環保藍圖下的電子電路設計

韓逸雪，楊宏業

內蒙古工業大學航空學院，內蒙古 呼和浩特，010051

0 引言

生態文明建設是關系中華民族永續發展的根本大計，讓山川林木蔥郁，讓大地遍染綠色，讓天空湛藍清新，讓河湖魚翔淺底，讓草原牧歌歡唱，這是為建設美麗內蒙古擘畫的美好藍圖，也是實現永續綠色發展的根本要求。當今時代，綠色循環低碳發展已成為科技革命和產業變革的重要方向。綠色生態是內蒙古的最大優勢及最響亮的品牌，依托綠色資源，發展綠色經濟，推進綠色轉型，大有潛力可挖。

綠水青山就是金山銀山，保護環境人人有責。模范踐行“勤學修德明辨篤實、愛國敬業低碳環保”必須從我做起。本文將結合“太陽能智能路燈照明系統”電子技術課程設計內容，探討如何在專業實踐中貫徹踐行綠色環保、節能降耗的理念。

1 設計方法

碳中和的時代下消費類電子產品如何做到低功耗，是擺在我們電子信息類專業人員面前的首要問題。電子電路的設計方法可分三類：一是利用智能芯片實現，如單片機，CPLDFPGAD；二是用中小規模集成電路實現；三是用分立元器件進行設計，但因其電路復雜，設計周期長，功耗大，現已被淘汰。

從降低電路功耗的角度來看，首先要考慮的就是第一類方法。因為它是利用單片機設計來實現對電子產品的優化制作，所以此種方法堪稱首選。它不僅在設計過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，而且還可以通過軟件代替硬件來實現某些電路功能，這樣可使耗電量大大降低，從而實現節能降耗。盡管每個電子產品的節電量并不是很多，但積土成山、積水成淵，如果成千上萬個電子產品進行節能降耗，那么最終的節電量也將匯成江河。

其次就是采用第二類方法。用中小規模集成電路而非分立元器件實現。它又可分為兩種，一種是使用小規模集成電路“與或非門”門電路來實現，另一種是使用中規模組合邏輯電路進行設計，如138譯碼器、數據選擇器、加法器、存儲器等。鑒于本次案例是電子技術課程設計，所以在此僅以第二類方法為例進行分析說明。通過使用中小規模集成電路實現功耗的降低，既可擘畫電子電路設計的環保藍圖，也能夠很好的驗證我們是如何將所學專業知識技能與踐行綠色環保理念完美契合的。內化于心，外化于行，用所學去助力保障生態環境安全，造福社會。

2 設計案例

首先，“太陽能智能路燈照明系統”這個題目就非常吸睛，它彰顯了綠色環保、節能降耗的主旨思想；其次，在該設計要求中，除技術要求外，它不僅特意提出了低功耗的設計要求，而且還把該要求作為第一條要求。這在以往的設計中是沒有的，自然這也是我在大學學習期間首次見到的。它屬于一種全新的開創性做法，這已不僅僅是對專業技術的挑戰了，更是對思想認識的挑戰，因為這種創新能夠很好地體現出一個人的家國情懷。

太陽能智能路燈照明系統設計要求如下。

（1）綠色環保：低功耗。

（2）路燈：LED節能燈。

（3）邏輯控制電路要求。在白天，單片機檢測到太陽能電池電壓處于正常工作狀態時，太陽能電池板給蓄電池充電。因為太陽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，可以不考慮負載的過流問題，但要在主回路內串入二極管以防蓄電池對太陽能電池板的反向放電。在夜間，單片機檢測到太陽能電池無輸出,即太陽能電池停止工作時，會自動開啟放電電路點亮路燈照明。此時，蓄電池內儲存的電能將會為路燈供電。若蓄電池電量不足,則會停止供電照明[1]。以上邏輯功能用集成門電路或中規模組合邏輯電路實現。

（4）單片機Arduino。利用單片機采集太陽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I/O口輸出A、B、C三路控制信號。由單片機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“過放/未過放”、“過充/未過充”、以及“白天/黑夜”。電路框圖如圖1所示。

圖1 單片機Arduino 電路框圖

2.1 系統組成與原理

太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優點正得到迅速的推廣應用，在偏遠無電地區，太陽能照明系統則具有更廣泛的應用前景[2]。

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

圖2 太陽能智能路燈照明系統主電路

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

（1）太陽能電池（100W單晶硅光伏板）。太陽能電池又稱太陽能光伏板，是整個系統的電能源泉。在白天的光照下，太陽能電池將其所接受的光能轉化為電能，經充電電路對蓄電池充電，隨后送往蓄電池存儲起來；天黑后，太陽能電池則會停止工作，繼電器斷開太陽能光伏板與蓄電池的連接，充電停止。

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

（3）照明燈具。照明燈具選取AU-LS-98WLED路燈，其為壽命長、發光效率高的LED節能燈，從而提升照明效率、實現綠色環保。

2.2 邏輯控制電路設計

（1）用小規模“與或非門”門電路設計。根據設計要求，邏輯變量定義如下。

由單片機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“過放/未過放”、“過充/未過充”、“白天/黑夜”，三路輸入分別對應著八種不同的情況，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全部處于斷開的狀態（S1=0）。在系統既不過充也不過放時，蓄電池可以正常為電燈供電，S2閉合，燈亮（S2=1）；當系統不過充但是過放時，蓄電池無法繼續為電燈供電，需要將S2斷開，燈滅（S2=0）；當系統過充但是未過放時，蓄電池可以繼續為電燈供電，所以S2將繼續保持閉合的狀態，燈亮（S2=1）；當系統過充與過放同時發生時（實際上不可能會發生），蓄電池不可以繼續為電燈供電，S2需要保持斷開的狀態，燈滅（S2=0）。

在白天（C=0），蓄電池不會為電燈供電，S2始終處于斷開的狀態（S2=0）。當系統既不過充也不過放時，系統處于正常工作狀態，太陽能光伏板可以為蓄電池供電，S1閉合，充電（S1=1）；當系統不過充但是過放時，太陽能光伏板還可以繼續為蓄電池充電，S1閉合（S1=1）；當系統過充但是未過放時，太陽能光伏板無法繼續為蓄電池供電，S1斷開，不充電（S1=0）；當系統過充與過放同時發生時(實際上不可能會發生)，太陽能光伏板無法繼續為蓄電池充電，S1、S2同時斷開，不充電（S1=0），同時燈也不會亮（S2=0）。

根據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式如下：

經過化簡可得：

由小規模“與或非門”門電路構成的邏輯電路圖如圖3所示。

圖3 小規模“與或非門”門電路邏輯圖

（2）用中規模組合邏輯電路74LS138設計。74LS138是3線-8線譯碼器，如圖4所示，其工作原理如下：A2、A1、A0是三位二進制代碼輸入端，Y0-Y7為輸出端，且低電平有效。當一個選通端G1為高電平（G1=1），另兩個選通端（G2A和G2B）為低電平時（G2B+G2A=0），譯碼器處于工作狀態，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出；否則，譯碼器會被禁止，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

根據真值表可得，使用74LS138設計的邏輯表達式如下：

由化簡可得：

由中規模74LS138譯碼器構成的邏輯電路圖如圖5所示。

圖5 74LS138 譯碼器邏輯電路圖

（3）兩種設計方法的比較。從所需元器件數量上來看：門電路需五個非門以及兩個與非門，而中規模集成電路只需一個74LS138譯碼器與兩個74ALS00芯片。顯而易見，中規模集成電路所需元器件個數更少，所以其功耗也更低[4]。

從電路連接上看：中規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，電路簡單，電路工作更加可靠，故障率更低，維護成本更少。

通過上述比較得出：采用中規模集成電路設計方法，電子電路的功耗較小，更加綠色環保。

3 結語

本文通過使用小規模集成門電路與中規模組合邏輯集成電路設計太陽能智能路燈照明系統，分析比對了兩種不同方案在電路連接復雜程度、芯片使用數量、特別是功耗上的異同[5]，對綠色電子電路的設計方法進行了梳理、總結，為電子信息專業同行提供了電子電路低功耗設計途徑的新思路。此次課程設計從題目到內容、電氣設備的選型，最后到設計方法的選擇，都緊密圍繞著低功耗這一目標，全方位彰顯著綠色環保的理念，讓我們學會了如何在電子電路設計中考慮并解決低功耗問題[6]。它不僅僅是一個簡單的教學實踐過程，更是一門思政課程，有著潤物細無聲的妙效，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。作為具有家國情懷的當代大學生，我們要做的不僅僅是學好自身的專業知識，更重要的是要自覺地把個人夢融入中國夢，把文章寫在中國的大地上，把專業知識應用在“共圓偉大中國夢、建設亮麗內蒙古”的美好愿景上，使綠色減排、低碳環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中華兒女的心間，為環保藍圖下的生態保護和高質量發展貢獻自己應盡的力量。迎接生態大考，打好生態硬仗，定能播惠于子孫后代，貢獻于人類可持續發展，以生態文明之光照耀前行道路。人不負青山，青山定不負人！