环保蓝图下的电子电路设计

韩逸雪，杨宏业

内蒙古工业大学航空学院，内蒙古 呼和浩特，010051

0 引言

生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计，让山川林木葱郁，让大地遍染绿色，让天空湛蓝清新，让河湖鱼翔浅底，让草原牧歌欢唱，这是为建设美丽内蒙古擘画的美好蓝图，也是实现永续绿色发展的根本要求。当今时代，绿色循环低碳发展已成为科技革命和产业变革的重要方向。绿色生态是内蒙古的最大优势及最响亮的品牌，依托绿色资源，发展绿色经济，推进绿色转型，大有潜力可挖。

绿水青山就是金山银山，保护环境人人有责。模范践行“勤学修德明辨笃实、爱国敬业低碳环保”必须从我做起。本文将结合“太阳能智能路灯照明系统”电子技术课程设计内容，探讨如何在专业实践中贯彻践行绿色环保、节能降耗的理念。

1 设计方法

碳中和的时代下消费类电子产品如何做到低功耗，是摆在我们电子信息类专业人员面前的首要问题。电子电路的设计方法可分三类：一是利用智能芯片实现，如单片机，CPLDFPGAD；二是用中小规模集成电路实现；三是用分立元器件进行设计，但因其电路复杂，设计周期长，功耗大，现已被淘汰。

从降低电路功耗的角度来看，首先要考虑的就是第一类方法。因为它是利用单片机设计来实现对电子产品的优化制作，所以此种方法堪称首选。它不仅在设计过程中可以选择可睡眠可唤醒的具有低电压的低功耗智能芯片，而且还可以通过软件代替硬件来实现某些电路功能，这样可使耗电量大大降低，从而实现节能降耗。尽管每个电子产品的节电量并不是很多，但积土成山、积水成渊，如果成千上万个电子产品进行节能降耗，那么最终的节电量也将汇成江河。

其次就是采用第二类方法。用中小规模集成电路而非分立元器件实现。它又可分为两种，一种是使用小规模集成电路“与或非门”门电路来实现，另一种是使用中规模组合逻辑电路进行设计，如138译码器、数据选择器、加法器、存储器等。鉴于本次案例是电子技术课程设计，所以在此仅以第二类方法为例进行分析说明。通过使用中小规模集成电路实现功耗的降低，既可擘画电子电路设计的环保蓝图，也能够很好的验证我们是如何将所学专业知识技能与践行绿色环保理念完美契合的。内化于心，外化于行，用所学去助力保障生态环境安全，造福社会。

2 设计案例

首先，“太阳能智能路灯照明系统”这个题目就非常吸睛，它彰显了绿色环保、节能降耗的主旨思想；其次，在该设计要求中，除技术要求外，它不仅特意提出了低功耗的设计要求，而且还把该要求作为第一条要求。这在以往的设计中是没有的，自然这也是我在大学学习期间首次见到的。它属于一种全新的开创性做法，这已不仅仅是对专业技术的挑战了，更是对思想认识的挑战，因为这种创新能够很好地体现出一个人的家国情怀。

太阳能智能路灯照明系统设计要求如下。

（1）绿色环保：低功耗。

（2）路灯：LED节能灯。

（3）逻辑控制电路要求。在白天，单片机检测到太阳能电池电压处于正常工作状态时，太阳能电池板给蓄电池充电。因为太阳能电池板在低输出电压阶段具有电流源特性，所以用它作电源时，可以不考虑负载的过流问题，但要在主回路内串入二极管以防蓄电池对太阳能电池板的反向放电。在夜间，单片机检测到太阳能电池无输出,即太阳能电池停止工作时，会自动开启放电电路点亮路灯照明。此时，蓄电池内储存的电能将会为路灯供电。若蓄电池电量不足,则会停止供电照明[1]。以上逻辑功能用集成门电路或中规模组合逻辑电路实现。

（4）单片机Arduino。利用单片机采集太阳能光伏电池板两端的电压以及蓄电池两端的电压，并从单片机I/O口输出A、B、C三路控制信号。由单片机2、4、7引脚引出的A、B、C三路作为逻辑控制电路的输入，分别代表“过放/未过放”、“过充/未过充”、以及“白天/黑夜”。电路框图如图1所示。

图1 单片机Arduino 电路框图

2.1 系统组成与原理

太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点正得到迅速的推广应用，在偏远无电地区，太阳能照明系统则具有更广泛的应用前景[2]。

太阳能智能路灯照明系统通常由单片机、太阳能电池、蓄电池、照明灯具、逻辑控制电路这几部分组成。太阳能智能路灯照明系统主电路如图2所示。

图2 太阳能智能路灯照明系统主电路

太阳能智能路灯照明系统在运行中包括充电、放电（供电照明）两种工作状态[2]。

（1）太阳能电池（100W单晶硅光伏板）。太阳能电池又称太阳能光伏板，是整个系统的电能源泉。在白天的光照下，太阳能电池将其所接受的光能转化为电能，经充电电路对蓄电池充电，随后送往蓄电池存储起来；天黑后，太阳能电池则会停止工作，继电器断开太阳能光伏板与蓄电池的连接，充电停止。

（2）蓄电池（40Ah铅酸）。蓄电池不仅是太阳能智能路灯照明系统的储能装置，还是所有智能控制电路的电源，保障全天的电源供给。白天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换成化学能进行储存，到夜间再转换回电能输出到照明负载[3]。

（3）照明灯具。照明灯具选取AU-LS-98WLED路灯，其为寿命长、发光效率高的LED节能灯，从而提升照明效率、实现绿色环保。

2.2 逻辑控制电路设计

（1）用小规模“与或非门”门电路设计。根据设计要求，逻辑变量定义如下。

由单片机2、4、7引脚引出的A、B、C三路作为门电路的输入，分别代表着“过放/未过放”、“过充/未过充”、“白天/黑夜”，三路输入分别对应着八种不同的情况，而S1、S2则代表着“充电/不充电”和“灯亮/灯不亮”两路输出。

在夜间（C=1），S1全部处于断开的状态（S1=0）。在系统既不过充也不过放时，蓄电池可以正常为电灯供电，S2闭合，灯亮（S2=1）；当系统不过充但是过放时，蓄电池无法继续为电灯供电，需要将S2断开，灯灭（S2=0）；当系统过充但是未过放时，蓄电池可以继续为电灯供电，所以S2将继续保持闭合的状态，灯亮（S2=1）；当系统过充与过放同时发生时（实际上不可能会发生），蓄电池不可以继续为电灯供电，S2需要保持断开的状态，灯灭（S2=0）。

在白天（C=0），蓄电池不会为电灯供电，S2始终处于断开的状态（S2=0）。当系统既不过充也不过放时，系统处于正常工作状态，太阳能光伏板可以为蓄电池供电，S1闭合，充电（S1=1）；当系统不过充但是过放时，太阳能光伏板还可以继续为蓄电池充电，S1闭合（S1=1）；当系统过充但是未过放时，太阳能光伏板无法继续为蓄电池供电，S1断开，不充电（S1=0）；当系统过充与过放同时发生时(实际上不可能会发生)，太阳能光伏板无法继续为蓄电池充电，S1、S2同时断开，不充电（S1=0），同时灯也不会亮（S2=0）。

根据如上分析可得到逻辑功能真值表，如表1所示。

表1 逻辑功能真值表

由真值表可得逻辑表达式如下：

经过化简可得：

由小规模“与或非门”门电路构成的逻辑电路图如图3所示。

图3 小规模“与或非门”门电路逻辑图

（2）用中规模组合逻辑电路74LS138设计。74LS138是3线-8线译码器，如图4所示，其工作原理如下：A2、A1、A0是三位二进制代码输入端，Y0-Y7为输出端，且低电平有效。当一个选通端G1为高电平（G1=1），另两个选通端（G2A和G2B）为低电平时（G2B+G2A=0），译码器处于工作状态，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出；否则，译码器会被禁止，将所有的输出端锁在高电平。

图4 塑封双列直插式74LS138 管脚封装图

根据真值表可得，使用74LS138设计的逻辑表达式如下：

由化简可得：

由中规模74LS138译码器构成的逻辑电路图如图5所示。

图5 74LS138 译码器逻辑电路图

（3）两种设计方法的比较。从所需元器件数量上来看：门电路需五个非门以及两个与非门，而中规模集成电路只需一个74LS138译码器与两个74ALS00芯片。显而易见，中规模集成电路所需元器件个数更少，所以其功耗也更低[4]。

从电路连接上看：中规模集成电路高度集成，所需电路连接外部器件相比“与或非门”门电路要少，电路简单，电路工作更加可靠，故障率更低，维护成本更少。

通过上述比较得出：采用中规模集成电路设计方法，电子电路的功耗较小，更加绿色环保。

3 结语

本文通过使用小规模集成门电路与中规模组合逻辑集成电路设计太阳能智能路灯照明系统，分析比对了两种不同方案在电路连接复杂程度、芯片使用数量、特别是功耗上的异同[5]，对绿色电子电路的设计方法进行了梳理、总结，为电子信息专业同行提供了电子电路低功耗设计途径的新思路。此次课程设计从题目到内容、电气设备的选型，最后到设计方法的选择，都紧密围绕着低功耗这一目标，全方位彰显着绿色环保的理念，让我们学会了如何在电子电路设计中考虑并解决低功耗问题[6]。它不仅仅是一个简单的教学实践过程，更是一门思政课程，有着润物细无声的妙效，的确非同一般！人者，天地之所化。若反于道，坏己之境，必自灭亡也。作为具有家国情怀的当代大学生，我们要做的不仅仅是学好自身的专业知识，更重要的是要自觉地把个人梦融入中国梦，把文章写在中国的大地上，把专业知识应用在“共圆伟大中国梦、建设亮丽内蒙古”的美好愿景上，使绿色减排、低碳环保的生活方式为更多人所知所行，将“绿水青山就是金山银山”的理念深深地烙印在每一个中华儿女的心间，为环保蓝图下的生态保护和高质量发展贡献自己应尽的力量。迎接生态大考，打好生态硬仗，定能播惠于子孙后代，贡献于人类可持续发展，以生态文明之光照耀前行道路。人不负青山，青山定不负人！