家庭電路設(shè)計方案精選(九篇)
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第1篇：家庭電路設(shè)計方案范文
關(guān)鍵詞:軟核處理器; 等精度; 遙控器; FPGA/SoPC
中圖分類號:TN919-34; TP368.1文獻標(biāo)識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)19-0147-04
Design of Learning Remote-controller Based on Nios II
XIAO Wei-chu, DENG Shu-guang, ZHU Zhen-qi, TAN Shou-feng, LONG Wei
(Department of Physics and Electronics Engineering, Hunan City University, Yiyang 413002, China)
Abstract:
Making the Altera FPGA Cyclone EP1C12Q240C8 as a carrier, the embedded platform with the Nios II processor is constructed by the SoPC technology, the equal accuracy measurement carrier frequency IP core, the infrared signal demodulation IP core, the infrared coding pulse measurement IP core and the infrared transmission modulation logic circuit are designed using the Verilog HDL to realize the accurate measurement of the carrier, the infrared signal demodulation, the pulse measurement and the modulation function. The peripheral hardware circuit and the software design scheme are given. The test result shows that it solves the problem of measuring the carrier frequency and realizes the pressing code learning for any common remote-controller, which achieves the learning function of the learning remote-controller.
Keywords: soft-core processor; equal accuracy; remote controller;FPGA/SoPC
0 引 言
紅外遙控器在家電產(chǎn)品中被廣泛應(yīng)用,但各產(chǎn)品的遙控器采用了不同的頻率或編碼方式,導(dǎo)致這些遙控器不能相互通用,這給人們的生活帶來了諸多不便。針對這個問題,很多廠家設(shè)計和生產(chǎn)了一種稱為萬能遙控器的紅外信號遙控裝置,這類遙控器大多數(shù)采用復(fù)制遙控器紅外波形達(dá)到學(xué)習(xí)目的,其方法簡單,實現(xiàn)起來較方便,通過對不同普通遙控器發(fā)出的紅外線編碼進行學(xué)習(xí)和存儲,可以對多個家用電器進行遙控,從而可以減少家庭中遙控器的數(shù)目。但是,這類遙控器通常采用專用ASIC或單片機來實現(xiàn),并且只能接收單一載波的紅外信號編碼,導(dǎo)致實際使用時有諸多局限,主要體現(xiàn)在:如果家用電器遙控裝置的載波頻率不同,萬能遙控器將無能為力;不同的家用電器使用單一的遙控器界面,容易產(chǎn)生混淆和誤操作;受存儲空間的限制,能夠支持的遙控器數(shù)目有限[1-5]。
因此,本文設(shè)計了一種基于Nios Ⅱ 的紅外學(xué)習(xí)型遙控器,把載波頻率測量、紅外信號解調(diào)、脈寬測量、調(diào)制發(fā)送IP核集中到FPGA器件上,極大地簡化硬件電路,利用了Nios軟核CPU的32位處理器,可以很好地對脈寬進行精確測量,同時提高處理速度,能夠精確地對載波頻率進行測量,并將原始的紅外信號進行最大程度上無失真還原,解決了單片機因時鐘頻率低無法對載波頻率進行測量的瓶頸,實現(xiàn)了對各種各樣紅外遙控的學(xué)習(xí),真正完成了學(xué)習(xí)型遙控器的學(xué)習(xí)功能。
1 整體設(shè)計方案
系統(tǒng)主要由Nios Ⅱ處理器、Avalon總線、EPCS控制器、SDRAM控制器、FLASH控制器、 輸入輸出I/O口、等精度測量載波頻率IP核、紅外信號解調(diào)IP核、紅外編碼脈寬測量IP核、紅外發(fā)送調(diào)制邏輯電路、中斷控制器等組成,如圖1所示。上電后,系統(tǒng)通過EPCS調(diào)用系統(tǒng)配置信息,系統(tǒng)進行初始化。當(dāng)“學(xué)習(xí)”鍵按下時,通過I/O口中斷產(chǎn)生一個測量紅外載波頻率請求信號,此時“學(xué)習(xí)”指示燈亮。當(dāng)檢測到外部遙控紅外信號時,處理器通過Avalon總線調(diào)用等精度測量載波頻率IP核開始測量頻率,“學(xué)習(xí)”指示燈熄滅表示學(xué)習(xí)載波頻率成功。接下來通過“家電”按鍵即可將該載波頻率儲存到該家電紅外編碼FLASH載波頻率存儲區(qū)域。對應(yīng)的“家電”指示燈亮,表示可以進入該家電紅外遙控信號學(xué)習(xí)或發(fā)送階段。學(xué)習(xí)時,只需將家電遙控器發(fā)送窗對準(zhǔn)學(xué)習(xí)型遙控器的接收窗,發(fā)送紅外遙控信號。此時Nios軟核處理器會通過Avalon總線調(diào)用紅外信號解調(diào)IP核和紅外編碼脈寬測量IP核,完成紅外信號的解調(diào)和一幀完整編碼脈寬高低電平時間測量(此過程中處理的所有數(shù)據(jù)存儲在SDRAM中)。當(dāng)“學(xué)習(xí)”燈再次亮起,表示該信號已得到確認(rèn)。按下學(xué)習(xí)型遙控器的任一功能鍵,即可將該信號送到指定的該家電按鍵FLASH存儲區(qū)域;發(fā)送時,先選擇“家電”選擇鍵(即選定了載波頻率),然后按下“功能鍵”時,Nios Ⅱ處理器會自動調(diào)用FLASH存儲數(shù)據(jù),通過紅外發(fā)送邏輯電路調(diào)制到載波上,完成紅外信號還原。
2 硬件電路設(shè)計
第2篇：家庭電路設(shè)計方案范文
1 課題背景
由于通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化也正是在這種形勢下應(yīng)運而生的。智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括通信、設(shè)備自動控制、安全防范三個方面。
2 系統(tǒng)總體方案
總體方案的設(shè)計主要是根據(jù)被控對象的任務(wù)及工藝要求而確定的。設(shè)計方法大致如下：根據(jù)系統(tǒng)的要求，首先確定出系統(tǒng)類型。選擇檢測元件，在確定總體方案時，必須首先選擇好被測參數(shù)的測量元件，它是影響控制系統(tǒng)精度的重要因素之一。選擇執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)是微控制系統(tǒng)的重要組成部件之一。
本系統(tǒng)特點是體積小，成本低，功能強，功耗低，是微機應(yīng)用產(chǎn)品化的最佳幾種之一，它已廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品智能化和工業(yè)自動化上。而把單片機面向工控領(lǐng)域?qū)ο螅度氲焦た貞?yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計算機稱之為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。
3 硬件電路設(shè)計
S3C2440A是韓國三星公司推出的16/32位RISC微控制器，其CPU采用的是ARM920T內(nèi)核。
特點：具有PLL時鐘發(fā)生器，主頻最高可達(dá)533M。內(nèi)核1.2V供電最高400M，1.3V供電最高533M。存儲器支持1.8V、 2.5V、3.0V、3.3V。I/O均支持3.3V供電。s3c2440為單機器周期執(zhí)行指令集。具有電源管理功能，可以使系統(tǒng)以普通方式、慢速方式、空閑方式和掉電方式工作，降低產(chǎn)品功耗。
GPRS模組介紹，GPRS模組采用SIM300通訊芯片(如圖 3.3)，利用無線移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)語音傳輸和點對點數(shù)據(jù)傳輸。同時，模組內(nèi)具備TCP/IP協(xié)議棧，可以直接利用它實現(xiàn)無線上網(wǎng)。模組使用標(biāo)準(zhǔn)的UART串行通信接口(如圖3.4)與主芯片進行通信，可以與任何帶有通用UART串行通信接口的控制器進行連接。
GPRS模組使用標(biāo)準(zhǔn)串口與主控制器進行通訊。模組帶有一個10針的接口，該接口可以直接和MCU相連接?；蛘哂脩艨梢酝ㄟ^模組上的RS232接口和PC機直接相連接使用。
GPRS模組需通過J4的電源開關(guān)信號(PWRKEY)輸入引腳向GPRS模組輸入，上電時序GPRS才能被啟動，啟動后GPRS的信號指示燈會閃爍。也可以手動按下GPRS模組上的ON/OFF按鍵，大約2秒之后松開，GPRS模組亦可以被啟動。
GPRS模組啟動之后，即可通過UART接口發(fā)送AT指令來控制語音或數(shù)據(jù)收發(fā)。
電源電路設(shè)計，由于本控制系統(tǒng)單元電路較多對且對5V 電源的要求比較高，其中TC35 模塊的突發(fā)耗電電流峰值可達(dá)2.5A，故外加的穩(wěn)壓器件必須達(dá)到足以提供TC35 和其他電路額定電流的條件。在本系統(tǒng)中，采用了芯片s3c2440 完成從12V 到5V 的轉(zhuǎn)換，必須特別注意的是， s3c2440芯片完成開關(guān)電源轉(zhuǎn)換需要大功率的電感(100uH)和電容，以提高儲能的能力，達(dá)到單元電路的耗電需求。s3c2440為5.0V3A 開關(guān)電源穩(wěn)壓器。
4 軟件linux操作系統(tǒng)介紹
Linux是 Unix 的一種，它控制整個系統(tǒng)基本服務(wù)的核心程序 (kernel) 是由 Linus 帶頭開發(fā)出來的，“Linux”這個名稱便是以“Linus's unix”來命名，Linus 選擇用“大眾公有版權(quán)” (GPL)的方式來發(fā)行這份程序，這個版權(quán)允許任何人以任何形式復(fù)制與散布 Linux 的原始程序，換句話說，Linux 實際上是“免費的”，使用者在網(wǎng)絡(luò)上就可以抓到 Linux 的原始程序代碼，隨心所欲的復(fù)制與更改 Linux 的原始程序，在因特網(wǎng)的日漸盛行以及 Linux 開放自由的版權(quán)之下，吸引了無數(shù)計算機高手投入開發(fā)、改善 Linux 的核心程序，使得 Linux 的功能日見強大，所以今日我們可以在網(wǎng)絡(luò)上免費下載 Linux 使用，或者花很少的一點費用就可以取得 Linux 光盤，這都是因為 Linux 是 GPL 版權(quán)的緣故。
Boa服務(wù)器和普通Web 服務(wù)器一樣， 能夠完成接收客戶端請求、分析請求、響應(yīng)請求、向客戶端返回請求結(jié)果等任務(wù)。
Boa服務(wù)器根據(jù)請求方法的不同， 做出不同的響應(yīng). 如果請求方法為HEAD， 則直接向瀏覽器返回響應(yīng)首部; 如果請求方法為GET， 則在返回響應(yīng)首部的同時， 將客戶端請求的URL 目標(biāo)文件從服務(wù)器上讀出， 并且發(fā)送給客戶端瀏覽器; 如果請求方法為POST， 則將客戶發(fā)送過來的表單信息傳送給相應(yīng)的CGI 程序， 作為CGI 的參數(shù)來執(zhí)行CGI 程序， 并將執(zhí)行結(jié)果發(fā)送給客戶端瀏覽器。 Boa 的功能實現(xiàn)也是通過建立連接、綁定端口、進行偵聽、請求處理等來實現(xiàn)的。
CGI是： “公共網(wǎng)關(guān)接口”(Common Gateway Interface)的簡稱，是HTTP服務(wù)器與其它程序進行“交談”的一種工具，其程序須運行在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。
CGI是一段程序，它運行在Server上，提供同客戶端 Html頁面的接口。
CGI的功能：
(1)通常情況下CGI程序被用來解釋處理來自表單的輸入信息，在服務(wù)器產(chǎn)生相應(yīng)的處理，并將相應(yīng)的信息反饋給瀏覽器。
(2)CGI程序使網(wǎng)頁具有交互功能。
CGI處理步驟：
通過Internet把用戶請求送到服務(wù)器。服務(wù)器接收用戶請求并交給CGI程序處理。CGI程序把處理結(jié)果傳送給服務(wù)器。服務(wù)器把結(jié)果送回到用戶。
CGI可以用任何一種語言編寫，只要這種語言具有標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出和環(huán)境變量。
5 結(jié)論
本控制詳細(xì)地闡述了遠(yuǎn)程控制原理、短消息發(fā)送的實現(xiàn)方法、以及相關(guān)電路的設(shè)計原理，設(shè)計中充分利用了系統(tǒng)的硬件和軟件資源，實現(xiàn)了各個模塊的協(xié)調(diào)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和通用性。經(jīng)過設(shè)計方案論證，設(shè)計了相應(yīng)的硬件電路和系統(tǒng)軟件，進行了單機調(diào)試和與PC 機聯(lián)機調(diào)試，結(jié)果表明，所設(shè)計的電路和軟件能完成基本的測試功能。
第3篇：家庭電路設(shè)計方案范文
【關(guān)鍵詞】Zigbee；智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)
1.系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本智能家居系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：Zigbee無線家庭內(nèi)網(wǎng)、嵌入式智能網(wǎng)關(guān)和外網(wǎng)。整個家庭無線網(wǎng)絡(luò)就是一個由若干個Zigbee終端節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點組成的無線局域網(wǎng)。根據(jù)應(yīng)用功能不同，Zigbee節(jié)點可分為三類：安防節(jié)點、控制節(jié)點、采集節(jié)點。家庭智能網(wǎng)關(guān)接收用戶從遠(yuǎn)程通過GSM或Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的查詢或控制信息，經(jīng)過處理將其轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)信息中地址信息把指令信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee終端節(jié)點，實現(xiàn)對家庭內(nèi)的電氣設(shè)備或傳感器信息的監(jiān)測和控制。當(dāng)然，智能家居控制器可根據(jù)傳感器采集到的環(huán)境信息，對家中的電器和照明裝置進行智能化的控制。通過智能網(wǎng)關(guān)的語音識別模塊，用戶也可在本地對電氣設(shè)備進行語音開關(guān)控制。圖1.1為智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)圖。本文重點對基于Zigbee的無線家庭網(wǎng)絡(luò)部分做出深入的研究及設(shè)計實現(xiàn)。
2.系統(tǒng)硬件設(shè)計
本無線家庭網(wǎng)絡(luò)采用星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，由協(xié)調(diào)節(jié)點和終端節(jié)點組成。
2.1 終端節(jié)點硬件設(shè)計
根據(jù)應(yīng)用和功能的不同，終端節(jié)點可分為采集節(jié)點、安防節(jié)點和控制節(jié)點[1]。采集節(jié)點主要用來檢測家庭環(huán)境數(shù)據(jù)以及發(fā)送RF數(shù)據(jù)，它不接收協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送的控制命令，但接收查詢命令。例如溫濕度檢測、光照檢測、煙霧檢測等。安防節(jié)點主要對家庭中具有安全隱患的數(shù)據(jù)進行采集，例如紅外線入侵檢測等，該節(jié)點不接收協(xié)調(diào)節(jié)點發(fā)送的控制/查詢指令，以門限觸發(fā)的方式發(fā)送報警信息。控制節(jié)點主要通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)家電的控制，主要是接收協(xié)調(diào)節(jié)點的控制命令，返回查詢命令的反饋值以及執(zhí)行控制命令的狀態(tài)值。主要包括：窗簾控制、照明燈控制以及萬能遙控器控制等。
系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個Zigbee終端節(jié)點均包括Zigbee模塊和控制接口部分。Zigbee模塊主要負(fù)責(zé)Zigbee信號的無線收發(fā)，實現(xiàn)基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)與Zigbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)通信。不同類型終端節(jié)點的Zigbee模塊電路相同，而不同類型終端節(jié)點的接口電路卻略有區(qū)別。模塊通過引出通用接口，來支持智能終端功能的設(shè)計。通用接口主要包括JP1、JP2、JP3、JP4四個通用接口，其中的JP1、JP2口連接CC2430芯片，而JP3、JP4口連接傳感器以及家電設(shè)備，因此需要設(shè)計JP3、JP4與家電設(shè)備之間的信息傳輸硬件電路。
（1）安防節(jié)點部分接口電路設(shè)計
當(dāng)有人在防區(qū)內(nèi)走動時，就會造成紅外熱輻射能量的變化。PIR傳感器將感應(yīng)活動人體與背景物體之間輻射能量變化并轉(zhuǎn)換其為電信號。由外殼和菲涅耳透鏡、PIR紅外傳感器、專用IC（WT8072）等電路組成熱釋電紅外線感應(yīng)器。原理圖如下所示：當(dāng)有人非法入侵時，WT8702的10腳（TRLAC）輸出高電平，此電平信號接到JP3的P0.1腳。電路如圖2.1所示。
（2）控制節(jié)點部分接口電路設(shè)計
為實現(xiàn)電動窗簾控制功能，系統(tǒng)選擇L6203作為電機的功率驅(qū)動芯片，其中的IN1、IN2、ENABLE口與JP3的P0.0、P0.1、P0.4口連接，并選擇B1電機作為控制節(jié)點的執(zhí)行器，執(zhí)行接收到的控制命令。電路圖如圖2.2所示。
（3）采集節(jié)點部分接口電路設(shè)計
與控制節(jié)點不同的是，傳感器節(jié)點不需要添加中間電路，只需要將其I/O口與JP3連接即可，設(shè)計中采用SS-168型聯(lián)網(wǎng)型煙霧報警器，煙霧傳感器節(jié)點電路如圖2.4所示。
2.2 協(xié)調(diào)節(jié)點設(shè)計
本設(shè)計針對智能家居系統(tǒng)硬件應(yīng)該具有易開發(fā)、低功耗、低成本的特點，協(xié)調(diào)節(jié)點和終端節(jié)點均采用CC2430射頻芯片作為Zigbee芯片，CC2430是無線SOC（System On Chip）設(shè)計，系統(tǒng)所需的一般電路都已集成在芯片內(nèi)部，只需簡單電路就能實現(xiàn)信號收發(fā)功能[2]。
協(xié)調(diào)節(jié)點是智能家居無線家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)建立和維護網(wǎng)絡(luò)，并通過串口向智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送終端節(jié)點上傳來的數(shù)據(jù)信息，同時將控制中心傳達(dá)的命令發(fā)送到相應(yīng)的終端節(jié)點，具體結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。與終端節(jié)點的不同之處在于協(xié)調(diào)節(jié)點不包含家電控制模塊和信號采集模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點在硬件平臺上擴展了RS232串口，用于和家庭智能網(wǎng)關(guān)相連。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 Zigbee家庭網(wǎng)絡(luò)配置
協(xié)調(diào)節(jié)點和終端節(jié)點通信的前提條件就是協(xié)調(diào)節(jié)點在空閑信道建立新的網(wǎng)絡(luò)。因此在協(xié)調(diào)節(jié)點中需寫入基于zigbee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)配置程序。協(xié)調(diào)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)建立和配置過程如圖3.1所示。節(jié)點上電后進行系統(tǒng)初始化，協(xié)調(diào)節(jié)點通過掃描空閑信道嘗試建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。射頻單元從當(dāng)前頻帶的第一個信道開始檢查該信道是否為空閑信道，若有另一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)處于該信道，協(xié)調(diào)節(jié)點將收到其反饋數(shù)據(jù)，并認(rèn)為此信道已被占用，然后它會切換到下一個信道并重復(fù)該過程直到?jīng)]有接收到任何反饋數(shù)據(jù)為止。一旦找到某個信道為空，它開始監(jiān)聽該信道并建立了網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)節(jié)點完成建網(wǎng)后，便開始監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)請求并隨時響應(yīng)終端節(jié)點的入網(wǎng)請求[3]。
當(dāng)收到終端節(jié)點的入網(wǎng)請求信號時，則發(fā)送信號來響應(yīng)該節(jié)點的入網(wǎng)請求，同時更新地址鄰接表。
3.2 終端節(jié)點入網(wǎng)設(shè)計
終端節(jié)點在程序下載時，就已經(jīng)確定其網(wǎng)絡(luò)組號以及節(jié)點序列號。因此，終端節(jié)點上電系統(tǒng)初始化之后，它會根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)組號需找該網(wǎng)絡(luò)組所在的信道，一旦確定網(wǎng)絡(luò)組所存在的信道后，發(fā)送入網(wǎng)請求并等待協(xié)調(diào)節(jié)點的入網(wǎng)響應(yīng)信號，若在等待時間段內(nèi)沒有收到協(xié)調(diào)節(jié)點的入網(wǎng)響應(yīng)信號，該節(jié)點將會重復(fù)上述入網(wǎng)過程，一直到接收到協(xié)調(diào)節(jié)點的入網(wǎng)響應(yīng)信號為止。由于協(xié)調(diào)節(jié)點在接收終端節(jié)點入網(wǎng)時，會更新地址鄰接表，因此，終端節(jié)點發(fā)送的入網(wǎng)請求的數(shù)據(jù)幀應(yīng)該包含其網(wǎng)絡(luò)組號以及序列號[4]。終端節(jié)點入網(wǎng)流程如圖3.2所示。
3.3 終端節(jié)點軟件流程設(shè)計
可以把家庭網(wǎng)絡(luò)中的所有終端節(jié)點功能分為網(wǎng)絡(luò)通信功能和設(shè)備操作功能兩部分。協(xié)調(diào)節(jié)點的主要功能是網(wǎng)絡(luò)通信和路由，相對于協(xié)調(diào)節(jié)點，終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信功能更簡單。本系統(tǒng)中，采集節(jié)點需定時采集家庭環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點，且同時它要監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中有沒有發(fā)給它的查詢信息，并接收處理。采集節(jié)點工作流程圖如圖3.3所示。
控制節(jié)點需接收控制命令來控制家電設(shè)備的工作狀態(tài)，它的主要通信功能是RF消息接收功能。要使終端節(jié)點能夠完成其功能，就必須在網(wǎng)絡(luò)通信功能與設(shè)備操作功能之間建立連接，即需要在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)通信功能之間建立接口。在程序中，通過定義相關(guān)的應(yīng)用協(xié)議來實現(xiàn)。而安防節(jié)點，其設(shè)備操作相對簡單，只需定時采集家庭環(huán)境中的安防數(shù)據(jù)即可?？刂乒?jié)點接收到不同的代碼代表對該電氣設(shè)備的不同操作，并將這些操作轉(zhuǎn)換成電氣設(shè)備能識別的命令，通過中間電路發(fā)送到家電設(shè)備。安防節(jié)點和控制節(jié)點工作流程圖如圖3.4所示。
4.結(jié)語
針對當(dāng)前智能家居系統(tǒng)建設(shè)對于用戶側(cè)通信的需求，本文提出了基于ZigBee技術(shù)的家庭無線內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)方案，該方案可使智能家居系統(tǒng)獲得可靠的本地通信，對于智能家居系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展具有重要意義。
參考文獻
[1]吳卻，廖力清.一種基于Zigbee的智能家居無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2010，15 （4）：439-441.
[2]鐘雄林.基于ARM9的無線智能家居控制系統(tǒng)[J].信息科技，2010（9）：231-232.
[3]楊浩杰，韓秀玲.一種智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].微型電腦應(yīng)用，2011，27（2）：49-51.
第4篇：家庭電路設(shè)計方案范文
關(guān)鍵詞：單片機；DS18B20；固態(tài)繼電器；溫度控制
中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）10-0024-02
在漫長的冬季，特別是北方地區(qū)，如果室內(nèi)暖氣不理想的話，居室內(nèi)溫度會很低，這將在很大程度上影響到住戶的正常生活與身體健康。這時，住戶往往會使用一些諸如電暖器等用電設(shè)備來為家庭取暖。然而，目前市場上的電暖器往往只能完成加熱這個簡單的功能，特別是電暖器如果在使用者夜間休息時使用的話，很可能一整夜都在加熱工作，這樣不僅不安全，而且還造成了電能的浪費。如果有一種電暖器能夠智能地完成加熱工作的話（即當(dāng)室內(nèi)溫度值低于一個最低正常值時，電暖器就自動加熱；當(dāng)室內(nèi)溫度值高于一個最高正常值時，電暖器就自動停止加熱），將給使用者的生活帶來很大方便與實惠?；诖四康?，本文設(shè)計了一款溫度控制器。系統(tǒng)的核心控制器使用AT89S52單片機，采用數(shù)字傳感器DS18B20構(gòu)成測溫單元，并用數(shù)碼管作為溫度顯示器，通過單片機的輸出量控制固態(tài)繼電器交流引腳的導(dǎo)通與斷開，從而控制加熱裝置是否對室內(nèi)進行加熱操作，以達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的目的。
一、總體設(shè)計方案
該系統(tǒng)使用AT89S52單片機作為核心控制器，系統(tǒng)輸入端包含電源模塊和溫度采集模塊，系統(tǒng)輸出端包含溫度顯示模塊和溫度控制模塊。
二、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
系統(tǒng)硬件電路由單片機最小系統(tǒng)單元、電源單元、溫度采集單元、溫度顯示單元和溫度控制單元構(gòu)成，其總體電路圖如圖2所示。
（一）單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計
單片機的18引腳和19引腳接時鐘電路，XTAL1腳是振蕩器倒相放大器的輸入，接電容和外部晶振的一端，XTAL2是振蕩器倒相放大器的輸出，接電容和外部晶振的另一端。9引腳為復(fù)位輸入端，接上電容，電阻能夠形成上電復(fù)位電路。31腳接高電平，選用片內(nèi)程序存儲器；20引腳為接地，40引腳為電源。電源電路采用橋式全波整流電路與7805穩(wěn)壓模塊，向系統(tǒng)提供5V 工作電源。
（二）溫度采集單元電路設(shè)計
溫度采集單元使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該傳感器可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行信號供單片機處理。DS18B20的引腳1接地，引腳2接單片機的P3.6引腳，電源+5V和引腳2之間接一個4.7k上拉電阻。
（三）溫度顯示單元電路設(shè)計
溫度顯示電路主要由2個4位共陽極LED數(shù)碼管實現(xiàn)（設(shè)計時只使用其中的5位），可以顯示出室內(nèi)當(dāng)前的溫度值（可以精確到小數(shù)點后一位）。數(shù)碼管的8位引腳通過74LS245與單片機P0口的8個引腳相連，其中74LS245的19引腳接地，1引腳接+5V高電平，保證數(shù)據(jù)傳輸方向是由A口向B口傳輸。數(shù)碼管共陽極引腳通過8550三極管與單片機的P2口相連接。三極管作用是提高負(fù)載的驅(qū)動能力，以便數(shù)碼管實現(xiàn)動態(tài)顯示。
（四）溫度控制單元電路設(shè)計
溫度控制電路主要通過固態(tài)繼電器實現(xiàn)，固態(tài)繼電器的1、2引腳分別接電源+5V和單片機P1.2引腳，3、4引腳分別接三相插座與220V交流電源。當(dāng)單片機的P1.2引腳為低電平時，固體繼電器的1、2引腳導(dǎo)通，線圈得電，3、4引腳也導(dǎo)通，使三相插座得到220V的電壓；當(dāng)P1.2引腳為高電平時，固體繼電器的1、2引腳與3、4引腳均斷開，從而使插座失去220V電壓。
三、系統(tǒng)軟件設(shè)計
主程序首先對DS18B20進行初始化，然后DS18B20開始采集室內(nèi)的溫度值，隨即完成采集到溫度值的轉(zhuǎn)換和傳輸。兩個四位數(shù)碼管實時顯示數(shù)字溫度計采集到的溫度值，并與系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)定的溫度值進行比較，當(dāng)溫度值大于設(shè)定值時，程序返回繼續(xù)采集溫度；當(dāng)溫度值小于設(shè)定值時，單片機的控制端輸出低電平，固態(tài)繼電器交流側(cè)導(dǎo)通，加熱裝置開始對室內(nèi)進行加熱。當(dāng)檢測到的溫度值大于設(shè)定值時，單片機控制端輸出高電平，固態(tài)繼電器交流側(cè)斷開，加熱裝置停止加熱。系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。
四、結(jié)語
本文采用單片機AT89S52為控制核心，用DS18B20作為溫度傳感器，用2個8位數(shù)碼管作為顯示器，構(gòu)成溫度控制控制器。通過軟件的編譯與調(diào)試，加熱裝置接到本控制器時運行非常穩(wěn)定，用在實際生活中，取得令人滿意的效果。
參考文獻
[1]王守中．51單片機開發(fā)入門與典型實例[M]．北京：人民郵電出版社，2007.
[2]張毅剛，彭喜元．單片機原理與應(yīng)用設(shè)計[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008.
[3]顏世凡．基于單片機的溫度遠(yuǎn)程顯示系統(tǒng)設(shè)計[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010，（17）．
第5篇：家庭電路設(shè)計方案范文
關(guān)鍵詞： GSM；煤氣泄漏；傳感器；報警；智能處理
The design of gas concentration detector based on GSM
MA Zhongheng， LI Houjie， LUO Jingchao
（ College of Information & Communication Engineering， Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116600，China）
Abstract： The widespread use of the gas brings human beings lots of convenience， which not only improves the quality and efficiency of life， but also reduces the environment pollution. However， gas has a certain risk， once the different degree of leakage occurred， if not handled in time，it may cause a toxication ， even an explosion， threating the safety of people and property. Due to the security risks caused by gas leakage， it has been a problem how to realize the unified intelligent control and early warning of the leakage. In this paper， the design of a new type of gas concentration detector，which is based on GSM as the communication module， and takes STC89C52 Microcontroller as the main controlling chip. With the use of MQ-2 gas sensor and ADC0809 chip ，the detecter can collect the information of gas leakage. The detector realizes the identification and intelligent control of gas concentration and it can send alarm， so it’s more convenient and valuable for the users to communicate with intelligent equipment .
Keywords： GSM； gas leakage； sensor；alarm； intelligent processing
0 引 言
近年來，液化氣、燃?xì)獾瓤扇夹詺怏w在家庭中的使用需求正日漸攀升，但是這些氣體易燃、易爆，使得隱患事故頻見報導(dǎo)。一旦氣體泄漏時不能做到及時發(fā)現(xiàn)與處理，就會給家庭甚至鄰居帶來災(zāi)害，甚至將威脅到廣大群眾的人身與財產(chǎn)安全。針對煤氣泄漏而形成的各類的各種安全隱患，家用煤管道氣體泄漏報警器即已成為應(yīng)對煤氣泄漏的重要手段。當(dāng)前，GSM 是應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。全球已有超過200個國家和地區(qū)的10余億人正在使用GSM電話。所有用戶可以在簽署了"漫游協(xié)定"移動電話運營商之間自由無礙地實現(xiàn)漫游。將前述二者加以結(jié)合則可看出，基于GSM的煤氣濃度檢測器正在日常生活中發(fā)揮著舉足輕重的關(guān)鍵作用，因而已然成為時下具有高度需求和發(fā)展價值的研究方向。本文即圍繞這一內(nèi)容給出系統(tǒng)論述和設(shè)計方案。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
控制設(shè)備的主要原理通過MQ-2氣體傳感器檢測可燃?xì)怏w，輸出模擬電壓值，模擬信號再通過ADC0809芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，STC89C52單片機將作為主控單元讀取數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。當(dāng)煤氣濃度超限時，發(fā)出聲光報警信號，系統(tǒng)就會自動關(guān)閉煤氣閥門，打開排氣風(fēng)扇，再通過GSM短信模塊發(fā)送報警短信給手機用戶。本方案能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、智能診斷以及遠(yuǎn)程管理功能，提供一個開放的基礎(chǔ)構(gòu)架，并具有高可靠性、分散控制、集中監(jiān)視和集約管理的優(yōu)良特性。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
單片機煤氣濃度檢測器系統(tǒng)的硬件主要有7部分，即單片機主控模塊、氣體濃度檢測模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報警模塊、GSM短信報警模塊、按鍵模塊、繼電器電路。硬件電路設(shè)計可如圖1所示。
2.1單片機微控系統(tǒng)電路
對于煤氣濃度檢測器，為了獲得良好操作實踐、且完備呈現(xiàn)其使用效果，此次設(shè)計選用STC89C52單片機作為控制芯片。最小系統(tǒng)將STC89C52芯片定制為整個電路的中央控制器，內(nèi)部有4KB閃爍存儲器，復(fù)位電路用，晶振電路。微處理器構(gòu)成了最小應(yīng)用系統(tǒng)后，只需將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路，便可以進入正常工作。該系統(tǒng)與其他最小系統(tǒng)相比，省去了外擴程序存儲器的設(shè)計工作。單片機微控制電路如圖2所示。
2.2氣體檢測電路
氣體檢測電路分為2個部分。主要部分是氣體傳感器，可將檢測到的氣體而產(chǎn)生的電壓信號傳送給ADC0809，再通過ADC0809內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供送至單片機用于判定識別，單片機將依據(jù)讀取的相應(yīng)數(shù)值控制調(diào)整電路工作狀態(tài)。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的升降變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對丙烷、煙霧的靈敏度頗高，對天然氣和其它可燃蒸氣的檢測也堪稱理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多累場合優(yōu)質(zhì)應(yīng)用的低成本傳感器。具體到研發(fā)設(shè)計中，首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿則啟動 A/D轉(zhuǎn)換，此后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖剑甘続/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。本文設(shè)計實現(xiàn)的采集電路的總體原理如圖3所示。
2.3 GSM模塊電路
本次設(shè)計采用了sim900A芯片作為開發(fā)芯片，模塊主要由GSM基帶、存儲器、GSM射頻、天線接口、其他接口共同構(gòu)建組成。GSM是全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile communications） 的簡稱，同時也是當(dāng)前流行廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計時，對其空中接口采用了時分多址技術(shù)。同原初GSM相比，現(xiàn)有GSM的信令和語音信道均已實現(xiàn)了數(shù)字化。因此GSM將可視作為第二代（2G）移動電話系統(tǒng)。模塊接入微控制器、并插上SIM卡即能和普通手機用戶通信。
3 智能報警設(shè)備
智能報警設(shè)備由紅色發(fā)光二極管、蜂鳴器、GSM短信模塊提供功能組成。LED紅色發(fā)光二級管是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，并具備使用壽命長，光電轉(zhuǎn)換效能高、而且節(jié)能等長足優(yōu)點。該系統(tǒng)選取紅色燈指示作為報警信號，當(dāng)紅燈閃爍時，說明煤氣濃度已超過安全值。采用四位共陽數(shù)碼管顯示煤氣濃度數(shù)值。信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再由單片機處理，并將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，提示人們需及時做出判斷。LED紅色二極管可用于視覺上的警示，而蜂鳴器則用于聲音上的報警，GSM短信重點用于當(dāng)無人在家的情況下來發(fā)出預(yù)警。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 主程序設(shè)計流程
本文設(shè)計的GSM煤氣濃度檢測器是以STC89C52 單片機為控制核心、并由MQ-2 型傳感器來檢測氣體濃度。傳感器將檢測到的氣體濃度電壓信號經(jīng)A/D 單元轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換可得的數(shù)字信號就送入STC89C 52 單片機內(nèi)，由其對氣體濃度信號執(zhí)行比較處理并顯示在數(shù)碼管上，由此即可判斷氣體濃度值是否大于報警規(guī)定值。當(dāng)氣體濃度處于正常數(shù)值范圍內(nèi)，聲光報警系統(tǒng)不會發(fā)出警報；但當(dāng)氣體濃度大于設(shè)定值時，報警系統(tǒng)則發(fā)出警報聲并啟動紅燈閃爍。然后繼電器關(guān)閉煤氣電磁閥，啟動排氣風(fēng)扇，把有害氣體排出室內(nèi)。同時，GSM短信模塊自動給用戶發(fā)送提醒短信。本系統(tǒng)所有程序均采用C 語言來實現(xiàn)編寫調(diào)制，設(shè)計的主程序流程如圖5 所示。
4.2 程序調(diào)試
本程序使用Keil 軟件對程序進行設(shè)計并組織調(diào)試。Keil C51 軟件為美國Keil Software 公司的研發(fā)產(chǎn)品，是51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，其在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上具有明顯的優(yōu)勢。
5結(jié)束語
綜合考慮設(shè)計要求、使用環(huán)境、加工成本等因素，所以選用MQ-2型氣體傳感器。MQ-2型氣體傳感器主要對以氫氣為主的城市煤氣、天然氣及液化石油氣具有良好的敏感特性，并且同時表現(xiàn)出響應(yīng)回復(fù)快，工作穩(wěn)定、時間長等明確優(yōu)點。在系統(tǒng)單片機控制電路設(shè)計中，采用STC89C52單片機作為核心芯片，可以充分利用其高速數(shù)據(jù)處理能力，并實現(xiàn)了系統(tǒng)儀器簡單化和智能化，使儀器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、體積小巧，成本低廉等穩(wěn)定特點。氣體報警能實時進行氣體濃度檢測工作，當(dāng)氣體的濃度大于設(shè)定的濃度時，發(fā)光報警。然而對于該系統(tǒng)，仍然存在不足之處。如：室內(nèi)煤氣發(fā)生泄露，氣體不能及時排出；室內(nèi)沒有反饋系統(tǒng)，不能實現(xiàn)自動關(guān)斷危險氣源。所以，增加智能排氣扇功能，以便在發(fā)生警報時將有害氣體盡短時間排出。此外，還增加了互聯(lián)網(wǎng)功能，當(dāng)報警器報警時，主機會給用戶手機發(fā)送消息，提醒用戶發(fā)生煤氣泄露。為智能家居的理想規(guī)劃實踐奠定了基礎(chǔ)，具有一定的現(xiàn)實推廣價值。
收稿日期：
參考文獻
[1] 劉巖川. MCS-51系列單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.
[2] 韓桂英，李錫祚.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.
[3] 李朝青. 單片原理及接口技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.
[4] 張建明. 傳感器與檢測技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.
[5] 張保衛(wèi)，趙金水，尚家峰.燃?xì)鈭缶鞯姆诸惻c選擇[J]. 山東消防，2003（8）：27.
第6篇：家庭電路設(shè)計方案范文
系統(tǒng)慧體設(shè)計
根據(jù)低壓電力線載波通信的系統(tǒng)原理，給出了整個系統(tǒng)的總體設(shè)計，如圖1所示。本電力線載波通信節(jié)點模塊主要包括以下幾部分：微控制器部分、信號處理部分、電源電路部分和電力線接口部分。硬件設(shè)計
1 微控制器的選擇
微控制器是系統(tǒng)的控制核心，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)中任務(wù)的協(xié)調(diào)與調(diào)度。為克服電力線上存在信號衰減大、時變性大，噪聲影響等諸多不利因素，需采用一些糾錯能力強的編譯碼方案，但這可能加大算法的復(fù)雜程度導(dǎo)致運算速度降低。綜合考慮成本和運算能力之后，微處理器選用了高性能、低功耗的8位AVR系列的微控制器ATmega88V，它的具體參數(shù)及特點詳見產(chǎn)品手冊。
2 調(diào)制解調(diào)芯片的選擇
信號調(diào)制與解調(diào)以及對信號的自適應(yīng)平衡放大、濾波及與微控制器的通信等功能由電力線載波芯片完成。電力線接口則起到耦合、隔離、濾波與保護的功能。
由此，我們選用ST7538載波芯片作為信號調(diào)制解調(diào)芯片。ST7538載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計的半雙工、同步／異步、FSK調(diào)制解調(diào)器芯片，具有功能強大、集成度高，抗干擾技術(shù)多等特點，已在電力載波通信中比較廣泛的應(yīng)用。
ST7538通過串行接口與主控制器交換數(shù)據(jù)。由于在方案設(shè)計中ATmega88V的USART用來和服務(wù)器通信，所以ST7538與主機的接口采用其通過串行接口與ATmega88V的串行外設(shè)接口SPI相互通信來實現(xiàn)。ATmega88V的串行外設(shè)接口SPI具有全雙工、3線同步數(shù)據(jù)傳輸，主從及操作等特點。在本方案設(shè)計中采用ST7538做主機，ATmega88V做從機，由ST7538提供數(shù)據(jù)同步傳輸時鐘。
3 電源芯片的選擇
由于整個系統(tǒng)中主要芯片(ST7538，ATmega88V)的工作電壓分別是12V和5V，系統(tǒng)總功率不超過2W，所以我們選用LM2596作為電源芯片。LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，具有非常小的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，具有3A的負(fù)載驅(qū)動能力，LM2596能夠輸出3.3V、5V、12V、15V的固定電壓和電壓可調(diào)節(jié)的可調(diào)電壓輸出方式，輸入電壓達(dá)到36V。LM2596應(yīng)用時比較簡單且元件較少，如圖2所示(只有四個)，內(nèi)置頻率補償電路和固定頻率振蕩器。LM2596系列產(chǎn)品的開關(guān)頻率為52kHz，所以應(yīng)用時可以使用小尺寸的濾波元件。它可以高效地取代一般的三端線性穩(wěn)壓器，能夠充分減小散熱片的面積。在規(guī)定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，LM2596輸出電壓的誤差范圍為±4％；振蕩器的振蕩頻率誤差范圍為±10％}典型的待機電流為50uA，芯片內(nèi)置過流保護電路和過熱保護電路。所以在設(shè)計中選用了兩片LM2596分別做兩個支路輸出5V和12V。此外，在PCB設(shè)計時考慮到開關(guān)電源芯片會產(chǎn)生很強的電磁波輻射，所以盡量遠(yuǎn)離調(diào)制解調(diào)電路及濾波電路，以免對載波信號造成干擾。
4 電力線接口電路設(shè)計
實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的電力線載波通信的關(guān)鍵在于所選用的載波調(diào)制解調(diào)模塊和相應(yīng)的接口電路。電力線接口電路將調(diào)制解調(diào)部分和電力線耦合，實現(xiàn)信號在電力線上的傳輸。通信過程要求這個接口電路在發(fā)送信號時，對信號進行濾波處理，濾除一定的噪聲如二次諧波，并通過功率放大器使信號有足夠的功率耦合到電力線上。在接收時，對混雜在信號中的噪聲進行濾除，并放大信號，然后將信號傳送到調(diào)制解調(diào)模塊中進行解調(diào)。因此接口電路的性能決定了通信效果的好壞。一般地，電力線接口電路包括：接收部分、發(fā)送部分、功率放大部分和保護部分等。因為ST7538內(nèi)部帶有功率放大電路，所以只需設(shè)計接收、發(fā)送和保護三個部分。電力線接口電路如圖3所示。
發(fā)送電路部分，電容C11、電感LC12、電感L4和等效感性阻抗LC的值一般是事先給定的，需要通過計算確定的是電容c13和CR9的值。在選定C11、Lc12、L4和Lc的值時要注意變壓器的漏電感、晶體二極管的電容和串聯(lián)器件(C13、LC12、T1、L4、c11)的等效串聯(lián)電阻ESR(100m－1)。所以盡可能地選用電阻性器件。變壓器選用1：1的隔離變壓器。模擬電力線的阻抗條件，即給濾波器的輸出端加上一個感性負(fù)載，令其阻抗特性為2Lc=100uH。電路中的感性器件的ESR要與其電感值成比例，且感性器件的ESR要盡可能地小。電感選用LBC(大線軸帶繞磁心)，電感值盡可能小，所以LC12的值選為10uH，L4的值選為22uH。C11的作用是將變壓器與電力線隔離，過濾電力線上的50／60Hz的信號，阻止低頻信號進入電路而使某些高頻信號通過，選取X2型電容，這種電容具有短路保護功能，所以c 11的值一般選為33nF／400V。根據(jù)極點頻率公式，計算得出C13的值為220nF，CR9的值為100nF。
接收電路部分選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因為有源濾波器會產(chǎn)生一個與接收信號相當(dāng)?shù)陌自肼?。采用并?lián)諧振電路，選用二階無源帶通濾波器(C36、L7、R1 1)。接收濾波器的頻率主要由電容C36，電感L7和電阻R11的值決定。中心頻率可設(shè)置為132.5k Hz。濾波器性能好壞的一個重要因素是品質(zhì)因數(shù)，值選為2～3。選用允許誤差為5％的聚丙烯電容和允許誤差為10％的B C(線軸帶繞磁芯)電感。為了不影響發(fā)送部分，并減少通過變壓器初級線圈的直流電流，R11的值要盡可能得大，但R11值若過大，會產(chǎn)生一個較高的白噪聲，所以R11的值取為750。令R1l的值不變，根據(jù)中心頻率和品質(zhì)因數(shù)的選取不同可以得出不同的C36和L7的值。
在保護電路部分中，一般采用一個雙向穩(wěn)壓管，當(dāng)電壓值不小于穩(wěn)壓管電壓時，穩(wěn)壓管就會短接到地，從而保護接口電路的器件不會被燒壞。火線與零線間的干擾為差模干擾，火線與地線，零線與地線間的為共模干擾。采用一個雙向穩(wěn)壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號沒作用，當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰信號時就會對電路造成損壞，所以這里采用三個二極管(D16和D15為P6KE6V8，D17為SM6T6V8A)，將它們連成星狀結(jié)構(gòu)。對于差模尖峰信號，D16和D15構(gòu)成一個雙向穩(wěn)壓管，對于共模尖峰信號，這種星狀結(jié)構(gòu)就相當(dāng)干兩個雙向穩(wěn)壓管(D15和D17，D16和D17)。
軟件設(shè)計
當(dāng)系統(tǒng)啟動時，程序完成初始化后便自動進入從電力線接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，開始檢測載波信號的有無及正確與否。如果檢測到載波信號且正確，則系統(tǒng)進入載波接收中斷程序，開始接收從電力線上傳來的數(shù)據(jù)；如果一開始沒有載波信號，則系統(tǒng)開始檢測串口，判斷串口是否有數(shù)據(jù)傳送過來，若目前有串口數(shù)據(jù)則系統(tǒng)進入串口數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，確定串口數(shù)據(jù)接收完成后就馬上進入載波發(fā)
第7篇：家庭電路設(shè)計方案范文
關(guān)鍵詞：智能型低壓無功補償裝置
中圖分類號：C35文獻標(biāo)識碼： A
1前言
近年來，在城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的實施過程中，低壓并聯(lián)電容器無功補償裝置的設(shè)計方案有了重大的改進和突破，取得了滿意的運行效果。對提高供電電壓質(zhì)量，挖掘供電設(shè)備的潛力、降低線路損失及節(jié)能均起到積極的作用。本文就智能型低壓無功補償裝置開發(fā)中的若干技術(shù)問題和發(fā)展方向進行討論，以供參考。
2低壓補償?shù)母倪M
低壓無功補償?shù)膫鹘y(tǒng)模式主要有以下三種型式，①裝于低壓電動機的單臺就地補償；②裝于配電變壓器低壓側(cè)的補償箱；③裝于企業(yè)配電房或車間以及高層建筑樓層配電間的自動補償柜（如PGJ柜等）。限于篇幅，對單臺補償問題本文不作討論。低壓補償箱和補償柜的技術(shù)改進和新技術(shù)應(yīng)用歸納起來主要有以下幾方面：
（1）由三相共補到分相補償，以求達(dá)到更理想的補償效果；
（2）由單一的無功補償?shù)酵瑫r具有濾波及抑制諧波功能的補償裝置；
（3）從采用交流接觸器進行投切，到選用晶閘管開關(guān)電路投切，以及發(fā)展為等電壓投、零電流切的最佳投切模式；
（4）智能型自動補償控制器和配電變壓器的運行記錄儀相結(jié)合；
（5）將低壓補償?shù)墓δ芗{入箱式變電站或美式箱變的低壓部分；
（6）采用不銹鋼或航空鋁板的箱體，具有防寒、防曬、密封、防潮、防銹的特點；
（7）選用干式或充SF6的自愈式并聯(lián)電容器，提高運行可靠性，延長使用年限。
3－Y共補與分補相結(jié)合的接線
3．1三相共補的接線
傳統(tǒng)的低壓補償都是采用三相共補的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一取樣，各相投入相同的補償容量，這種補償方式的接線如圖1所示。適用于三相負(fù)載基本平衡、各相負(fù)載的cosφ相近的網(wǎng)絡(luò)。為什么國內(nèi)外制造廠對三相共補的電容器均選用接線呢？主要是額定電壓400V的自愈式電容器的價格較同容量額定電壓220V的電容器要便宜得多。這是由于原材料價格的原因和400V電容器極間工作電場強度較高的緣故。以400V的電容器為例，用厚8μm金屬化膜時，工作場強為50MV／m，如用厚7μm的金屬化膜，工作場強為57．14M V／m，而220V的電容器，如維持與上述的工作場強相近時，則必須選用更薄的金屬化膜，但4～5μm薄膜的價格要比7～8μm薄膜貴得多，故對230V電容器一般是采取降低工作場強的設(shè)計，按照國內(nèi)的通常價格，同容量的230V電容器的價格為400V電容器價格的2倍以上。
3．2三相分補的接線
三相分補方式就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補償容量。適用于各相負(fù)載相差較大，其cosφ值也有較大差別的場合。接線如圖2所示。與三相共補的不同特點是：①單臺并聯(lián)電容器的額定電壓為230V，Y接；②控制器分相進行工作，互不影響。當(dāng)然，其價格高于三相共補的裝置，一般要貴20％～30％。
3．3Δ－Y共補與分補相結(jié)合的接線
從經(jīng)濟的角度出發(fā)，也可以采用電容器Δ－Y接線，即三相共補與三相分補相結(jié)合的接線方案如圖3所示。三相共補部分的電容器為Δ接線，三相分補部分的電容器為Y接線，例如某廠家Δ接電容器組的單臺電容器分別為400V，10、15、20、30kvar。Y接電容器組的單臺電容器分別為：230V，3、4、5、6、8、10kvar。這種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活，其成套價格低于圖2的接線方案。也有的廠家對Y接的電容器組仍采用400V的電容器，其單臺銘牌容量與Δ接電容器組選用相同的電容器，而Y接部分的電容器實際輸出的容量只有銘牌的1／3。這樣做的目的是由于400V的產(chǎn)品比較便宜，即使實際容量較名牌值小，但由于工作場強低，壽命較長，且整個裝置只用一個規(guī)格的電容器，互換性強。
圖1并聯(lián)電容器接三相共補的接線
圖 2并聯(lián)電容器Y接三相分補的接線
4并聯(lián)電容器的投切開關(guān)
4.1交流接觸器
70年代廣泛應(yīng)用的PGJ補償柜。都是采用交流接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開關(guān)，迄今仍有沿用。其缺點：①投入電容器時產(chǎn)生倍數(shù)較高的涌流，容易在接觸器的觸點處產(chǎn)生火花，燒損鋤頭；②切斷電容時，容易粘住觸頭，造成拉不開；③涌流過大對電容本身有害，會影響使用壽命。當(dāng)時采用的措施是：（1）適當(dāng)選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40A的接觸器投切15kar的三相電容器（Ic=21.7A）；（2）采用專用的接觸器，其型號有CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；（3）每臺電容器加裝串聯(lián)小電抗器，用以抑制涌流。
圖 3并聯(lián)電容器-Y三相共補分補相結(jié)合的接線
4．2雙向晶閘管開關(guān)電路
采用雙向晶閘管的無觸點開關(guān)電路（又稱固態(tài)繼電器）取代交流接觸器用于投切電容器的接線如圖4（a）所示。其優(yōu)點是過零觸發(fā)，無拉弧，動作時間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于繁投切的場合。但也存在以下缺點：①采用雙向晶閘管制造成本高，晶閘管開關(guān)電路的補償柜價格要比采用接觸器的補償柜貴70％～80％左右；②晶閘管開關(guān)電路運行時有較大的壓降，運行中的電能損耗和發(fā)熱問題不可忽視。以BZMJ0．4－15－3并聯(lián)電容器為例，其額定電流為21．7A，如晶閘管開關(guān)的電壓降為1V時，3個晶閘管開關(guān)電路運行時，損耗的功率為：P＝3×1×21．7＝65．1W，如補償柜的無功功率為90kvar，則全部投入時，晶閘管的功率損耗為65．1×6＝390．6W，以每天平均10h計，日耗電量達(dá)3．906kW?h。年耗量約為1426kW?h，有功消耗的發(fā)熱量還會增加整個補償裝置的溫升，而需采用相應(yīng)的散熱降溫的措施，如采用接觸器則基本上不消耗有功；（3）晶閘管電路的本身也是諧波源，大量的應(yīng)用對低壓電網(wǎng)的波形不利。因此，除了對晶閘管開關(guān)電路加以改進外，還應(yīng)使之在完成開合閘操作后退出，仍由與之并聯(lián)的接觸器維持電容器的正常運行。
（a）(b)
圖 4晶閘管開關(guān)電路的接線方案
（a）晶閘管反向并聯(lián)（b）晶閘管和二極管反并聯(lián)
4．3晶閘管和二極管反并聯(lián)的開關(guān)電路
一個晶閘管和一個二極管反并聯(lián)的接線方案如圖4（b）所示。與圖4（a）的接線方案對比，由于相同容量的二極管的價格低于晶閘管，故用一只晶閘管和一只二極管反并聯(lián)的無觸點開關(guān)電路制造成本較低，而技術(shù)性能相近，但反應(yīng)時間則較慢些，切除電容器時，從切除指令的輸出到工作任務(wù)的完成，可以在半周波內(nèi)完成，（即時間t≤10ms）。如采用圖4（b）的方案，由于二級管的不可控性，通常其切除時間要在0．5～1Hz之間，即切除時間t≤20ms。
4．4等電壓投零電流切的新型無觸點開關(guān)電路
等電壓投零電流切的新型無觸點開關(guān)電路的接線如圖5所示，圖中J為交流接觸器的觸點。其運行操作順序說明如下：當(dāng)投入電容器時，先由微電腦控制器發(fā)出信號給開關(guān)電路，使之在等電壓時投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發(fā)信號給接觸器，使其觸點也閉合，將晶閘管開關(guān)電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠(yuǎn)小于開關(guān)電路導(dǎo)通時的電阻，達(dá)到了節(jié)能和延長開關(guān)電路使用壽命的目的。當(dāng)需要切除電容器時控制器先發(fā)信號給接觸器，使接觸器觸點J斷開，此時開關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，并由開關(guān)電路在電流過零時，將電容器切除。本方案的優(yōu)點是：運行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關(guān)電路和接觸器的使用壽命長。
圖 5等電壓投零電流切的開關(guān)電路
4．5兩相兩管開關(guān)電路投切的三相Δ形接線電容器組
兩相兩管開關(guān)電路投切三相Δ形接線電容器組的接線如圖6所示。該項投切原理是北京首電科技有限公司的專利技術(shù)，已在我國低壓配電網(wǎng)中獲得廣泛的應(yīng)用，效果是滿意的。
圖 6兩相兩管開關(guān)電路投切三相形接線電容器組的接線
5智能型自動控制器
5．1檢測量和控制目標(biāo)
檢測量主要有cosφ、無功功率Q和無功電流Iq三種，80年代中期多選用以cosφ為檢測量的控制器，執(zhí)行手段是投切電容器，補償?shù)淖罱K目的是減少進出電網(wǎng)的無功功率。此方案的主要缺點是：輕載時容易產(chǎn)生投切震蕩，重載時又不易達(dá)到充分補償，故新型的控制器已不再選用以cosφ為檢測量。檢測量為Q的控制器，其工作原理是將電壓和電流的信號送入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測出Q＝UIsinφ，由于檢測量和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上是合理的，但檢測難度要大些。檢測量為Iq的控制器，利用了相電壓u由正到負(fù)過零的瞬間，恰好就是A相無功電流最大值Iqmax的原理，用相電壓u負(fù)過零信號控制，采用開關(guān)和簡單的保持電路，以完成對Iq實時檢測。這種方案的優(yōu)點是：檢測方法簡單，不會發(fā)生震蕩，補償效果與電網(wǎng)電壓的波動無關(guān)。
5．2檢測點的設(shè)置方案
有兩種選擇方案：①控制器輸入電壓和電流信號的檢測點設(shè)在補償設(shè)備的前端，如圖7中的A點處；②檢測點設(shè)在補償設(shè)備后端如圖7中的B點處。
圖 7自動控制器的檢測點
檢測點A由于不能直接檢測負(fù)載的無功功率，不易實現(xiàn)多組電容器的一次快速投切，通常采用逐級漸進的投切方式，較慢地達(dá)到應(yīng)補償值，因此僅適用于負(fù)載運行較平穩(wěn)，無大容量沖擊負(fù)載，不需要快速動態(tài)補償?shù)膱龊?。如接于檢測點B，其優(yōu)點是僅根據(jù)負(fù)載Q和Iq測得值，決定電容器投入組數(shù)，是一種只管投切，不控制補償后實際效果的控制方式，其優(yōu)點是控制方式簡單，可一次快速投切多組電容器，缺點是靜態(tài)補償?shù)木容^差。有關(guān)專家還提出了兼顧兩者優(yōu)點的閉合控制方式，即檢測點設(shè)在A處，檢測補償后的無功功率ΔQ，又通過ΔQ求得負(fù)載的全部無功功率Q，即完全補償時所需投入的全部電容器的無功功率，這種由變動量求總和的設(shè)想，可通過微機來實現(xiàn)，又因可一次投入應(yīng)投的全部電容器，獲得快速的動態(tài)補償特性，是目前公認(rèn)的比較理想方案。
5．3對自動控制器性能及質(zhì)量的要求
目前全國大約有200多家企業(yè)生產(chǎn)無功補償自動控制器，其中多數(shù)是技術(shù)水平很低、缺乏較齊全的檢測設(shè)備，生產(chǎn)批量小，質(zhì)量難以保證的家庭作坊式小廠。為了提高自動控制器的技術(shù)性能和可靠性，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T597－1996《低壓無功補償器訂貨技術(shù)條件》，對控制器的基本功能提出以下要求：①應(yīng)具有電容器投入及切除門限設(shè)定值、延時設(shè)定值、過電壓保護設(shè)定值的設(shè)置功能；②對可按設(shè)定程序投切的控制器，應(yīng)具有投切程序設(shè)置功能；③面板功能鍵的操作應(yīng)有容錯功能；④面板的設(shè)置應(yīng)具有硬件或軟件閉鎖功能。為了提高控制器工作的可靠性還應(yīng)注意以下幾點：①控制器應(yīng)有防止在小負(fù)載情況下出現(xiàn)投切震蕩的措施；②合理簡化控制器的電路設(shè)計，元器件數(shù)量越多，電路越復(fù)雜，則控制器的故障率越高；③減少一些控制器本身不必要附加功能，例如自動和手動的切換，電容器故障的報警等功能均應(yīng)由控制器轉(zhuǎn)移到無功補償屏上；④選用質(zhì)量優(yōu)良的單片機和電子元器件；⑤注意自動控制器抗電磁干擾的能力；⑥合理選擇檢測量和控制方案。
5．4配電綜合測控儀和無功補償自動控制器一體化
無功補償自動控制器和配電綜合測控儀的一體化問題是城網(wǎng)改造提出的配電網(wǎng)自動化問題，運行單位往往要求在配電變壓器的低壓側(cè)同時加裝無功補償?shù)牡蛪弘娙萜骱团潆娋C合測控儀。以北京首電科技研制的SDPD－2000配電綜合測控儀為例，兼具配電變壓器運行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄以及無功補償?shù)闹悄芸刂坪捅Ｗo等兩大功能。數(shù)據(jù)采集的范圍包括：電壓、電流、功率因數(shù)、有功及無功功率、有功及無功電量、諧波電壓、諧波電流，每日電壓和負(fù)載電流的最大值和最小值，停電時刻、來電時刻及累計停電時間，每相過電壓、欠電壓及缺相時間等參數(shù)，數(shù)據(jù)儲存期為2個月。且具有RS232／485通訊接口，可采用現(xiàn)場或遠(yuǎn)程采集的方式。顯示方面采用液晶顯示器，全中文直觀顯示配電變壓器運行的有關(guān)參數(shù)。無功補償智能化控制方面取樣的物理量為負(fù)載的無功功率Q；可對Δ－Y電容器組的任意組合方式進行調(diào)節(jié)；防止無功投切震蕩及補償呆區(qū)；當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生過電壓、欠電壓、缺相、諧波或零序電流超標(biāo)及電容器溫升超標(biāo)時，快速切除補償電容器。
6結(jié)束語：
本文從改進無功補償裝置的設(shè)計方案和技術(shù)更新，并通過在城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的實施過程中的應(yīng)用。取得了滿意的運行效果。對提高供電電壓質(zhì)量，挖掘供電設(shè)備的潛力、降低線路損失及節(jié)能均起到積極的作用。
參考文獻：
[1]戴朝波雷林緒等 晶閘管投切電容無功補償角型接線方案[J]電工技術(shù)雜志 2001（3）
第8篇：家庭電路設(shè)計方案范文
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù) 3G技術(shù) 網(wǎng)關(guān)
1. 引言
各種網(wǎng)絡(luò)終端的出現(xiàn)和家庭智能化都迫切需要一種具備低成本、近距離、低功耗等優(yōu)點的無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee就是在這樣的背景下應(yīng)運而生的。ZigBee主要應(yīng)用于短距離、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的無線通信。而3G移動通信系統(tǒng)的產(chǎn)生則是由于人們對信息處理和共享的需求不斷提高。本文就是為實現(xiàn)私有網(wǎng)絡(luò)的跨距離監(jiān)控，設(shè)計了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的3G網(wǎng)關(guān)通信節(jié)點，其中3G技術(shù)采用的WCDMA技術(shù)。
2 . 3G網(wǎng)關(guān)的設(shè)計和總體架構(gòu)
ZigBee模塊選用的是JN5121芯片，它是高性能、低功耗的無線SoC芯片，JN5121內(nèi)置的ROM存儲器中集成了點對點通信與網(wǎng)狀通信的完整協(xié)議棧；其內(nèi)置的RAM存儲器，可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間。內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，減少了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載。
3G部分選用的是一款可以安裝3G模塊的3G開發(fā)板，此3G模塊選用的是基于WCDMA技術(shù)的華為公司生產(chǎn)的MU103模塊。
該網(wǎng)關(guān)以JN5121自帶的8位處理器作為網(wǎng)關(guān)的主系統(tǒng)，JN5121以ZigBee協(xié)議棧為基礎(chǔ)，在網(wǎng)關(guān)與ZigBee路由節(jié)點和終端節(jié)點之間接收數(shù)據(jù)通信，WCDMA模塊用于將ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心以及從控中心接收命令，系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如下：
3. 硬件電路設(shè)計
硬件主要包括嵌入式處理器、ZigBee模塊、3G模塊三部分組成。但是考慮到選用的ZigBee模塊是JN5121模塊，本身自帶8位微處理器，所以此硬件主要包括ZigBee模塊和3G模塊兩部分組成。
3G網(wǎng)關(guān)的硬件框圖
4. 軟件設(shè)計
本設(shè)計使用的是CodeBlocks軟件，它是一款免費、開源、跨平臺的C/C++ IDE，支持Windows、Linux、MacOSX。同時它還支持各種不同的編譯器。
4.1 WCDMA網(wǎng)絡(luò)和本設(shè)計中自組織網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議
本設(shè)計中WCDMA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用的是基于基站的協(xié)議模型，從下到上依是MTP1、MTP2、MTP3和SCCP。
MTP1定義了數(shù)字鏈路在物理上、電氣上及功能上的特性；對應(yīng)于OSI模型中的物理層；
MTP2確保消息在鏈路上實現(xiàn)精確的端到端傳送。對應(yīng)OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層；
MTP3提供兩個信令點間消息的路由選擇功能，對應(yīng)OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層；
SCCP位于MTP之上，為MTP提供附加功能，對應(yīng)于OSI模型中的應(yīng)用層。
4.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件原理
JN5121自帶的8位處理器是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WCDMA網(wǎng)絡(luò)的透明傳輸?shù)年P(guān)鍵系統(tǒng)，將ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換成WCDMA協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，同時能夠?qū)CDMA協(xié)議轉(zhuǎn)換成ZigBee協(xié)議，向ZigBee節(jié)點發(fā)送控制命令。
從ZigBee往WCDMA的傳輸：3G網(wǎng)關(guān)從ZigBee節(jié)點中接收到數(shù)據(jù)時，ZigBee模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶詭У?位處理器，此處理器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，去掉ZigBee協(xié)議棧頭，提取有用的數(shù)據(jù)載荷，然后加上WCDMA的協(xié)議棧頭。從WCDMA向ZigBee傳輸數(shù)據(jù)的處理過程相反。
5. 總結(jié)
各種無線網(wǎng)絡(luò)之間的互通已成為必然。為了實現(xiàn)信息資源的共享，并對各種不同網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點進行互補，網(wǎng)絡(luò)融合是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展以及通信技術(shù)和通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的方向。本設(shè)計研究ZigBee網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案及實現(xiàn)，提出了一種在嵌入式技術(shù)、3G技術(shù)和ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款3G網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)互通和個人局域網(wǎng)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。
參考文獻：
[1] 王權(quán)平，王莉.ZigBee技術(shù)簡析，通訊世界，2003，4
第9篇：家庭電路設(shè)計方案范文
關(guān)鍵詞：高中物理；Multisim；教學(xué)；仿真示例；電學(xué)實驗
中圖分類號：G424.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）06-0157-02
物理學(xué)是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。實驗是高中物理課程的重要組成部分，是連接理論知識與實踐應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建恰當(dāng)?shù)摹⒂行У难菔拘?、驗證性或探究性實驗等方式開展教學(xué)，有助于學(xué)生在實驗中理解物理知識，掌握物理規(guī)律，激發(fā)學(xué)生對物理的興趣和求知欲[1]。
一、傳統(tǒng)電學(xué)知識教學(xué)中的困難
電學(xué)是高中物理課程中的一個重要部分。長期以來，電學(xué)的課堂教學(xué)是教師通過硬件電路實驗與黑板板書相結(jié)合對知識進行講解。由于隨堂教學(xué)的硬件實驗常存在調(diào)試時間長、可視性差、數(shù)據(jù)的讀取和計算精確度不高、教學(xué)效率低等不足，以及存在受實驗儀器限制，實驗無法構(gòu)建的困難。教師如果在教學(xué)中處理不當(dāng)，課堂教學(xué)易變?yōu)槔碚撜f教，這導(dǎo)致學(xué)生對知識結(jié)論心存疑惑，難以理解和掌握。同時，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)是讓學(xué)生進入實驗室，在固定的教學(xué)時間內(nèi)，按照教師的指導(dǎo)要求、統(tǒng)一的方法步驟、既定的儀器條件進行操作。這不僅不利于學(xué)生通過實驗進一步理解物理知識，掌握物理規(guī)律，且不利于激發(fā)學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。因此，教師以提高教學(xué)質(zhì)量為目的，選擇有效的實驗手段和方法開展教學(xué)非常重要[2]。
二、Multisim軟件的特點介紹[3]
Multisim是專門用于電子電路仿真與設(shè)計的工具軟件之一。它借助計算機提供了一個較為合適的虛擬電子實驗平臺，用它可方便構(gòu)建各種電子電路，完成從電路設(shè)計到仿真的全過程。近年來，Multisim在國內(nèi)外高校及電子設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它具有如下優(yōu)勢和特點：（1）友好直觀的工作界面，仿真電路的連接構(gòu)建與實際操作近乎相同；（2）豐富的元器件庫，該軟件內(nèi)含數(shù)萬種元器件和多種常用的虛擬儀器儀表；（3）強大的電路仿真能力，虛擬儀器儀表的外觀和使用方法與真實器件基本相同，仿真數(shù)據(jù)精確可靠，繪制的物理量波形生動直觀。（4）實現(xiàn)成本低，用戶僅需在計算機安裝該軟件即可使用；（5）易學(xué)易用，用戶不必具備編程知識，模塊化的元件儀表即見即所得。隨著電腦的普及，高中階段計算機課程的開設(shè)，教師和學(xué)生學(xué)習(xí)采用Multisim進行電路設(shè)計及實驗仿真是不會感到困難的。
三、Multisim在高中物理電學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用
計算機仿真實驗教學(xué)是現(xiàn)代教育技術(shù)在物理課程教學(xué)中得到具體應(yīng)用，且又適應(yīng)新課程標(biāo)準(zhǔn)的、一種新興的教學(xué)方式[2][4]。由于Multisim電路仿真實驗效果直觀明顯，操作簡單，教師和學(xué)生容易學(xué)習(xí)和掌握，因此基于Multisim的仿真實驗為電子電路教學(xué)提供了一種新的、較為合適的手段和分析方法。
（一）課堂教學(xué)中的應(yīng)用
新課程標(biāo)準(zhǔn)中電學(xué)部分的教學(xué)內(nèi)容包括相關(guān)定理、元器件特性、電路接法、電表使用、數(shù)據(jù)讀取等許多綜合復(fù)雜知識及其運用，因此電學(xué)的理論性、實踐性及綜合性成為了教學(xué)難點。根據(jù)電學(xué)知識特點，可在課堂教學(xué)中引入Multisim實現(xiàn)的電路仿真教學(xué)示例。如講授“伏安法測電阻，電流表的不同接入方式對測量電阻的誤差影響，以及電流表接入方式的選擇問題”時，可引入Multisim實現(xiàn)的電路實驗進行仿真演示教學(xué)。圖1和圖2分別是直流電流表（Ammeter）外接和內(nèi)接方式的仿真電路圖。通過鼠標(biāo)雙擊電阻Rx、電流表和電壓表（Voltmeter）可分別設(shè)定不同大小的待測電阻、電流表內(nèi)阻RA及電壓表內(nèi)阻RV。仿真中各電表能自動顯示每次測量獲得的電流和電壓值。圖1所示的外接法電路設(shè)定RA=1Ω，RV=10MΩ，每次仿真實驗測量不同Rx情況下對應(yīng)的電流I和電壓V的數(shù)值，并記錄在表1中。圖2所示的內(nèi)接法仿真電路仍設(shè)定RA=1Ω，RV=10MΩ，每次仿真測量不同Rx情況下各電表對應(yīng)的電流和電壓值，并記錄在表2中。對表1和表2的測量數(shù)據(jù)按公式V/I和|R-Rx|/R分別計算出電阻測量值R、測量的相對誤差。由表1數(shù)據(jù)比較看出，電流表外接電路由于電壓表的分流作用，待測電阻Rx的實際測量值R實為Rx與電壓表內(nèi)阻RV的并聯(lián)值，即R=（RxRV）/（Rx+RV），當(dāng)Rx愈小，則電壓表分流愈小，測量值R愈逼近真實電阻值。因此選用電流表外接方法測阻值小的電阻（RxRx=（Ve-VA）/I關(guān)系。這里Ve是直流電源電動勢，VA=IRA是電流表分壓，I為所測得的電流值。當(dāng)Rx越大，VA越小，則測量值越接近電阻值。因此選用電流表內(nèi)接方法測量阻值大的電阻（Rx>RA）。
由上例可見，將Multisim軟件實現(xiàn)的電路仿真示例引入到教學(xué)當(dāng)中，并通過多媒體投影將實驗與理論知識傳授相結(jié)合，開展演示性、驗證性或探究性等方式的課堂教學(xué)活動，可以彌補硬件電路實驗隨堂演示教學(xué)過程中耗時長、測量數(shù)據(jù)精度低、可視性差和教學(xué)效率不高等不足，使得課堂教學(xué)更加直觀、生動、緊湊，讓學(xué)生易于加深對課堂中抽象概念原理的理解，從而提高課堂教學(xué)效果和效率。同時仿真示例與學(xué)生共享，學(xué)生能及時在課后利用個人電腦進行知識重現(xiàn)和知識探究，對設(shè)計型實驗的各種設(shè)計方案優(yōu)劣進行數(shù)據(jù)模擬驗證，更進一步地鞏固課堂上所學(xué)的理論知識，并能激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到事半功倍的效果。
（二）實踐教學(xué)中的應(yīng)用
Multisim軟件豐富的元件庫及簡單易學(xué)的特點使得基于Multisim的電路仿真實驗可以擺脫實驗環(huán)節(jié)的時間、地點和設(shè)備限制，為理論教學(xué)與硬件實驗之間建立一個中間環(huán)節(jié)，上好各個電學(xué)實驗的專題復(fù)習(xí)課，提供學(xué)生在“課堂”與“實驗室”之間一個有用且有效的實踐平臺，實現(xiàn)理論和實踐的教學(xué)同步。如今，隨著家庭電腦的普及，學(xué)生在課后可以利用Multisim在計算機中動手連接電子線路，設(shè)置電子儀器儀表進行電路理論和實驗仿真，體驗所學(xué)。這樣有助于加深對電學(xué)知識的認(rèn)識和理解，激發(fā)學(xué)習(xí)的主動性與積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。
將Multisim應(yīng)用到中學(xué)物理電學(xué)部分的教學(xué)中，一方面有助于學(xué)生直觀地領(lǐng)會和理解教學(xué)中抽象的內(nèi)容，起到豐富教學(xué)、提高教學(xué)效果的作用，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和積極性；另一方面也在物理新課改的要求下，利用計算機仿真實驗開展教學(xué)方法和手段的實踐探索提供了借鑒。
參考文獻：
[1]中華人民共和國教育部.物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003：4-47
[2]王偉麗.淺談現(xiàn)代教育技術(shù)在中學(xué)物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].延邊教育學(xué)院學(xué)報，2010，23（6）：133-135.
