環(huán)保藍(lán)圖下的電子電路設(shè)計(jì)

韓逸雪，楊宏業(yè)

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特，010051

0 引言

生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系中華民族永續(xù)發(fā)展的根本大計(jì)，讓山川林木蔥郁，讓大地遍染綠色，讓天空湛藍(lán)清新，讓河湖魚翔淺底，讓草原牧歌歡唱，這是為建設(shè)美麗內(nèi)蒙古擘畫的美好藍(lán)圖，也是實(shí)現(xiàn)永續(xù)綠色發(fā)展的根本要求。當(dāng)今時(shí)代，綠色循環(huán)低碳發(fā)展已成為科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要方向。綠色生態(tài)是內(nèi)蒙古的最大優(yōu)勢(shì)及最響亮的品牌，依托綠色資源，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)綠色轉(zhuǎn)型，大有潛力可挖。

綠水青山就是金山銀山，保護(hù)環(huán)境人人有責(zé)。模范踐行“勤學(xué)修德明辨篤實(shí)、愛(ài)國(guó)敬業(yè)低碳環(huán)?！北仨殢奈易銎?。本文將結(jié)合“太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)”電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，探討如何在專業(yè)實(shí)踐中貫徹踐行綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的理念。

1 設(shè)計(jì)方法

碳中和的時(shí)代下消費(fèi)類電子產(chǎn)品如何做到低功耗，是擺在我們電子信息類專業(yè)人員面前的首要問(wèn)題。電子電路的設(shè)計(jì)方法可分三類：一是利用智能芯片實(shí)現(xiàn)，如單片機(jī)，CPLDFPGAD；二是用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)；三是用分立元器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，但因其電路復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，功耗大，現(xiàn)已被淘汰。

從降低電路功耗的角度來(lái)看，首先要考慮的就是第一類方法。因?yàn)樗抢脝纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子產(chǎn)品的優(yōu)化制作，所以此種方法堪稱首選。它不僅在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以選擇可睡眠可喚醒的具有低電壓的低功耗智能芯片，而且還可以通過(guò)軟件代替硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)某些電路功能，這樣可使耗電量大大降低，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。盡管每個(gè)電子產(chǎn)品的節(jié)電量并不是很多，但積土成山、積水成淵，如果成千上萬(wàn)個(gè)電子產(chǎn)品進(jìn)行節(jié)能降耗，那么最終的節(jié)電量也將匯成江河。

其次就是采用第二類方法。用中小規(guī)模集成電路而非分立元器件實(shí)現(xiàn)。它又可分為兩種，一種是使用小規(guī)模集成電路“與或非門”門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一種是使用中規(guī)模組合邏輯電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如138譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、存儲(chǔ)器等。鑒于本次案例是電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，所以在此僅以第二類方法為例進(jìn)行分析說(shuō)明。通過(guò)使用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)功耗的降低，既可擘畫電子電路設(shè)計(jì)的環(huán)保藍(lán)圖，也能夠很好的驗(yàn)證我們是如何將所學(xué)專業(yè)知識(shí)技能與踐行綠色環(huán)保理念完美契合的。內(nèi)化于心，外化于行，用所學(xué)去助力保障生態(tài)環(huán)境安全，造福社會(huì)。

2 設(shè)計(jì)案例

首先，“太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)”這個(gè)題目就非常吸睛，它彰顯了綠色環(huán)保、節(jié)能降耗的主旨思想；其次，在該設(shè)計(jì)要求中，除技術(shù)要求外，它不僅特意提出了低功耗的設(shè)計(jì)要求，而且還把該要求作為第一條要求。這在以往的設(shè)計(jì)中是沒(méi)有的，自然這也是我在大學(xué)學(xué)習(xí)期間首次見(jiàn)到的。它屬于一種全新的開(kāi)創(chuàng)性做法，這已不僅僅是對(duì)專業(yè)技術(shù)的挑戰(zhàn)了，更是對(duì)思想認(rèn)識(shí)的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@種創(chuàng)新能夠很好地體現(xiàn)出一個(gè)人的家國(guó)情懷。

太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下。

（1）綠色環(huán)保：低功耗。

（2）路燈：LED節(jié)能燈。

（3）邏輯控制電路要求。在白天，單片機(jī)檢測(cè)到太陽(yáng)能電池電壓處于正常工作狀態(tài)時(shí)，太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電。因?yàn)樘?yáng)能電池板在低輸出電壓階段具有電流源特性，所以用它作電源時(shí)，可以不考慮負(fù)載的過(guò)流問(wèn)題，但要在主回路內(nèi)串入二極管以防蓄電池對(duì)太陽(yáng)能電池板的反向放電。在夜間，單片機(jī)檢測(cè)到太陽(yáng)能電池?zé)o輸出,即太陽(yáng)能電池停止工作時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟放電電路點(diǎn)亮路燈照明。此時(shí)，蓄電池內(nèi)儲(chǔ)存的電能將會(huì)為路燈供電。若蓄電池電量不足,則會(huì)停止供電照明[1]。以上邏輯功能用集成門電路或中規(guī)模組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。

（4）單片機(jī)Arduino。利用單片機(jī)采集太陽(yáng)能光伏電池板兩端的電壓以及蓄電池兩端的電壓，并從單片機(jī)I/O口輸出A、B、C三路控制信號(hào)。由單片機(jī)2、4、7引腳引出的A、B、C三路作為邏輯控制電路的輸入，分別代表“過(guò)放/未過(guò)放”、“過(guò)充/未過(guò)充”、以及“白天/黑夜”。電路框圖如圖1所示。

圖1 單片機(jī)Arduino 電路框圖

2.1 系統(tǒng)組成與原理

太陽(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)正得到迅速的推廣應(yīng)用，在偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)，太陽(yáng)能照明系統(tǒng)則具有更廣泛的應(yīng)用前景[2]。

太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)通常由單片機(jī)、太陽(yáng)能電池、蓄電池、照明燈具、邏輯控制電路這幾部分組成。太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)主電路如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)主電路

太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)在運(yùn)行中包括充電、放電（供電照明）兩種工作狀態(tài)[2]。

（1）太陽(yáng)能電池（100W單晶硅光伏板）。太陽(yáng)能電池又稱太陽(yáng)能光伏板，是整個(gè)系統(tǒng)的電能源泉。在白天的光照下，太陽(yáng)能電池將其所接受的光能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)充電電路對(duì)蓄電池充電，隨后送往蓄電池存儲(chǔ)起來(lái)；天黑后，太陽(yáng)能電池則會(huì)停止工作，繼電器斷開(kāi)太陽(yáng)能光伏板與蓄電池的連接，充電停止。

（2）蓄電池（40Ah鉛酸）。蓄電池不僅是太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，還是所有智能控制電路的電源，保障全天的電源供給。白天蓄電池將太陽(yáng)能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能進(jìn)行儲(chǔ)存，到夜間再轉(zhuǎn)換回電能輸出到照明負(fù)載[3]。

（3）照明燈具。照明燈具選取AU-LS-98WLED路燈，其為壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高的LED節(jié)能燈，從而提升照明效率、實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保。

2.2 邏輯控制電路設(shè)計(jì)

（1）用小規(guī)?！芭c或非門”門電路設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，邏輯變量定義如下。

由單片機(jī)2、4、7引腳引出的A、B、C三路作為門電路的輸入，分別代表著“過(guò)放/未過(guò)放”、“過(guò)充/未過(guò)充”、“白天/黑夜”，三路輸入分別對(duì)應(yīng)著八種不同的情況，而S1、S2則代表著“充電/不充電”和“燈亮/燈不亮”兩路輸出。

在夜間（C=1），S1全部處于斷開(kāi)的狀態(tài)（S1=0）。在系統(tǒng)既不過(guò)充也不過(guò)放時(shí)，蓄電池可以正常為電燈供電，S2閉合，燈亮（S2=1）；當(dāng)系統(tǒng)不過(guò)充但是過(guò)放時(shí)，蓄電池?zé)o法繼續(xù)為電燈供電，需要將S2斷開(kāi)，燈滅（S2=0）；當(dāng)系統(tǒng)過(guò)充但是未過(guò)放時(shí)，蓄電池可以繼續(xù)為電燈供電，所以S2將繼續(xù)保持閉合的狀態(tài)，燈亮（S2=1）；當(dāng)系統(tǒng)過(guò)充與過(guò)放同時(shí)發(fā)生時(shí)（實(shí)際上不可能會(huì)發(fā)生），蓄電池不可以繼續(xù)為電燈供電，S2需要保持?jǐn)嚅_(kāi)的狀態(tài)，燈滅（S2=0）。

在白天（C=0），蓄電池不會(huì)為電燈供電，S2始終處于斷開(kāi)的狀態(tài)（S2=0）。當(dāng)系統(tǒng)既不過(guò)充也不過(guò)放時(shí)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，太陽(yáng)能光伏板可以為蓄電池供電，S1閉合，充電（S1=1）；當(dāng)系統(tǒng)不過(guò)充但是過(guò)放時(shí)，太陽(yáng)能光伏板還可以繼續(xù)為蓄電池充電，S1閉合（S1=1）；當(dāng)系統(tǒng)過(guò)充但是未過(guò)放時(shí)，太陽(yáng)能光伏板無(wú)法繼續(xù)為蓄電池供電，S1斷開(kāi)，不充電（S1=0）；當(dāng)系統(tǒng)過(guò)充與過(guò)放同時(shí)發(fā)生時(shí)(實(shí)際上不可能會(huì)發(fā)生)，太陽(yáng)能光伏板無(wú)法繼續(xù)為蓄電池充電，S1、S2同時(shí)斷開(kāi)，不充電（S1=0），同時(shí)燈也不會(huì)亮（S2=0）。

根據(jù)如上分析可得到邏輯功能真值表，如表1所示。

表1 邏輯功能真值表

由真值表可得邏輯表達(dá)式如下：

經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)可得：

由小規(guī)?！芭c或非門”門電路構(gòu)成的邏輯電路圖如圖3所示。

圖3 小規(guī)模“與或非門”門電路邏輯圖

（2）用中規(guī)模組合邏輯電路74LS138設(shè)計(jì)。74LS138是3線-8線譯碼器，如圖4所示，其工作原理如下：A2、A1、A0是三位二進(jìn)制代碼輸入端，Y0-Y7為輸出端，且低電平有效。當(dāng)一個(gè)選通端G1為高電平（G1=1），另兩個(gè)選通端（G2A和G2B）為低電平時(shí)（G2B+G2A=0），譯碼器處于工作狀態(tài)，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出；否則，譯碼器會(huì)被禁止，將所有的輸出端鎖在高電平。

圖4 塑封雙列直插式74LS138 管腳封裝圖

根據(jù)真值表可得，使用74LS138設(shè)計(jì)的邏輯表達(dá)式如下：

由化簡(jiǎn)可得：

由中規(guī)模74LS138譯碼器構(gòu)成的邏輯電路圖如圖5所示。

圖5 74LS138 譯碼器邏輯電路圖

（3）兩種設(shè)計(jì)方法的比較。從所需元器件數(shù)量上來(lái)看：門電路需五個(gè)非門以及兩個(gè)與非門，而中規(guī)模集成電路只需一個(gè)74LS138譯碼器與兩個(gè)74ALS00芯片。顯而易見(jiàn)，中規(guī)模集成電路所需元器件個(gè)數(shù)更少，所以其功耗也更低[4]。

從電路連接上看：中規(guī)模集成電路高度集成，所需電路連接外部器件相比“與或非門”門電路要少，電路簡(jiǎn)單，電路工作更加可靠，故障率更低，維護(hù)成本更少。

通過(guò)上述比較得出：采用中規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)方法，電子電路的功耗較小，更加綠色環(huán)保。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)使用小規(guī)模集成門電路與中規(guī)模組合邏輯集成電路設(shè)計(jì)太陽(yáng)能智能路燈照明系統(tǒng)，分析比對(duì)了兩種不同方案在電路連接復(fù)雜程度、芯片使用數(shù)量、特別是功耗上的異同[5]，對(duì)綠色電子電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了梳理、總結(jié)，為電子信息專業(yè)同行提供了電子電路低功耗設(shè)計(jì)途徑的新思路。此次課程設(shè)計(jì)從題目到內(nèi)容、電氣設(shè)備的選型，最后到設(shè)計(jì)方法的選擇，都緊密圍繞著低功耗這一目標(biāo)，全方位彰顯著綠色環(huán)保的理念，讓我們學(xué)會(huì)了如何在電子電路設(shè)計(jì)中考慮并解決低功耗問(wèn)題[6]。它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程，更是一門思政課程，有著潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的妙效，的確非同一般！人者，天地之所化。若反于道，壞己之境，必自滅亡也。作為具有家國(guó)情懷的當(dāng)代大學(xué)生，我們要做的不僅僅是學(xué)好自身的專業(yè)知識(shí)，更重要的是要自覺(jué)地把個(gè)人夢(mèng)融入中國(guó)夢(mèng)，把文章寫在中國(guó)的大地上，把專業(yè)知識(shí)應(yīng)用在“共圓偉大中國(guó)夢(mèng)、建設(shè)亮麗內(nèi)蒙古”的美好愿景上，使綠色減排、低碳環(huán)保的生活方式為更多人所知所行，將“綠水青山就是金山銀山”的理念深深地烙印在每一個(gè)中華兒女的心間，為環(huán)保藍(lán)圖下的生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)自己應(yīng)盡的力量。迎接生態(tài)大考，打好生態(tài)硬仗，定能播惠于子孫后代，貢獻(xiàn)于人類可持續(xù)發(fā)展，以生態(tài)文明之光照耀前行道路。人不負(fù)青山，青山定不負(fù)人！