开关（模拟门窗）信息传感等信息射频无线传送给主机。其程序模块主要有射频程序、主程序、串口程序（UART）等组成。见图6。
5 系统制作及调试
先期是PCB制作，主机、从机两块板制作好以后就是装接元器件。对硬件电路是每个模块要先行测试，确保电路板的物理连接性等没有问题。很多模块的测试是需要与软件写入后同期进行的，许多故障是在载入软件后从硬件和软件两个方面去发现：一般先看硬件有无故障，然后再看原件分析，最后再结合起来调试，如此逐个模块单一功能的解决有利于问题的分析和解决，不会造成问题的积累。
5.1 使用的仪器仪表及工具
PC一台；
ME-52HU单片机仿真器一台；
TDS210 60MHz双踪示存储波器一台；
WYK―302Bz型直流稳压电源一台；
MODEL HC―F1000C 型频率计一台；
EE1641B1型函数发生器/计数器一台；
MF 47型机械万用表一个；
DT 9208型数字万用表一个；
TLW-T调温烙铁一把；
keil uv2，万利V3，用C语言编程
Protel DXP开发工具一套；
5.2 硬件制作与调试
印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时。必须遵守印制电路板设计原则和抗干扰措施的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。本次设计采用Altium公司PROTEL系列设计完成SCH到PCB的设计，并且手工完成电路焊接以及整机的装配。
5.3 系统硬件调试
本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：
（1）逻辑错误调试。
（2）器件调试。
（3）可靠性调试。
（4）电源故障。
5.4 短消息发送调试
开机后应自动对T35初始化，在主程序中和其他元器件一起初始化。其次是检测有无SIM卡，针对与有或无，一则在屏幕上显示有无SIM卡，二则走不同的程序。
在调试过程中分三种情况：
（1）被动查询。家人手机向家居号码发出“cx”（查询首字母）后，主机收到合法指令（程序指定）后将信息更新NRF缓冲区数据并发送给从机，从机将各个数据通过射频回送给主机，主机再将各有效信息回复给查询号码。
（2）被动控制。家人手机发出诸如“close_1”等合法指令，主机根据程序对应修改NRF缓冲区数据再发给从机的控制端，以实现对各个继电器的控制。
（3）主动超限报警。当居家温度等某个参数超出限值有灾情或有检测到认定为盗情的时候，在程序设定中有主动向某个指定号码发出报警短信，格式视程序编写而定。
5.5 软件机调试
单个模块的程序编写和功能调试并不复杂，当所有硬件整合在一起的时候，要分别实现万年历、闹钟、背光、射频、温度检测等等程序，就比较容易有问题。比如初始化，18b20、DS1302、12864、T35、N2401等等都要初始化，就需要整合，有时还会有冲突。所以写的时候是写在一起，在调试时候，采用是逐个任务进行调试，等逐个任务调试好以后，再使各个任务同时运行。再经过随机全功能测试。
在调试过程中一共经历了两次完善：第一次制作调试的为V1.1 TEST版。第二次修改调试的为V1.2 TEST版，主要完成了以下功能完善：修复了闹钟 喇叭图标响完没有清除的BUG、修复菜单模式之后 正好碰上报时导致报时声音错位、新增加了闹钟响应时任意按键 取消闹钟响声、新增加了所有当前设施掉电后，第二次上电依然保存。
6 总结
在生活节奏加速的今天，智能家居控制系统的出现适当的缓解了人们的生活压力，给广大业主带来了安全、健康、舒适、节能的生活环境。在系统设计过程中应该会有一些欠考虑的因素需要在以后的设计过程中不断的改进和完善。
参考文献
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[5]何立民，单片机应用系统设计[M]，北京：航天航空大学出版社，2001.
[6]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
【关键词】物联网系统组建课程 温度检测 实训项目设计
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2016）11C-0189-03
物联网系统组建课程作为物联网知识学习的重要课程，是一门以动手实践为主的实训课。在物联网系统组建课程中引入项目化实训教学，既能做到将涉及面广的零散知识点综合学习，又能将理论联系实际发挥学生的主动性，通过不同的方法实现实训的要求。项目化教学既能够让学生系统学习物联网知识，又让学生成为项目设计的主角，激发学生的学习兴趣。为此，本文设计了一个“智能温度检测系统”项目作为物联网系统组建课程的实训项目。本物联网系统组建实训项目要求为：模拟智能工厂的温度检测系统，能够实时显示工厂里的温度值，并能设定温度的上限阈值和下限阈值，当温度值超过设定的阈值时发出警报，要求学生按照项目开发流程、设计思路，完成系统项目总体设计、硬件电路设计、软件程序设计、综合调试等工作。
一、智能温度检测系统项目的总体设计
在下达项目任务后，让学生收集相关的温度检测系统资料及发展现状，综合设计系统总体结构框图。为实现项目系统的功能，本温度检测系统由上位机和下位机两部分组成。上位机由ZigBee接收模块、电源模块和PC显示终端组成。下位机由ZigBee控制核心模块、电源模和DS18B20温度传感器组成。上位机与下位机通过无线方式传输数据。系统总体结构框图如图1所示。
二、智能温度检测系统的硬件电路设计
（一）ZigBee控制核心模块设计。根据本项目的需求选择CC2530微处理器作为控制核心。CC2530包含32KB的ROM和8KB的RAM，集成高效的2.4-GHz IEEE 802.15.4无线射频收发器，具有低功耗、无线传输温度数据等优点，被广泛应用于物联网的无线通信领域。在上位机部分中ZigBee控制核心模块与PC机通信采用UART串口方式通信。ZigBee核心控制模块部分电路如图2所示。
（二）温度传感器模块。本项目的温度值通过读取传感器输出信号获得。温度传感器输出信号可分为模拟信号和数字信号两种。模拟式传感器输出信号需要添加放大电路和A/D转换，增加了成本和设计难度。数字式传感器直接输出数字信号，ZigBee核心模块可以通过I/O口直接读取。温度采集传感器使用Maxim公司的DS18B20数字式温度传感器。DS18B20采用单总线通信方式，只需要占用一个I/O口即可完成数据通信；温度测量范围为-55°C至+125°C；测量精度为±0.5°C。温度检测系统项目中采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20传感器模块电路如图3所示。
（三）电源模块设计。本项目考虑到温度检测采集点减少受地理环境因素影响，采用电池包作为电源。由于ZigBee控制核心模块的供电电压为3.3V，采用DC-DC转换电路将直流6V转换为3.3V。电源模块电路如图4所示。
三、智能温度检测系统的软件设计
温度检测系统的软件设计是项目开发过程中重要环节。
（一）软件编程设计思路。温度检测系统上位机与下位机的通信方式通过无线通信方式实现。上位机的ZigBee控制核心模块接收到温度数据后将数据通过串口发送到PC机显示。在PC机Windows系统平台编写应用程序实时接收数据显示并同时检测是否超过设定的阈值，若超过阈值则发出警报。
（二）软件设计流程图。本项目的软件设计按组成部分划分为上位机和下位机两部分，其中上位机软件设计分为ZigBee接收模块程序设计和PC机显示端程序设计。系统的上位机与下位机的无线通信采用Basic RF无线通信协议，该协议具有配置简单、点对点通信等特点。上位机与下位机程序设计流程图如图5所示。
下位机系统上电后ZigBee模块进行初始化，对Basic RF无线通信协议进行配置和对温度传感器DS18B20进行初始化设置。下位机完成初始化后等待上位机温度采集指令，当接收到指令后读取DS18B20温度值，将温度数据通过无线通信方式发送到上位机ZigBee接收端。上位机ZigBee接收端收到数据后通过UART串口发送到PC机显示。
（三）子程序分析。下位机ZigBee无线通信采用Basic RF构建，项目任务主要是通过调用子函数来实现。
函数：void basic_configRF_Init（void）
功能：ZigBee模块Basic RF无线配置初始化，包括ID、通信频道、本机地址等。
函数：void DS18B20_Init（void）
功能：该函数主要负责对DS18B20温度传感器进行初始配置。
函数：unsigned float Read_Temp（void）
功能：读取DS18B20温度值，返回无符号浮点型。
函数：basicRfSendPacket（uint16 destAddr，uint8* pPayload，uint8 length）
功能：实现ZigBee无线数据的发送。destAddr为点对点目标地址；pPayload温度值数据的缓冲区地址；length温度数据的长度。
函数：basicRfReceive（uint8* pRxData，uint8 len，int16* pRssi）
功能：接收数据无线ZigBee数据，pRxData接收到数据的缓冲数据地址；len接收到的数据长度；pRssi信号强度。
在项目实现过程中，教师提供关键的子函数及相关说明文档，学生根据说明文档搭建ZigBee无线Basic RF通信系统。
（四）上位机应用程序构建。本项目上位机应用程序采用WPF技术构建，开发平台采用Visual Studio 2012编写应用程序在Windows系统运行。WPF基于用户界面框架，使用WPF构建温度检测系统能够快速实现相应的功能。上位机应用程序中使用定时器计算时间每隔200ms读取一次温度值。在项目实现过程中为学生提供定时器类的使用方法：
Timer timer_read = new Timer（）；
timer_read.Interval = 1000；
timer_read.Enabled = true；
timer_read.Elapsed += timer_read_Elapsed；
void timer_read_Elapsed（object sender，ElapsedEventArgs e）；
四、智能温度检测系统的实物制作及调试
在学习了相关知识和绘制完成硬件电路后，开始温度检测系统的实物电路制作，根据前面绘制的PCB电气原理图进行制版和焊接。在完成硬件电路后开始编写程序和调试。实训室管理员根据项目元件清单为学生提供相应的电子元器件。
学生也可以根据项目内容要求，发挥主动性自行设计相应的电路，然后根据电路选择相应的电子元器件。
（一）焊接。在实训室完成硬件电路板的制作后，进行元器件的焊接，在焊接过程中需要提醒学生有极性的电容方向及CC2530芯片的引脚。
（二）调试。在完成实物制作后，根据项目要求调试电路。教师参与学生实物系统的调试，对遇到的问题进行及时纠正。上位机显示应用程序如图6所示。
（三）评分验收。教师根据项目评分标准进行考评，在考评过程中对做得好的地方进行表扬，同时指出不足的地方。
图6 上位机显示应用程序
综上，在物联网系统组建课程中采用项目化实训，改变传统课程的教学模式，让学生作为主体，发挥学生的主动性。在智能温度检测系统设计项目中，让学生在项目设计过程中掌握物联网的系统设计思路、组成、硬件电路设计、软件程序设计和系统调试等知识，将分散的物联网知识综合应用，使学生在不仅学习了理论知识，还掌握了如何设计物联网系统的技能。
【参考文献】
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[4]王德权，邓云霓.WPF在发动机生产线监控系统中的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2013（4）
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【基金项目】2016年度广西高校中青年教师基础能力提升项目（KY2016YB760）；2015年柳州铁道职业技术学院校级科研立项项目（2015-C21）
[关键词]温度传感器；单片机；自动控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0258-01
1 方案论证与比较
1.1 控制电路的方案选择
方案一：采用运放等模拟电路搭建一个控制器，用模拟方式实现PID控制。可以实现水温控制，但要实现显示、温度设定等功能，电路设计较繁杂[1-2]。同样，使用逻辑电路也可以实现水温控制功能，但电路设计和制作比较烦琐。
方案二：通过FPGA实现控制功能。使用FPGA时，电路设计比较简单，通过相应的编程设计，可以很容易地实现控制和显示、键盘等功能，是一种可选的方案。但与单片机相比，性价比不高[2]。
方案三：采用AT89S52单片机作为核心控制器[3]，将采集到的信息由软件直接处理，可同时完成控制、显示等功能，电路设计和制作较简单，成本较低，所以采用此方案。
1.2 测温方式及电路的选择
方案一：采用热敏电阻作为测温元件。热敏电阻精度高，需要配合电桥使用，此外还需要制作相应的调理电路。电路设计较为繁锁，且稳定性难调试。
方案二：采用模拟集成温度传感器AD590，其具有测量误差小、响应快、传输距离远等特点，但其为电流输出型，须进行放大处理电路或转换成电压处理，且需要数模转换等模块才能实现显示功能。
方案三：采用智能温度传感器DS18B20，其具有精度好、可靠性高，价格适中等特点，利用其单线输出特性，通过串行通信接口可以测量温度，由单片机软件来识别处理[4]。从而使整个电路简单，同时保证了系统的稳定。
1.3 加热方案和功率电路的选择
方案一：采用继电器控制加热器的工作，若温度偏低，则控制继电器吸合，加热器工作，温度偏高则继电器断开，加热器停止加热。由于继电器采用的是机械动作，存在触点，因此对控温精度要求比较高、系统惯性不是特别大时，不宜采用继电器。
方案二：采用可控硅控制加热器的工作，可以通过控制导通的交流周期和导通角两种方式来实现。采用控制导通交流周期的方式时，为了达到控制的精度，需要在一个较多的周期数中控制导通的数目，不适用于动态性能较高的控制。水温控制系统实际上具有较大的惯性，可以考虑这种控制方式。采用导通角的方式时，由于对每个周期的交流电都进行控制，因此响应速度比较高，另外由于导通角连续可调，因此控制的精度比较高。所以最终我们采用此种方案。
2 系统硬件模块的设计
2.1 总体设计模块
整个系统分为以下几个部分：测温电路、主控制电路、功率电路、加热装置和数码管显示模块电路，如图1所示。
2.2 主控及显示电路的设计
主控电路采用AT89S52单片机作为系统核心，将P0.0-P0.3口接三个传感器的单线总线，P0.7口输出温度控制信号给功率电路，实现自动控制加热功能。显示电路由四位共阳数码管构成，通过单片机P1口供其段码输出，P2.0-P2.3控制其位码，直接采用三极管9012作为其驱动电路保证显示的亮度。键盘部分由3个按键开关构成，分别与P3.0-P3.2口相连，通过功能切换、温度加减，实现设定温度功能。
2.3 检测温度电路
检测温度电路我们采用三片智能温度传感器DS18B20作为感温器件，通过与单片机三个I/O口连接构成检测判别电路。其测量范围为-55～+125℃，且输出的数据可进行9～12位的编程，分率力依次为0.5、0.25、0.125、0.0625℃。所以其精度可以通过软件实现，使用方便，灵敏度、精度也较高。
2.4 加热与功率控制电路
通过可控硅实现自动加热功能。具体实现：由单片机判断实时水温状况，P0.7输出脉冲信号，控制三极管的导通，对过三极管控制双向可控硅的导通与否，从而实现电路的加热或保持。工作时，结合设置的温度，当温度高于所设的温度时则可控硅不导通，电热器不加热，温度将会降低，不再升高。反之亦然。
3 系统测试与分析
实验1：将温度计放入加热器皿中，测量实时水温，并与系统测量数据进行比较。系统运行存在一定误差，误差范围小于0.5℃，这主要是由于温度计本身与实际温度就存在一定误差，所以检测显示的数值也就难免有点偏，如表1所示。
实验2：当温度迅速升高或降低时，测试系统运反应情况，采取的方法是观察温度到40℃时，将沸水加入溶器中，观察温度计，到达60℃时，则马上停止，同时观察数码显示情况。由于加水的快慢，水温的均匀程度会直接影响到测量的精度，所在在系统对水温突变测量存在一定的滞后现象，如表2所示。
四、总结
系统采用AT89S52单片机为核心控制元件，结合数码管显示、温度传感器的多点采集、双向可控硅的巧妙运用，使系统具有较好自动检测温度并控制温度变化的功能，同时可以实现水温显示等功能。
参考文献
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关键词： 太阳能热水器； 模糊控制算法； 输出功率； DS18B20
中图分类号： TN95?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0124?03
0 引 言
由于太阳能强弱随天气和季节变化，因而太阳能热水器需要辅助加热装置才能保证一年四季或全天候使用到热水。目前大多数产品的电辅助加热方式采用开关式或PID控制，但由于太阳能本身是一个时变的复杂非线性变量，太阳能热水器的集热和辅助加热过程无法精确地用数学模型描述，采用传统控制方式有时难以达到满意的效果。近年来发展起来的模糊控制是一种智能的非线性控制方法，在家用电器和其他嵌入式控制系统中取得了很好的控制效果。本文结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于单片机的模糊智能控制器。
1 主要硬件设计
本系统以单片机STC89C52RC为控制器，采用DS18B20数字温度传感器测量水温，以DS12C887为系统提供高精度时钟，通过模糊控制算法得到控制量，通过PWM波控制过零继电器方法来控制加热棒的功率，从而控制水温。
1.1 单片机最小系统设计
实验系统采用8051内核的STC89C52RC单片机作为智能控制器。由于系统运算量不大，没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不必外扩数据存储器，仅使用STC89C52RC内部RAM和E2PROM完全能够满足要求。STC89C52RC最小系统电路如图1所示。
1.2 温度控制执行器设计
该系统的水温控制执行部分是一个过零固态继电器和加热棒，继电器输入控制端为DC 3～32 V，输出端为AC 5 A/380 V/50～60 Hz，加热棒功率为500～1 000 W。通过控制单片机产生PWM波的占空比控制交流过零继电器的通断频率，从而实现对加热棒的功率控制。
1.3 温度测量部分设计
采用数字温度传感器DS18B20，其抗干扰能力强，并且不必要温度标定，使用单片机分时复用原理与传感器的单总线接口方式即可实现数据通信。DS18B20的硬件电路如图2所示。
1.4 时钟电路设计
为实现热水器24 h供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间。本系统中采用DS12C887时钟芯片，该芯片采用CMOS技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，具有微功耗、接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。电路图如图3所示。
2 模糊控制器设计
2.1 模糊控制原理
模糊控制系统结构如图4所示。模糊控制器的输入、输出量都是精确的数值，而模糊控制器采用模糊语言变量和模糊逻辑推理，因此必须将输入变量变换成模糊语言变量，这个过程称为精确量的模糊化；然后进行模糊推理，形成控制策略；最后将控制策略转换为一个精确的控制变量值，即去模糊化，并对输出控制变量进行控制。
2.2 模糊控制器实现
本系统采用二维模糊控制器，以温度误差和误差的变化率作为模糊控制器的输入信号，模糊控制器输出控制量[U，]单片机再根据[U]值确定输出PWM波的占空比；时间设置值也作为控制器的输入信号，用于对占空比进行时间上的优化。
将模糊控制器的输入、输出变量的实际变化范围称为这些变量的基本论域。本系统中的误差[e、]误差的变化率[ec、]控制量[u]的基本论域分别为：[-2，+2]，[-0.2，+0.2]和[0，100%]。
3 结 语
经实验测试，本文所设计的控制算法和硬件电路能够满足设计要求，所构建的系统具有稳态误差小、过渡时间短、成本低、智能化程度高等特点，可作为太阳能热水器生产厂商的产品设计参考。本系统温度静态误差：[T≤]0.1 ℃；温度超调量：[T≤]0.3 ℃。
参考文献
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关键词 STC12C5A6052 PWM 电磁铁 编码器
0引言
电动秋千摆杆角度控制系统不仅要求快速精确地检测出摆杆角度，还要求键盘设定秋千摆杆角度并能在此角度停止。因此，系统设计应采用以微控制器为核心的智能仪器结构设计。
1系统方案设计
电动秋千摆杆角度控制系统可实现自由摆动、定角摆动、定周期摆动、定角定周期摆动、摆动突停5种运动模式。本装置可通过键盘设置参数，使摆杆快速摆动到预设位置，并在运动过程中实时显示摆角。为了精确控制摆杆角度，系统采用电磁控制系统。制作一个电磁铁，放置在摆杆下端磁铁的正下方，并在支架和摆杆上安装红外对管，用来检测摆杆是否到达静止点。摆杆摆角幅度和周期同时预置，摆杆由静止点开始摆动，当摆杆稳定运行后声光提示，并可在快速平稳停在静止点上。系统框图如图1所示。
2硬件电路设计
2.1微控制器资源分配
采用STC12C5A60S2新一代高速、低功耗、超强抗干扰的8051单片机，其端口资源分配如图3所示。
2.2磁力控制模块
采用L298N驱动器配合STC12C5A60S2输出的PWM电压控制信号控制电磁铁的磁力。磁力控制电路设计如图4所示。将L298N的IN1～IN4分别连接到单片机的P0.0～P0.3口上，通过改变P0.0～P0.3的高低电平控制电磁铁线圈上电压的极性，从而改变磁场和磁力方向。ENA和ENB接单片机的PWM输出信号，通过调整占空比，改变电磁铁线圈上电压的平均值，控制磁力的大小。
2.3摆角检测模块设计
采用欧姆龙E6A2-CWZ3E 500线增量式编码器检测摆杆摆角信息，可将摆角转换为脉冲信号输出。电路设计简单、角度信息读取直接。每转一周A、B相端分别输出500个脉冲。输出一个脉冲相当于（360？500=0.72埃诮欠壤砺劬晕蟛睢？啊？
编码器输出A、B两相脉冲互差90埃煞奖愕嘏卸铣鲂较颉5テ枚丝P3.2和P3.3分别检测A、B相波形，INTO在脉冲上升沿被触发后，检测P3.3上B脉冲的电平状态，若B脉冲是低电平则编码器正转，摆角角计数器作加法计数；否则编码器反转，摆角角计数器作减法计数。
2.4键盘接口电路的设计
设计采用由5个按键构成的独立式键盘，按键功能如下：S1―确认；S2―模式选择；S3―摆角幅度/摆动周期设置；S4―摆角幅度/摆动周期“+”，每按一下，角度+5？周期+0.5s；S5―摆角幅度/摆动周期“-”，每按一下，角度-5？周期-0.5s。
3系统软件设计
主程序设计中，先对系统初始化，再判断键盘按键，根据按键所对应的5种摆动模式，实现对摆杆的自动控制。其中：模式1――自由摆动；模式2――定角摆动；模式3――定周期摆动；模式4――定角定周期摆动；模式5――摆动突停。主程序流程图如图5所示。
4结语
电动秋千摆杆角度控制系统设计将模电、数电、单片机、传感器、智能仪器等课程有机结合起来，是综合性较强的教学案例，可用于我院电子信息专业学生的课程设计、毕业设计课题等方面。
参考文献
[1] 胡宴如.模拟电子技术基础（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2008.
关键词：实践教学；电子工艺；智能机器人
中图分类号：G633.8 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 17-0000-01
Small Issues,Real Production,to Carry out the Exploration of Practice Teaching in Schools
Zou Shaoqin
(Nanyang College in Xiamen,Xiamen361000,China)
Abstract:The practice of teaching in schools is by teaching,learning,as one important way,this article describes my school e-professional for small issues,really made for the purpose,and to markets,schools,factories together some of the ways the organization of practice teaching,willing to work with fellow comrades to communicate with each other to improve.
Keywords:Practice teaching;Electronic technology;Intelligent robots
在当今信息社会中，世界可称得上是一个电子世界。随着科学技术的迅猛发展，电子已深入到社会的各行各业，特别是人民生活水平的不断提高，要求有更多智能化的电子产品来充实人们的生活。因此，各类电子产品适应而生，电子厂家相继涌现，从而为电子技术这个历史悠久的行业注入了新的活力，使其具有与时俱进，支撑面广，涉及地区宽，人才需求量大等特点。电子工业的发展和对高端技能型人才需求的增加，加大了高职院校电子类专业人才培养的使命感。如何适应当今科技发展的形势，如何满足电子工厂企业对可用人才的需求，就成为电子专业迫切需要解决的问题。
一、识清形势，转变观念，以能力为本位组织教学
教高[2006]16号文件指出：要积极推进与生产和社会实践相结合的学习模式，其中改革的重点是教学过程的实践性、开放性和职业性，实践、实训、实习是三个关键环节。立足于这一基我们首先是转变观念，确立高职的教学理念，把握住电子专业课程体系工程性强、实践性强的特点，确实了“在学校把教、学、做深度融合，到工厂与岗位紧密结合，知识与技能并重，厂校联合育人”的人才培养模式，逐步形成了“职业技术为基础，开发应用为主导，创新创意为宗旨”的教学特色。方向明确之后，方法也就运应而生，从而使得专业教育有声有色的开展起来，并逐步充实提高。
二、小课题，真实制作，以创新为目的的开展实训
为了把教、学、做深度融合，我们精心的设计了实践教学的过程。首先我们将中级电子技术职业资格证书考纲；Protel99SE中级职业资格证书考纲与PCB板制作溶入实训课程体系之中，并把市场，课堂与工厂结合在一起，以小课题、真制作为宗旨，突显创新、创意理念组织实践教学。我们的做法是：
（一）与市场融合，组织学生制作示教板
我校在开设《数字电子技术》课程时，组织学生到电子市场去收集、购买数字集成电路芯片，从门电路、触发器各类组合与时序功能电路到ROM、RAM、存储器及D/A、A/D转换芯片，并将它们的管脚功能，输入输出逻辑关系一一标明，用电脑排版方法制作出8块数字集成电路芯片示教板，这一方面让学生了解市场供应状况，同时也使学生通过自己制作示教板的过程，认识、掌握了该门课程所讲述的芯片功能及应用。又如在开设《模拟电子技术》课程时，我们同样组织学生收集常用电路元、器件制作示教板，其中“色拉电阻及其阻值、精度识别法”；“集成运算放大器芯片及典型应用电路”以及“集成稳压芯片及其应用电路”等示教板，受到了到校参观指导的领导和兄弟院校同行教师的高度评价。
（二）利用Protel99SE平台进行电路设计并完成PCB板制作
这是我校电子工艺实训的一个强项，也是一个亮点。我们给定学生一个功能电路的原理图，要求学生利用Protel99SE平台进行电路板设计，并要满足一些给定的要求，例如电源线与地线的合理排布，信号传输线的防干扰、屏蔽等，之后要求学生实地制作出相应的PCB板，并选用电路元、器件焊接，调试出给定的电路功能。这一完整的实训过程涉及到多个环节和多道操作，使学生体验了一次电路板设计、制作到电路板装配调试的全过程，深受学生们欢迎，从中也使学生实实在在的掌握了Protel99SE中级职业资格证书考纲的要求，我校几届学生的考证通过率均为100%。
（三）利用电子散装套件，组装调试功能部件
为了提高学生对电路元、器件的识知能力，并进行焊接技术训练，我们在学生不同的学习年段，利用电子散装套件让学生组装、调试功能部件，例如在学生入学之后，我们组织学生组装调幅调频收音机，侧重于电路元、器件的识别和焊接技术的初步训练，而电路功能的调试则主要靠教师指导完成。到了二年级我们选用智能音响，小5寸汽车电路等散装套件，让学生通过组装调试了解已学过的电路知识和掌握朴实的装调技巧，同时组织学生下到定点工厂参观车间生产线的流水操作过程，使学生对自己的技能做出评价，寻找差距，明确不足，以便回校后加强锻炼，满足今后工厂工作的需要。
（四）利用乐高教育型NXT蓝牙机器人进行智能型电子产品的模拟训练
我校为了培养学生对智能机器型电子产品开发、制作能力，购买了10套乐高教育型NXT蓝牙机器人套件，并开出一门《创新机器人》课程，并在教师指导下，进行了创新机器人组装、编程、调试实训。在这一实训过程中，学生首先要按照不同形体要求组装出成型的智能模型，如机械狗、向日葵、寻迹车等，然后要按照功能要求选定相应的传感器，编制完整的控制程序并进行调试。这种实训方法，大大提高警惕了学生的学习兴趣和创新意识，学生互相攀比，得出了多种优选方案，对智能型电子产品有了较深的认识，起到了很好的效果。
校内的实训仅是以能力为本位，把教、学、做融为一体的一种手段，这对于学生技能的培训，只是一个开端，真正的能力培养更要安排体现在专业课程体系的创建和教学内容提要的选取，特别是工学结合的学生模式以及后期的顶岗实习，现在有一种提法：中国不缺人，但缺人才――当今社会是一个人才竞争的社会，谁掌握了人才，谁就占有了取胜的优势；中国不缺大学生，但缺能下到企业去建功立业的大学生。因此提高学生职业素质和职业技能，让我们培养出来的学生能被社会，被企业所接收，是需要学生的每一个教学环节都要遵循人才培养的模式，精心设计，精心实施。本文所述及的内容，仅是我们的一种实践，我们将以此为起点，去探索更为有效的方法，来达到高素质人才培养的目的。
参考文献：
[1]陈桂兰,王成福.开展校内应用电子技术专业生产性实训的探索[J].金华职业技术学院学报,2010,10
关键词：毛巾剑杆织机；Cortex-M3；嵌入式实时操作系统
引言
剑杆毛巾织机以其灵活多变、适应性广、技术发展成熟而深受毛巾生产企业的青睐。当前剑杆毛巾织机逐步替代了老旧的有梭织机，成为了毛巾织造行业的主流设备。近年来，国产剑杆毛巾织机在市场需求的推动下得到了巨大的发展，但是遍布江浙地区的中小型剑杆毛巾织机生产企业的自主研发能力普遍还很弱，现有的剑杆毛巾织机产品大多数是在测绘国外中低档产品的基础上进行改进，高性能与新机型的研发能力以及自动控制系统的研发能力普遍不足，而市场竞争越来越激烈，需要不断更新和开发产品。因此，在完成机械部件设计的基础上，开发具有自主知识产权的高性能控制系统，逐渐成为国内中小型剑杆毛巾织机生产厂家关注的重点。
文章以剑杆毛巾织机样机（如图1所示）为控制对象，在分析毛巾织造工艺的基础上，提出了一套以ARM技术为核心的新型毛巾剑杆织机控制系统设计方案，并制作样机。文章的研究成果将在合作单位首先试用并进行产业化推广，有利于推动绍兴以及浙江地区中小型剑杆毛巾织机生产企业产品的升级换代，提高其市场竞争力。
图1 剑杆毛巾织机样机
1 硬件设计方案
设计的毛巾剑杆织机控制系统以ARM技术为核心，采用的主控芯片为LPC1766。硬件电路设计过程为：首先，根据控制系统的详细设计方案，完成电路原理图设计，并计算相关电路参数，采购电路元器件。其次，对关键电路模块进行功能仿真或制作实物电路论证电路设计的合理性与可靠性。最后，绘制电路PCB板图，重点考虑电路布局与电路板抗干扰性能。在拿到PCB样板后，焊接控制系统电路板。其核心电路如下所述：
1.1 主控制板硬件电路设计
主控制板硬件电路设计包括：LPC1766芯片供电模块、电源电路、数据存储模块、时钟电路、USB输入输出接口、19264液晶显示屏控制电路、掉电复位保护电路、剑杆毛巾织机运行状态信号量输入模块、起毛伺服控制器接口、键盘接口电路以及电子多臂龙头控制板、伺服电机连接控制板与8色选纬控制板的接口等电路模块的设计、验证与制作调试工作。其中液晶显示电路如图2所示。
1.2 卷取伺服电机连接控制板设计
卷取伺服电机连接控制板主要解决主控制板与卷取系统的伺服电机控制器之间的通信问题，具有独立的控制芯片STCF1104。该连接控制板与主控制板之间的通信采用RS232实现。卷取伺服电机连接控制板与伺服控制器之间需要实现伺服使能信号、伺服硬件异常报警信号、伺服系统定位完成、伺服电机旋转方向与脉冲数等信息的读取与设置。
2 控制系统软件设计
剑杆毛巾织机控制系统的软件将以实时嵌入式系统μC/OS-II与FAT32文件管理系统为平台进行开发。其设计流程如下：
（1）在控制系统方案设计：首先，进性详细的市场调研，分析市场上主流的剑杆织机控制系统（包括平布与毛巾织机）的功能特点，借鉴其好的设计思想，使其为我所用，并设法改进其不足之处，确保设计的剑杆毛巾织机控制系统符合当前的技术潮流，并具有自己的特色。其次，与合作单位的机械部件设计人员进行充分的交流，在深刻领会其整机设计思想、织机控制要求与控制系统制造成本要求后撰写剑杆毛巾织机控制系统用户需求分析报告与总体方案设计报告，并提交合作单位审核通过。确保项目研究成果能在合作单位使用推广，并被市场接受。
（2）控制系统详细设计：首先，详细分析毛巾织造工艺流程，理清剑杆毛巾织机控制信息点、研究织机动作时序，确立控制时间节点与控制信息间的逻辑关系。其次，根据用户需求分析报告，对总体方案进行细化，提出各个控制模块与相关控制算法的具体实现方案，并完成关键芯片与外购部件的选型工作。
（3）控制系统软件编写：首先，选择合适的软件开发工具，建立嵌入式系统开发环境，并完成嵌入式实时操作系统μC/OS-II与FAT32文件系统在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系统所有控制信息之间的逻辑关系，编写控制系统软件流程图与状态向量图。再次，对控制系统软件进行模块划分，编写各个子函数的输入输出接口，并设计控制信息数据结构模型与控制算法。最后，项目组软件编写人员通过分工合作完成软件代码编写与调试。
（4）剑杆毛巾织机控制系统调试：在完成控制系统硬件电路制作与控制软件设计后进行系统软硬件联合调试，验证各项控制功能是否完备、织机动作流程控制是否合理、各个控制模块工作是否稳定。通过软硬件联合调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误。
（5）剑杆毛巾织机整机调试：在完成控制系统软硬件调试后，将剑杆毛巾织机控制系统安装到合作单位提供的样机上进行整机调试，验证剑杆毛巾织机的整机功能是否达到设计标准、能否正确合理完成毛巾布料制造全部工艺流程与安全性要求。通过整机调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误，使得设计开发的控制系统达到设计要求。
控制系统软件具体的开发流程如图3所示。
图3 控制系统软件设计开发流程图
3 结束语
设计完成的毛巾剑杆织机控制系统具有以下特点：（1）设计了电子送经、伺服卷取功能模块。由变频器、交流电机与接近式张力传感器组成的电子送经机构实现了毛巾织造过程中相对稳定的经纱张力控制，简化了机械结构，又具有成本优势。伺服卷取机构实现了变纬密织造、毛巾须长停车自走、定位停车后自动补偿消除停车挡等功能，并简化了机械零部件设计，如取消纬密齿等。（2）在不增加硬件设备情况下，设计了软件自动寻纬算法，能提高布面拼挡效果，而且将减轻挡车工的劳动强度与操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服电机控制起毛凸轮的转动角度，实现了毛巾织物起毛高度在设计范围内任意变化，能够实现波浪型花纹编织。（4）剑杆毛巾织机控制系统软件基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II构建，改变了传统织机控制系统软件普遍采用的前后台模式，提高了控制系统的实时性，也有利于提高剑杆毛巾织造工艺。
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关键词：姿态感知；卡尔曼滤波；PID控制；MPU6050三轴陀螺仪加速计；TB6612电机驱动；线性CCD
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.21.234
1 电路设计
1.1 MPU6050三轴陀螺仪加速计模块子系统框图
1.2 TB6612电机驱动模块子系统框图
1.3 线性CCD模块子系统框图
2 程序设计
2.1 程序功能描述
（1）实现直立平衡控制
（2）平衡的基础上实现行走
（3）进而实现循迹功能
2.2 程序设计思路
首先写程序要有整体思路，小车最先应该让电机先转，然后达到平衡的目的，利用MPU6050三轴陀螺仪加速计为传感器的姿态感知系统，通过卡尔曼滤波对传感器的数据进行滤波融合，采用PID算法实现小车两轮自平衡，使用TB6612电机驱动模块实现小车的驱动电机，综合实现小车的直立行走，差速转向。进而写出线性CCD的部分程序。
所以程序中应该有平衡部分，速度控制部分，转向控制部分，然后应该根据芯片与电路的链接方法，写出芯片的初始化程序。
3 测试分析与结论
3.1 根据直立控制调试，由此可以得出结论见表1，表2
（1）可以确定得到kp=500，kd=1.7是P、D 参数的最大值；（2）对每个系数乘以0.6，取整得到 kp=300，kd=1，为理想的值。（3）小车的机械中值在0°。
3.2 根据速度控制调试，由此可以得出结论见表3
（1）kp=80，ki=kp/200是速度控制P、I参数的理想值；（2）kp=80，ki=kp/200是正极性。
3.3 根据转向控制调试，由此可以得出结论见表4
（1）kp=0.6为它的正极性；（2）kp=1是转向控P参数的理想值。综上所述，本设计达到设计要求。
4 结语
近年来，随着世界上智能汽车行业的飞速发展，极大地满足人们追求舒适的愿望。智能汽车行业的发展更能体现一个国家的综合国力，促使了许多国家举办智能车大赛。 [1]两轮自平衡系统是一种两轮左右平行布置结构，类似于传统的倒立摆 与蹊跷板平衡系统，本身是一个自然不稳定体。 本文中双轮自平衡小车在智能车中有着独特的优势，简单、方便、快捷以及在转弯时的灵活性在智能车行业的发展有着不可替代的作用。
针对弱电保护，常常涉及到过流和过压的保护，因而需要针对这两个问题进行设计。其主要目的是在对应的电源线或信号线进行电压或电流保护。弱电保护设计方案分别为5V电源线保护电路、12V电源线保护电路、24V电源线保护电路和36V电源线保护电路。针对于弱电保护方案的类同性，在此针对一个5V弱电保护电路进行方案设计。针对这个方案，常见弱电保护电路主要是保护后端元器件，保护电路主要的元器件是TVS管以及自恢复保险丝(或PTC热敏电阻)。在抗交流干扰时，常见选用自恢复保险丝，以及考虑到不同控制板电路中电流的需求性，因而选用的自恢复保险丝一定切合实际需要，针对后端电路具体的元器件以及设备，其保险丝的熔断电流以及过压值要匹配，此外，要考虑电路中允许的最大工作电流。这里主要讲述TVS的选择以及计算。针对TVS管，其具体选型步骤如下:
(1)确定待保护的电源或信号的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应该算出最大值，即有效值×1．414。
(2)TVS的反向变位电压即工作电压(VRWM)———选择TVS的VRWM等于或大于步骤(1)所规定的操作电压。
(3)最大峰值脉冲功率:确定电路中的干扰脉冲情况，根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间，确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。
(4)所选的TVS的最大箝位电压(VC)应低于被保护电路所允许的最大承受电压。
(5)单极性还是双向性:双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。
(6)如果知道比较准确的浪涌电流IPP，那么可以利用VC来确定其功率，如果无法确定功率的大概范围，一般来说，选择功率大一些较好。在试验方案中笔者选择的是5V电源线或信号线保护电路。因此可以设定TVS管的反向击穿电压为5V，若是考虑在直流电路中，其选择的TVS管可以使单向的，但若是进行交流干扰测试，必须是双向的TVS管。综合电路考虑，必须针对反向工作电压，具体计算击穿电压以及最大箝位电压。在5V保护电路方案中设定输入电压5V，即输入端工作电压是设定为5V，得出:反向工作电压VWM=5V;击穿电压VBR=5V/0．8=6．25V;VC=1．3×6．25V=8．125V。根据这些参数，查表得，SMBJ5．0CA(双向TVS管)符合条件。在本次课题研究中，对于交流电是干扰信号，因此对于异常输入的交流电压信号应该起到抑制作用，进而保护后续电路。其中选用的热敏电阻在交流电信号进入电路中，通过热敏电阻发热形成高阻，根据分压原理，起到分压作用，结合TVS管吸收过压的能量，进而使保护电路输出端的后续电路工作电压在保护电压值以下。
25V硬件保护电路设计
考虑到弱电保护电路四个方案的类同性，这里针对图1方案进行电路设计，自恢复保险丝在过流的情况下，其温度升高，则相应的阻值呈指数形式增长。因而依据分压原理，在过压情况下，其输出端断路。从而有利于保护电路。图中V－OUT端口主要是IC的输出引脚。TVS的作用原理是当管子两端经受瞬态能量冲击时能极快地将其两端的阻抗降低，通过将能量吸收掉从而把其两端间的电压钳制在其标称值上，保护后端元件。所选用的SMBJ5．0CA箝位电压为9．2V，其工作电压为5V，符合上述TVS选择。因此可以保护后续电路或芯片避免受到雷击和浪涌的损害。接口能耐受市电或者工业电，直接接入可以保证数分钟通电不损坏。以本电路为例，以PTC+TVS管构成回路，当有大的交流电压灌入时，PTC开始发热，进而形成高阻，保证后续电路，对地的TVS能起到一定的保护作用。电路中R1，R2，C1，C2是可选的安装芯片(可以不安装)，用于提高电路的EMI性能。
3测试及调试结果
在进行弱电电路保护电路测试时，选用的是PTC热敏电阻。测试选用的TVS管是SMBJ6．5CA。在直流电路中，单向TVS管也能起到保护作用。但是在进行直流过流及过压测试时，其热敏电阻基本上不起作用，只是相当于一个阻值很小的电阻，因而导致电路中电流过大，但是PTC相当于一个限流管，因此对于超过其最大耐受电流时，其温升很快，因而其阻值变得很大，从而达到限流的目的。TVS管吸收过大的能量时，这样的情况长时间持续，即会导致TVS管的温度非常高，导致焊接TVS管的锡融化，进而导致TVS管脱落。但是在交流过压测试中，热敏电阻相当于一个指数形式变化的变阻器，因而在过压测试时，热敏电阻起到非常巨大的作用。一方面相当于大电阻，可以起到限流分压作用，另一方面当交流电压值超过热敏电阻的额定值时，热敏电阻会形成断路。从而与TVS管起到保护电路作用。
3．1试验中直流过压测试的实验
针对电路中使用SMAJ6．5CA测试，该芯片的理论箝位电压11．2V，实际测试为8．28V。
3．2试验中交流干扰测试的实验
弱电抗干扰实验是在具体的直流输出电源中引入一个干扰的交流信号。在交流干扰测试试验中，电路中的TVS管应该选用双向的TVS管，使用的仪器主要有脉冲群抗干扰发生器、直流稳压源以及万用表，试验中对于直流电压输入分3次测试，每次测试2min。直流电压输入值为2．3，3．3，5．0V，在接好抗干扰实验装置上电后，用万用表测试其输出端电压值。施加干扰源后，其输出电压是一个动态变化的范围。对于输入2．3V直流电压，在引入250V交流电压信号干扰后，其输出主要在2．18～2．31V范围内变化;输入3．3V直流电压后，在干扰源存在的条件下测试，其输出主要在2．98～3．28V范围内变化;输入5V直流电压后，在干扰源影响的条件下测试，其输出主要在4．87～5．12V范围内变化。
3．3弱电保护电路具体应用
在智能家居产品中常见有网关、可视对讲，以及显示终端等视频和音频于一体的智能设备。尤其这些设备中液晶屏部分和功放电路均为弱电控制。显示终端通过适当的扩展，可以成为小型智能家居系统的网关，提供对系统设备和情景模式的控制功能。在具体显示终端设备中，供电电压有220V和12V两种供电方式。很多设计中才有跳线来解决不同电压供电问题。在显示终端中，下层电路板为电源板，220VAC交流电压引入，12V输出，上层电路板为高频信号板和显示板，12V输入，它们之间通过接口引入工作电压。但是在实际设计中，尤其是住宅区，220VAC供电最为常见，为了避免交流信号的窜入，也为了提高系统电源的安全性，对于该弱电保护电路很有必要。
4结论
单片机于20世纪70年代问世以来，已被广泛的应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、家用电器、机电一体化设备、汽车电子等各个方面[1]。因此，单片机是应用电子技术及相关专业非常重要的一门专业课程，但单片机涉及到硬件与软件两方面的内容，课程的理论性和实践性都很强，课程具有较高的难度，对教师和学生的要求都比较高。在单片机课程的教学中，学生通常会感觉理论知识抽象，不易理解和掌握，对于实践操作无从下手，学生学习积极性不高，课程的教学效果不理想，需要对课程进行教学改革。
一、单片机教学中存在的主要问题
单片机课程涉及单片机内部结构、工作原理分析，系统电路设计和软件程序的编制，虽然在目前的教学中使用了多媒体教学，使单片机内部结构和工作原理更形象、具体，扩充了课堂的信息容量，但课程的理论性强，教师如果只是针对理论知识进行分析和讲解，而没有将其融入到具体的应用案例中，学生缺少感性认知，对理论知识的理解和应用有较大难度，学生学习的积极性不高。实践教学方面，通常的教学模式是在理论知识讲授完成后安排相应的实验课，理论与实验之间存在较大的时间间隔，实验时学生对相关的理论知识已经遗忘，需要教师将理论课内容重复讲述一遍，占用了较长的实验时间，学生实际操作的时间有限，实验方式主要是学生利用实验箱进行电路连线，通过电脑进行程序编制并下载至单片机运行，由于实验箱的电路结构相对固化，实验中硬件电路的设计主要就是学生按照原理图进行按线，缺少实际应用的训练，而且能够完成的实验项目有限，开放性差[2]。而且由于实验设备和场地的限制，往往是3～4名学生共用一套实验设备，平均每个学生动手操作的机会有限，而且个别学生还存在浑水摸鱼的现象。学生的实践应用能力差，不能独立完成简单的单片机应用系统的设计与制作。
针对上述单片机课程教学中存在的主要问题，结合高职院校学生培养目标和学生特点，对单片机课程进行项目化教学改革，以激发学生学习兴趣，切实有效地提高学生知识接受能力和实践动手能力，提高课堂教学效果。
二、单片机课程项目化教学改革
采用按项目重构课程内容，以实例组织单元教学的形式重组教学内容。项目化教学打破了传统的强调知识体系结构，以知识点为序编排教学内容的做法，用项目分解知识点，以产品制作为载体，将单片机应用系统设计所需要的基本知识和基本技能穿插在每个任务的完成过程中进行讲解，每一个任务只讲解完成本任务所需要的基本知识、基本方法和基本技能，将知识化整为零，降低课程的学习难度。同时项目化教学将理论知识融入到实践操作之中，使抽象的理论知识具体化、象形化，更易于学生理解和掌握，激发学生的学习兴趣，还可以提高学生的实践应用能力。但是在进行项目化教学改革的过程中，除了要精心设置各项目教学内容，优选与生产实际密切相关的实践操作案例，还要建立与项目内容配套的实践操作平台，否则项目化教学改革就只是空中楼阁。
三、Proteus在单片机项目化教学中的应用
Proteus软件是英国Labcenter公司推出的一款单片机开发平台，可以在没有单片机硬件的条件下，利用计算机进行虚拟仿真，实现单片机系统的软、硬件协同设计。将Proteus软件应用于单片机项目化教学改革中，教师可以在多媒体教室，不需要硬件开发环境的条件下，进行课程的项目化教学，演示项目案例的设计过程，仿真运行效果。如此，教师在课堂上可以边讲、边进行操作演示，使学生对于单片机的工作原理及系统的开发与设计过程有更深入的理解，增强学生的实践应用能力[3]。教学过程直观、生动，可以极大的激发学生学习兴趣，提高学生课堂的参与度。而且Proteus软件界面友好，操作方便，教师在课堂教学过程中可以灵活方便的对系统线路和程序进行修改与调试，扩展课程的知识、方法和技能，提高课堂教学效率。下面以数码管动态扫描显示为例，介绍Proteus软件在课堂教学中的应用。
首先进行硬件电路设计，从原件库中选取元器件，进行连线，将硬件电路设计好，如图1所示，其中P1口为段选码输出，P2口为位选码输出。
图1 动态扫描显示电路设计及仿真效果
然后根据硬件电路在Keil软件中进行程序编制，如图2所示。通过Keil软件编译生成HEX文件，加载到Proteus中进行仿真，运行效果如图1所示。
图2 程序代码
此外，还可以利用Proteus软件建立虚拟实验室，可以不受实验场地、时间和实验设备的限制，学生只要有电脑就可以随时随地进行实验操作，而且对实验项目没有限制，教师可以安排设计性和综合性实验项目，让学生在课后进行操作练习，不但可以加强学生的实践应用能力，还可以培养学生的自学能力[4]。
四、结束语
将Proteus仿真软件应用于单片机课程的项目化教学改革之中，可以使教学案例直观、形象，不但可以激发学生的学习兴趣，有效降低课程的理解难度，还可以培养学生的实践应用能力。教学实践表明，Proteus软件在单片机课程教学改革中发挥了重要作用，取得了较好的教学效果。
参考文献
[1]杨镇博，张加宏.Proteus软件在单片机教学改革中的应用[J].科技信息.2013（5）.
[2]庄乾成.基于Proteus仿真的单片机项目化教学改革[J].辽宁高职学报.2014（10）.
[3]张琳芳.基于Proteus技术的单片机教学改革研究[J].河南工程学院学报（自然科学版）.2014（6）.
[4]王京港，张翠平.基于项目驱动及Proteus仿真的单片机教学改革探索[J].中国电力教育.2013（22）.
（作者单位：浙江工贸职业技术学院）
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