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硬件設計范文1
3.1管理監控系統的硬件構成
管理系統主要完成發油過程的監控及配方管理、報表顯示、查詢、打印等功能。工控機性能可靠，抗干擾能力強，在工控領域被廣泛應用。工控機可以根據控制要求，進行板卡的選型設計，從而更好的滿足設計要求，因此，在對控制要求高的系統中，選用工控機較為合理，但是，工控機的價格比較昂貴，投資成本比較高。隨著電子技術的不斷發展，計算機技術的日益成熟，通用PC機的性能完全滿足使用要求，所以在設計選型時，監控PC機和管理PC機都選用品牌機。品牌機價格適中，操作方便，內存大，人機界面友好，帶有標準的RS-232通信口、打印機接口，易于和外設相連。
3.2自動發油控制的硬件構成
自動發油控制的主要任務是接收上位機指令并對現場設備和儀表進行控制，是控制系統的核心。我們選用性能可靠、抗干擾能力強的可編程控制器。可編程控制器又稱PLC（Programmable Logic Controller）是專為在工業環境下應用而設計。PLC問世以來很快受到工業控制界的歡迎，并得到迅速的發展。目前，PLC已成為工廠自動化的強有力工具，得到了廣泛應用。
3.2.1 PLC特點
（1）可靠性高、抗干擾能力強PLC不僅CPU模塊可以設計冗余，而且系統中的模塊也可以是冗余的，這樣就極大地增加了應用系統的可靠性，除此之外，PLC從硬件上采用隔離、濾波措施有效地抑制和消除了干擾。此外，對有些模塊還設置了聯鎖保護、自診斷電路等。當故障條件出現，立刻存儲當前狀態信息，軟硬件配合封閉存儲器，禁止對存儲器進行任何不穩定的讀寫操作。從而PLC的可靠性、抗干擾能力大大提高，一般PLC平均故障間隔時間可達幾十萬小時。
（2）編程簡單、使用方便考慮到企業一般電氣技術人員和技術工人的讀圖習慣和應用微機的水平，目前大多數PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式。這是一種面向生產、面向用戶的編程方式，比較容易作人員所接受并掌握。配套的簡易編程器的操作和使用也很簡單。
（3）設計、安裝容易，維護工作量少PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，控制柜的設計、安裝接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大部分可以在實驗室進行模擬調試，用模擬實驗開關代替輸入信號，其輸出狀態可通過PLC上的發光二極管指示得知。模擬調試好后再將PLC控制系統安裝到生產現場，進行聯機調試，既安全，又快速方便。大大縮短了應用設計和調試周期。PLC故障率極低，維修工作量很小。
(4)功能完善、通用性強PLC不僅具有邏輯運算、定時、計數、順序控制等功能，而且還具有A/D、D/A轉換，數值運算和數據處理等功能。因此，它既可對開關量進行控制，也可對模擬量進行控制；PLC還具有通信聯網功能，可與相同或不同類型的PLC聯網，并可與上位機通信構成分布式的控制系統。
總之，PLC系統的基本特點是：可靠、方便、通用、低廉。
3.2.2 PLC的基本組成
PLC是微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物，是一種以微處理器為核心的用于控制的特殊計算機，因此它的組成部分與一般的微機裝置類似。整體式PLC邏輯框圖如圖3-1所示。它主要由中央處理單元CPU、輸入/輸出部件、存儲器、通信接口、I/O擴展口等部分組成。其中CPU是PLC的核心，它通過輸入裝置讀入外設的狀態，由用戶程序去處理，并根據處理結果通過輸出裝置去控制外設。輸入/輸出亦稱I/O部件，是連接現場設備與CPU之間的接口電路。存儲器主要存儲系統程序、用戶程序及工作數據。通信接口用于與編程器和上位機連接。I/O擴展口是連接I/O擴展單元與PLC本機的接口電路，主要用來擴展I/O點數。
圖3-1 整體式PLC邏輯框圖
Fig.3-1 Logic diagram of integral PLC
3.2.3 PLC的工作原理
PLC運行時，內部要進行一系列操作，大致可以分為四大類：以故障診斷、通信處理為主的公共操作，聯系工業現場的數據輸入和輸出操作，執行用戶程序的操作，以及服務于外部設備的操作。
PLC的工作過程與其它計算機系統一樣，CPU采用分時操作的原理，每一時刻執行一個操作，隨著時間的延伸一個動作接著一個動作順序地進行。這種分時操作進程稱為CPU對程序的掃描。PLC在一個掃描周期的開始，首先將物理輸入點上的狀態復制到輸入過程映像寄存器中；CPU根據映像寄存器中的輸入狀態從頭至尾執行應用程序指令并將程序執行的結果存入輸出映像寄存器中；處理通訊請求和CPU自診斷測試相繼執行；在每個掃描周期的結尾,CPU把存儲在映像寄存器中的數據寫到物理輸出點上，然后開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復始地重復掃描循環[4]。
3.2.4自動發油控制的S7-200PLC配置
在本課題中，根據自動發油控制系統的特點和要求，我們選擇西門子公司的S7-200CPU226作為下位機。S7-200PLC配置有以下幾點： （2）輸入濾波器可以為本機開關量輸入點選擇輸入濾波器，并可定義延遲時間（0.2-12.8ms）。這個延遲時間有助于濾除輸入噪聲，以免引入輸入狀態不可預測的變化。輸入濾波器是CPU配置數據的一部分，可下裝而且存儲在CPU存儲器中，可以通過STEP7下的System Block選項來選擇輸入濾波器選項。
（3）脈沖捕捉，每個本機開關量都具有脈沖捕捉功能。它可以讓PLC捕捉到持續時間很短的高電平脈沖或低電平脈沖。在正常掃描下，CPU不是總能讀取到這樣的開關量輸入。當一個輸入端子設置為脈沖捕捉時，輸入端的狀態變化被鎖存并一直保持到下一個掃描循環刷新周期。用這樣的方法，一個持續時間很短的脈沖信號被捕捉到，并保持到CPU讀到該輸入信號為止，以確保不丟失脈沖。
（4）設置輸出狀態，在PLC的循環掃描執行過程中，隨機或突然的不明原因的停機是不可避免的，此時要求PLC停機后的輸出狀態要能夠保證被控設備處于安全狀態。為此，S7-200PLC為輸出點提供了兩種保持性能：一種是預置開關量輸出點在CPU變為STOP方式后為已知值；另一種是設置開關量輸出保持CPU變為STOP方式之前的狀態。
（5）高速I/OS7-200為控制高速事件提供了高速I/O。S7-200CPU具有高速計數器功能,這些計數器可以記錄20kHz的事件，并不影響CPU的性能[5]。
CPU226提供了6個高速計數器，每個 高速計數器有12種模式。不同高速計數器的不同模式占用PLC的特定的I/O口。本控制系統中采用高速計時器來計算流量計的高速脈沖數，用于計算發油質量和流量。 表3-1I/O分配及說明
Table3-1 Input or output configuration and illustration I1.0 I2.0 靜電接地檢測儀 靜電接地夾夾緊檢測 I1.2 I2.2 溢油檢測儀 油面溢出檢測 I1.4 I2.4 傳感器 鶴管復位檢測 I1.6 I2.6 開關 啟動（停止）發油
表3-1I/O分配及說明
Table3-1 Input or output configuration and illustration （續） I0.0 I0.1 流量計 流量采集 Q1.1 Q2.1 指示燈 靜電報警 Q1.3 Q2.3 指示燈 氣體檢測報警 Q1.5 Q2.5 指示燈 發油運行指示 Q1.7 Q2.7 電液閥 電液閥常閉 Q0.3 Q0.4 指示燈 模塊電源錯誤指示
Q0.5 Q0.6 指示燈 超差報警指示 3.2.5 S7-200與PC機通信
1）PC機與PLC聯網通信條件
從原則上講，只要為PC機配備該種PLC網專用的通信卡以及通信軟件，按要求對通信卡進行初始化，并編制用戶程序即可。帶異步通信適配器的PC機與PLC只有滿足如下條件才能聯網通信： (2)雙方初始化設置，如波特率、數據位數、停止位數、奇偶校驗方式等。
(3)用戶必須熟悉互連的PLC及PLC網絡采用的通信協議。嚴格按照通信協議為PC機編寫通信程序。PLC一方不需要用戶編寫通信程序。
2）PC與PLC通信的結構形式
用戶把帶異步通信適配器的PC機與PLC互連時通常采用下圖所示的兩種結構形式。一種為點對點結構，PC機的COM口與PLC的編程器接口即PG口（其他異步通信口）之間實現點對點鏈接。另一種為多點結構，PC機與數臺PLC共同連在同一條串行總線上，多點結構采用主從式存取控制方式，通常以PC機為主站，數臺PLC為從站，通過周期輪詢進行通信管理。這種多點結構又稱主從式結構。本系統由一臺PC機作監控主站，三臺PLC作從站，采用PPI通信協議。PC機與PLC之間通過RS485總線連接，由于PC機的串口是RS232,S7-200PLC的串口是RS485,所以二者之間要通過PC/PPI通信電纜進行連接。
圖3-2PC-PLC多點通信結構
Fig.3-2PC-PL Cmultiple-point communication structure
組態王軟件支持S7-200PLC的PPI通訊協議，在系統搭建時，只要通過參數設置就可以實現通訊。系統的通信結構如圖3-2所示。
3）PC/PPI電纜 進行通信時，若數據從RS232向RS485傳輸，則電纜是發送狀態，反之是接收狀態。接收狀態與發送狀態的相互轉換需要一定時間，稱為電纜的轉換時間。轉換時間與所設置的波特率有關，他們之間的關系見表3-2。通常情況下，電纜處于接收狀態。當檢測到RS232發送數據時，電纜立即從接收狀態轉換成發送狀態。若電纜處于發送狀態的時間超過電纜轉換時間時，電纜將自動切換為接收狀態。
表3-2 開關設置與波特率的關系
Table 3-2 Relationship of the switch institution and baud rate 000 38400 0.5 010 9600 2
011 4800 4 101 1200 14 3.3 電液閥選擇和功能實現
3.3.1發油系統對控制閥的要求
在發油過程中，由于控制閥的突然開關，容易造成管道中的壓力在一瞬間會突然升高，產生很高的壓力峰值，這種現象稱為“水擊”或“水錘”現象。“水擊”產生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，且常伴有巨大的振動和噪聲，使液壓系統產生溫升，有時會使一些液壓元件或管件損壞，并使某些液壓元件（控制閥、流量計等）產生誤動作，導致設 備損壞[7]。因此，發油自動化控制系統控制的主要目標之一，就是盡可能的消除、減小發油開始和累計發油量達到設定時，控制閥的突然開關而產生的“水擊”現象。除此之外還要求控制閥能達到以下要求:
（1）能較好地解決過沖問題，重復性誤差?。?/p>
（2）能適應各種發油工藝，包括流速不穩定的單支和多支管路；
（3）防止噴濺式進油；
（4）啟閉工作可靠、無泄漏，便于維護；
（5）低電壓，低功耗，控制較簡單。
3.3.2電液閥選擇
從控制的角度上理解，氣動閥，電動閥、電磁閥、多段電液閥等可遙控閥門都可以作為發油控制閥。但為了保證系統的可靠性，提高發油精度，從性價比綜合考慮，我們選擇了數字式多功能電液閥。
數字式多功能電液閥特別適用于石油化工行業，以實現對輸送介質的流量、流速的自動控制。其主要的性能特點為:多段開閉，消除水擊及靜電；可控調節，實現恒流；無填料密封，密封可靠；利用介質壓力，壓力損失小；獨立的開閥、關閥速度控制；控制回路簡單，維修方便；可水平、垂直安裝，適用范圍廣；電磁閥控制觸點電壓可選直流24V或交流220V/50Hz。
3.3.3多功能電液閥工作原理
數字式多功能電液閥由主閥、一個常開電磁閥、一個常閉電磁閥組成。常開電磁閥在控制回路逆流部位，常閉電磁閥在控制回路順流部位，如圖3-4所示。在兩只電磁閥的激勵下，高的逆流壓力被堵塞，閥套中的介質流向低的順流壓力處，模片兩端產生壓差，主閥被打開。反之，在消除掉兩只電磁閥的激勵的情況下，允許高的逆流壓力去關閉主閥門。在流動過程中常開電磁線圈通電同時常閉電磁線圈斷電以后，壓力截聚在閥套中，從而使得閥門鎖定在打開位置，保持一個恒定的流量。當工作條件變化而引起流量變化時，控制器給相應的電磁線圈通電，就能重新調到設定的流量值。
圖3-4 多功能數字電液閥結構圖
Fig.3-4 Structure diagram of multifunction digital electro-hydraulic valve
3.4流量計的選擇及功能實現
3.4.1流量計的選擇
目前，石化行業廣泛使用的流量計主要有兩種。一是體積式流量計另一種是質量流量計。體積式流量計分為：容積式流量、差壓式流量計、速度流量計。質量流量計分為：推導式質量流量計和直接式質量流量計。
LTC系列橢圓齒輪流量計是用于管道中液體流量進行連續測量的高精度容積流量。其優點是:測量精確度較高，可達到的相對誤差為士0.1～士0.5％，從理論上講，不受流體種類、粘度、密度以及前后直管段長度的影響；范圍度較大，精確度0.5級時可達1：10,容易獲得準確的累積量，適合作為物料計量儀表。本控制系統中我們選用LTC系列橢圓齒輪流量計。
3.4.2 LTC系列橢圓齒輪流量計的基本組成
LTC系列橢圓齒輪流量計結構如圖3-5所示。本體部——流量計的計量部分,由轉子和殼體及蓋板組成。磁性密封聯軸器——流量計本體與調速器的密封聯接部分,有磁性密封聯軸器和機械密封聯軸器兩種,常用磁性密封聯軸器。調速器——流量計轉子轉數輸出的減速齒輪機構。計數器——記錄流經流量計的流體累積體積流量的讀數器。發信器——將被測介質的流量信號轉換為電脈沖信號的機構,輸出的脈沖信號為電壓脈沖信號或電流脈沖信號。
圖3-5 LTC 系列橢圓齒輪流量計結構圖
Fig. 3-5 Structrue diagram of LTC ellipse- flowmeter
3.4.3 LTC系列橢圓齒輪流量計工作原理
橢圓齒輪流量計是最典型的容積式流量計，其工作原理見圖3-6。安裝在殼體計量腔內的一對相互嚙合橢圓齒輪,在被測介質的作用下,靠進出口壓力差的作用相互交替驅動,各自繞自己的軸旋轉,從而不停地將進口處的液體經月牙形腔體送到出口。橢圓齒輪轉一圈流量計排出四倍月牙形腔體的液體,流經流量計的流量與橢圓齒輪的轉數成正比,通過計數轉換機構,直接在計量器上讀出流經流量計的累積體積量。在計數機構中還可以安裝脈沖發信器，齒輪的轉速通過變速機構直接驅動機械計數器，通過電磁轉換裝置轉換成相應的脈沖信號。當油品流過流量計時，流量計便發出一定的脈沖，控制器對脈沖進行通過運算處理，得到流量值。
圖3-6 LTC 系列橢圓齒輪流量計工作原理圖
Fig.3-6 Schematic diagram of ellipse flowmeter
3.5 系統硬件的連接
控制系統由S7-200PLC及EM231（A/D）模塊、數字式多功能電液閥、流量計、溫度變送器、靜電接地儀、溢油保護等組成。系統結構見圖4-1。
硬件設計范文2
數字鐘硬件設計單片機
1單片機最小系統
單片機最小系統是由電源、復位、晶振、/EA=1組成的。Vcc（40）為電源端引腳，GND（20）為接地端引腳，工作電壓為5V。晶振引腳XTAL1（19）、XTAL2（18）。
引腳XTAL1作為片內振蕩器的反相放大器輸入端，引腳XTAL2則是輸出端，使用內部方式時，時鐘發生器將會對振蕩脈沖進行二分頻，如果晶振頻率是12MHz，那么時鐘頻率就是6MHz。晶振的頻率選擇范圍是1MHz-24MHz之間。電容大小選30PF左右。使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應直接應用引腳XTAL1，但是XTAL2引腳懸空。AT89C51單片機內部有一個高增益反相放大器，振蕩器就是用它構成的。引腳XTAL1是輸入端，引腳XTAL2則是輸出端。因為震蕩器的穩定性、頻率的高低、起振的快速性和溫度的穩定性受電容大小的影響。所以此系統的晶體振蕩器的值為12MHz，電容值約為22μF。為了減少寄生電容，在焊接刷電路板時，應將晶體振蕩器和電容盡可能的焊接在與單片機芯片相近的部位，這樣才能更好地保證震蕩器穩定和可靠地工作。
2 LED顯示電路
顯示器一般用于直觀地顯示數字系統的運行狀態和工作數據，顯示器按照材料及產品工藝的分類可分為：發光二極管LED顯示器、液晶LCD顯示器、CRT顯示器等。LED顯示器是現在最常用的顯示器之一。
發光二極管英文簡稱LED，它是由料砷化鎵、磷砷化鎵等特殊的半導體材制成，既可以單獨使用，也可以組裝成分段式或點陣式LED顯示器件。分段式顯示器（LED數碼管）是由7條發光二極管線段圍成的8字型。外加正向電壓時二極管導通，發出清晰的光。因此只要按照一定的規律控制各發光段點亮、熄滅，就可以顯示各種字形或符號。
數碼管使用條件：段、小數點上加限流電阻；使用電壓根據發光顏色決定；小數點：根據發光顏色決定；使用電流：靜態：總電流 80mA（每段 10mA）；動態：平均電流 4-5mA峰值電流 100mA。
數碼管使用注意事項說明：（1）數碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；（2）焊接溫度：260度；焊接時間：5S；（3）表面有保護膜的產品，可以在使用前撕下來。
實時時間的顯示需要顯示電路顯示模塊來完成，即顯示時、分、秒，因此需要6個數碼管，另外還需要兩個數碼管來顯示橫。顯示電路采用動態顯示方式顯示時間，時的十位在第一個數碼管顯示，個位在第二個數碼管顯示，分的十位在第四個數碼管顯示，個位則在第五個數碼管顯示，秒的十位和個位分別在第七個和第八個數碼管顯示，剩余的數碼管顯示橫線。LED顯示器的顯示控制方式按驅動方式可分成靜態顯示方式和動態顯示方式兩種。對于多位LED顯示器，通常都是采用動態掃描的方法進行顯示。
3校時電路
數字鐘應該具有分校時和時校時功能，因此，應截斷分個位和十位的直接信號可直接取自信號發生器產生的信號；輸出端與分或者時的個位計時輸入端相連。當開關撥到一端時，正常輸入的信號可以順利通過，校時電路正常計時；當開關撥到另一端時，信號產生，正常輸入的信號不能順利通過，校時電路處于校時狀態。
所以當電子鐘接通電源或者計時存在誤差時，都需要對時間進行校正。校時電路對時、分分別進行校準。因為每一個機械按鍵都具有抖動現象，所以用RS觸發器作為去抖電路。采用RS基本觸發器及單刀雙擲開關，閘刀常閉于2點，每搬動一次產生一個計數脈沖，實現校時功能。
4鍵盤檢測原理
鍵盤實際上就是一組按鍵，在單片機電路中，通常用到的按鍵都是機械彈性開關，當開關閉合時，線路導通，開關斷開時，線路斷開。
單片機檢測按鍵的原理是：單片機的I/O口既可以作為輸出也可作為輸入使用，當檢測按鍵時，它啟用的是輸入功能，把按鍵的一段接地，另一端與單片機的某個I/O口相連，開始時先給該I/O口賦一高電平，然后讓單片機不斷地檢測該I/O是否變為低電平，當按鍵閉合，也就是當該I/O口通過按鍵與地相連變為低電平，此程序就會檢測到I/O口變為低電平，說明按鍵被按下，然后執行相應的指令。
將理想波形同實際波形比較，會有一定的差別，實際波形在按下和釋放的瞬間都會出現抖動現象，抖動時間的長短與按鍵的機械特性有關，一般為5～10ms，通常我們手動的從按下鍵到釋放按鍵，這一過程按鍵閉合的時間會超過20ms。因此單片機在檢測鍵盤是否按下時要加上去抖動操作，通常我們用軟件延時的方法就能很容易解決抖動問題。
5鍵盤與AT89C51的連接電路
鍵盤接口是主機與鍵盤聯絡的端口，主機與鍵盤之間的通信，實際上是鍵盤接口與鍵盤的通信。PC主機通過設定數據線和時鐘線的工作狀態去指引鍵盤收取和發送數據：時鐘線為低電平時，禁止鍵盤傳送數據；時鐘線為高電平，數據線為低電平時，通知鍵盤接受命令或參數；時鐘為高電平，數據線也為高電平時，則允許鍵盤傳送數據。
這種設計是需要校對時間的，所以加上三個按鍵來實現時間的校對。其中P3.0和P3.1接口分別與主機鍵盤接口的時鐘線CLK和數據線DATA相連。通過按khour來調節小時的時間，而分針時間的調節則通過按kmin來實現，調節秒的時間則是按ksec來實現的。
6復位電路
當振蕩器運行且高電平出現在此引腳達到兩個機器周期以上的時，單片機就會復位，只要這個腳保持高電平，51芯片將會循環復位。復位后P0-P3口均置1引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變為低電平時，芯片為ROM的00H處開始運行程序。
片外復位是通過外部的復位電路來實現的。而片內復位電路則是引腳RST通過一個斯密特觸發器與復位電路相連，斯密特觸發器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5P2，由復位電路采樣一次。
復位電路通常采用的復位方式有以下兩種：
上電復位：接通電源后利用RC充電來實現復位，電容C在電源剛接通時對下拉電阻開始充電，由于電容兩邊電壓不能突變，所以RTS端保持高電平，只要這個充電時間不超過1ms，理論上一般都是可以實現對單片機的自動上電復位，如果沒有特殊要求，在實際的工程應用中一般都采用這種復位方式。
硬件設計范文3
關鍵詞：太陽能；單片機89C54RD+；舵機；光電檢測電路
中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 16-0000-02
Solar Tracking Controller Hardware Design
Zu Hualong
(HeFei University of Technology,Hefei230061,China)
Abstract:In order to more fully and efficient use of solar energy,it is commonly used to track the sun’s trajectory to maximize output power.This article describes the solar tracking system control theory and the system hardware components and control algorithms.The design of a tracking and simple structure,and reliable control of dual-axis solar tracking system,improves the utilization of solar energy.And through tests of this solar tracking system by using a flashlight as the sun,it is proved that the system can work well.The whole system design includes two parts:hardware design and software design.The 89C54RD+ I/O configuration,8-bit analog-to-digital converter signal processing unit,photodiode intensity circuit,EEPROM circuit,LED diodes display circuit,the power supply circuit,and the serial communications circuit were designed in the hardware consideration.While the MCU control,the monitoring program,the PC monitoring and the data―handling program which developed in the software platform of Keil uVision 2.0 were concerned in the software design.And at last,two electric steering engines are used to drive double-axis tracking device which can control the azimuth and altitude angle of the cell board.
Keywords:Solar energy;MCU 89C54RD+;Electric steering engine;Photodiode intensity circuit
一、引言
課題來源及意義
本課題來源于大學生創新實驗計劃校級項目《太陽能跟蹤定位系統開發》。成果已經做成實物，可以演示。
二、太陽能跟蹤方案選擇
（一）常用的太陽能跟蹤控制方法比較
常用的太陽能跟蹤控制方法一般有三種；勻速控制方法、光強控制方法和時空控制方法。
本設計采用的是光強控制方式，用兩個光敏二極管檢測水平方向的信號，再用兩個二極管檢測豎直方向的信號，從而實現在水平方向和豎直方向兩個方向上的跟蹤。
（二）機械結構設計
機械部分主要由支架、底座、兩轉動軸和舵機構成，可同時在方位角和高度角兩個方向上跟蹤。機械裝置由舵機驅動，可以使電池板在水平方向上的0-180°和垂直方向上的+90~-90°之間自由旋轉。單片機送出方位角和高度角電機的正反轉控制信號，這樣就構成了方位角和高度角的跟蹤機構。
三、系統的硬件設計
硬件是實現各種功能的基礎，軟件發揮功能要依賴硬件的支持。硬件的可靠性直接關系到整個系統的可靠性。
（一）系統的總體硬件框圖
圖3.1描述了系統的總體框圖：
圖3.1系統總體框圖
本系統采用STC89C54RD+作為核心控制器，主要由以下幾個部分構成：M3）LCD顯示電路（4）LED系統狀態顯示電路（5）串行通訊電路（（8）復位電路，以下各小節將對重點電路進行詳細的介紹。所有的電路都是使用Protel進行繪制。
（二）串口通訊電路
這里使用的串口通訊標準是RS-232-C，與計算機相連，下載計算機寫好的代碼程序給單片機。而單片機的電平標準卻是TTL電平，所以需要一個電平轉換電路，這里使用MAX232通訊電路，實現對TTL和EIA電平的相互轉換。如圖3.2：
圖3.2 串口通訊電路圖3.3電源供電電路
（三）電源供電電路
電路外接電源從J9輸入，整流二極管IN4007起到防止電源反向，以及給外加電源濾波的作用，緊接著接入三端穩壓器MC7805T的Vin端，三端穩壓器電壓輸入端Vin需要一個C3電容10uF的電容進行濾波，GND管腳接地。
（四）光電檢測電路
本設計使用兩個光敏二極管作為光強的檢測元件，每個光敏二極管分別接一個總阻值為10K大小的可調電阻以及5V電壓，作為一路光強檢測電路。隨著手電筒模擬太陽位置的變化，即不同光敏二極管感受太陽光的光強變化，光敏二極管的阻值會相應改變，則加在光敏二極管兩端的電壓也會改變，則加在可調電阻兩端的電壓也肯定會產生變化。在可調電阻固定一個阻值大小的情況下，手電筒在不同位置，則電阻兩端的電壓也會不同；同時，手電筒固定一個位置，由于兩個光敏二極管想對于光源的位置和角度也不相同，則必然會導致兩個光敏檢測電路可調電阻輸出的電壓不同。將這一對電路各自的可調電阻的電壓輸入到一個AD620儀用放大器。AD620的輸出再接到ADC0809中，進行模數轉換。整體電路原理圖如圖3.4：
（五）液晶顯示電路
本設計使用LCD1602芯片，各個字符的段碼液晶顯示屏是以若干個5*8或5*11點陣塊組成的顯示字符群。每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點的寬度。主控制驅動電路為HD44780 CHITACHI及其他公司全兼容電路。液晶顯示電路如圖3.5：
圖3.4 光電檢測電路圖3.5液晶顯示電路
本設計P2^0到P2^7管腳直接與液晶的八個數據口相連接。P3^2控制RS管腳，P3^3控制R/W管腳，P3^4控制E管腳，背光源正極BLA接5V電源，背光源負極BLK接地，VSS接地，VDD接5V電源，V0液晶顯示偏壓接一個10K的滑動變阻器，可以調節顯示的對比度。由此十一條控制命令可以知道，只要控制RS，R/W，D0-D7十個管腳，外加上一個使能信號E，就可以對液晶屏進行任意的寫入數據和讀出數據的控制。液晶顯示屏的作用在于將光敏電路實時采樣得到的光強數據，即兩個AD620儀用放大器采樣到的電壓差值，通過ADC0809模數轉換傳入CPU之后，顯示到液晶屏上，這樣可以對兩路光強信號進行實時了解。
（六）模數轉換電路
本設計采用的模數轉換器件是ADC0809，它是CMOS的8位A/D轉換器，片內有8路模擬開關，可控制8個模擬量中的一個進入轉換器中。ADC0809的分辨率為8位，轉換時間約100us，含鎖存控制的8路多路開關，輸出有三態緩沖器控制，單5V電源供電。
ADC0809引腳連接
ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。IN0～IN7：8路模擬量輸入端。本設計只用了IN0和IN1兩路通道，分別采集水平方向的電壓差值模擬量和垂直方向的電壓模擬量，IN0接第一個AD620的OUT端口；IN1接第二個AD620的OUT端口。其他六個輸入通道，全部懸空。因此，只需要在IN0和IN1之間進行選擇。如果要選擇IN0和IN1通道，C地址線總是置為低電平，B地址線業總是為低電平，A地址線為低電平和高電平，為了方便擴展到四路輸入，而且為了節約單片機引腳的使用，將C地址線直接接地，而A地址線接單片機的P1^3口，B地址線接單片機的P1^4口，進行地址選擇。本設計ADC0809接線圖如圖3.6：
圖3.6ADC0809的電路接線圖
參考文獻：
[1]吳國鳳.C語言程序設計教程[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2005
[2]肖玲妮,袁增貴.Protel 99 SE印刷電路板設計教程[M].北京:清華大學出版社,2003
[3]楊將新,李華軍,劉東駿.單片機程序設計及應用從基礎到實踐[M].北京:電子工業出版社,2005
[4]蔣廷彪.單片機原理及應用（MCS-51）[M].重慶:重慶大學出版社,2006
[5]康華光.電子技術基礎模擬部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1998
[6]閻石.數字電子技術基礎（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1998
[7]于海生.微型控制計算機控制技術[M].北京:北京清華大學出版社,1998
[8]張洪潤.單片機應用設計200例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006
[9]徐愛鈞,彭秀華.Keil Cx51 V7.0單片機高級語言編程與uVision2應用實踐[M].北京:電子工業出版社,2004,6
[10]樊峰鳴,馬良濤.單軸太陽能跟蹤系統的研究[J].河南城建高等專科學校學報,2000,9,3
[11]向平,程建民,畢玉慶.碟式太陽能跟蹤裝置的結構沒計和動力分析[J].機械設計與制造,2009,9
[12]鄭阿奇.Visual C++實用教程（第二版）[M].北京:電子工業出版社,2003
[13]向平,高沽,張晉.基于ARM7的太陽能跟蹤控制系統硬件[J].機械與電子,2009,11
[14]戴訓江,晁勤.太陽能單軸跟蹤系統的PLC設計[J].可再生能源,2008,6
硬件設計范文4
關鍵詞：FPGA；原理；硬件設計；應用技術
1 FPGA的簡介
當前使用硬件的描述語言完成電路設計，都可以通過簡單的匯總和合理的布局，然后快速燒錄到FPGA器件上進行基本的測試，這也是當代數字系統設計進行檢驗的主流技術。這些可編程器件可以用來實現基本邏輯門的電路，也可以實現一些更復雜的組合功能例如數學的方程式、解碼器等等。大多數的FPGA器件里，包含著一些記憶性元件，如觸發器，或者一些其它的更為完整、性能更為優越的記憶塊。
設計師可以根據自己的需要按照可編輯的鏈接將FPGA器件內部的邏輯模塊連接在一起，仿佛一整個電路的實驗板被裝在一個電子芯片內，這些出廠后的FPGA器件的連接方式以及邏輯塊的使用都可以根據設計者不同的設計而進行改變，從而能完成不同的邏輯功能。
當你在進行的電子設計使用到FPGA器件時，你不得不需要努力地解決好電源管理、器件配置、IP集成、完整信號輸出等硬件系統的設計問題。在進行硬件設計時，你需要注意以下幾個問題：
1.1合理分配I/O信號
無論是哪種情況，在進行I/O信號分配時，都必須牢記以下共同的步驟：
1）用表格列出所有需要分配的I/O信號，并按照他們的重要性依次進行排列，比如電壓、端接方法、I/O標準、相關時鐘等；
2）檢查校驗模塊之間的兼容性；
3）利用以上的表格和兼容準則，先把受限制最大的信號分配到引腳上，最后分配那些受限最小的信號。因為受限制大的信號往往只能分配到特定的引腳上；
4）將剩余的信號分配到較為合適的地方。
1.2注意靜態功耗的降低
雖然靜態電流所帶來的功耗和動態功耗相比可以忽略不計，但對一些供電設備卻十分重要。引發靜態電流因素眾多，比如沒有完全接通或關斷的I/O 端口、三態電的驅動器的下拉或上拉電阻，除此之外，保持編程信息也會需要一定靜態功率。
2 FPGA應用技術的設計原則
從上文中對FPGA內部的硬件結構分析可看出，FPGA器件的時序邏輯非常豐富，不同于其他的可編程器件。因而對于FPGA來說，應該有一整套能夠有效利用其內部豐富的時序邏輯功能的技術，而不同于其他一般的可編程器件的設計技術。由于其獨特的優越性，FPGA被越來越多的設計人員所使用，其設計技術被許多的設計者所掌握。在FPGA的實際應用中，使用最合理的設計方法，能很大程度的改善FPGA在應用中出現的漏洞和問題，進而全面提高設計性能。
2.1使用層次化的設計技術
使用層次化的設計的系統一般分成若干頂層模塊，而每一個頂層的模塊下又有若干個小模塊，并以此類推。層次化的設計模塊，可以是描述原理圖的結構圖，也可以是經過邏輯語言所描述、表現的實體。
使用層次化的設計對于系統的模塊劃分非常的重要，模塊劃分的不合理，將會導致整個系統的設計不合理，從而使系統的性能下降，這樣層次化的系統甚至要比沒有經過層次化設計的系統效果更差。
使用層次化設計的主要優點有以下兩個方面：增強設計可讀性，增加設計重復使用的可能性。
2.2使用同步系統設計技術
所有時序電路具有同一個性質――如果要使所設計的電路正常工作，必須嚴格的執行事先定義好的邏輯順序。如果不按照此順序執行，將會把錯誤數據寫進存儲單元，從而導致錯誤的操作。同步系統的設計方法，也就是使用全分布周期性的同步信號使系統中所有的存儲單元進行同時更新，這是執行這一時序有效進行的普遍的設計方法。電路的設計功能是通過產生時鐘信號并按照時序嚴格執行來實現的。
對于靜態的同步設計，必須滿足下面的兩個條件：
1.每一個邊緣敏感的部件其時鐘的輸入應該是一次輸入時鐘的某一個函數；并仍和一次時鐘輸入的時鐘信號。
2.所有的存儲單元都應該是具有邊緣敏感特性，在該系統中不存在電平敏感的存儲單元。
我們對于FPGA器件的同步設計的理解就是全部狀態的改變都是由主時鐘所觸發，同一個系統不同的功能模塊可以是部分異步的，但是模塊與模塊之間必須是同步的。正如CPU的設計一樣，所有的電路都和系統的主時鐘是同步的。相比于異步設計，同步設計具有很多的優點，但進行同步設計時仍然需要考慮很多方面的因素。例如，在選取時鐘時，需要考慮以下幾點：首先，由于大部分的器件都是由時鐘的上跳沿觸發，這要求時鐘信號的延差要很小；其次，時鐘信號的頻率通常很高；第三，時鐘信號一般是負載較重的信號，因此合理地進行負載分配是很重要的。除此之外，在進行FPGA器件的應用時，還要考慮模塊的復位電路、時序同步電路等實際問題。
參考文獻
[1] 周莉莉，周淑閣，井娥林. FPGA課程教學方法的探討與研究[期刊論文]. 實驗室科學，2013（3）.
[2] 夏陛龍，陳津平，胡春光. 基于FPGA的實時數據采集系統設計[期刊論文]. 計算機工程，2013（11）.
[3] 鄭爭兵. 雙時鐘FIFO在多通道高速傳輸系統中的應用[期刊論文]. 核電子學與探測技術，2013（5）.
[4] 李列文，桂衛華. 面向FPGA的低泄漏功耗SRAM單元設計方法研究[期刊論文]. 高技術通訊，2012（12）.
[5] 鄭文榮，孫朝江，劉少偉. 復雜系統的多FPGA可重構設計與實現[期刊論文]. 電子測量技術，2012（9）.
[6] 胡圣領. 基于FPGA的多項式運算器設計[期刊論文]. 現代電子技術，2012（1）.
[7] 孫立波，雷加. 基于SRAM型FPGA測試技術的研究[期刊論文]. 國外電子測量技術，2011（5）.
[8] 周發標，楊海鋼，秋小強，王飛. FPGA測試配置完備性的分析評價方法[期刊論文]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2011（10）.
硬件設計范文5
摘要：隨著目前新技術、新工藝的不斷出現，高速單片機的應用越來越廣，對硬件的可靠性問題便提出更高的要求。本文將從硬件的可靠性角度描述高速單片機設計的關鍵點。
間等，在此就不作詳細介紹了。下面主要介紹幾個重要概念。
i的機箱設計。實際的機箱屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱及觀察要求，其上一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。一般來說，孔縫泄漏量的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線性尺寸、頻率及孔的深度。
硬件設計范文6
[關鍵詞]計算機硬件；安全性；設計
中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）08-0125-01
1 計算機硬件
計算機硬件通常來講，主要是指計算機系統中的各類由電子、機械和關電元件組成的物理部分。這些物理部分按照一定的功能要求，組合成為了一個具備一定能力的基礎部件。而這些基礎部件通過有機統一的整合，就成為了計算機。從部件基本構成來看，計算機一般由主機和為外部設備組成。主機包含了內存、主板、光驅、cup、擴展卡和連接線等部分，外部設備主要包括了鍵盤、鼠標以及其他配件。
2 探究計算機硬件設計安全的發展過程
計算機應用技術對計算機硬件發展具有重要影響。在20世紀70年代，由于硅片成本較高，因此人們更重視將硅片進行簡化，實現計算機硬件的共享。直到20世紀80年代，人們開始重視提高芯片運行速度，直至90年代，人們開始追求計算機硬件電力減耗工作。當前對于計算機硬件的安全研究不僅包括對計算機數據、通信及存儲的安全，還重視對計算機信任、數字版權及用戶隱私的安全管理。計算機芯片是計算機硬件系統的重要組成部分，如果芯片受到網絡攻擊，如拒絕服務、非授權拷貝及篡改等，會導致計算機硬件出現極大的損傷。非授權拷貝攻擊方式主要通過對芯片信息進行復制，從而獲取芯片副本，篡改則指的是改變芯片等軟件程序代碼，出現計算機系統敏感數據被竊取及系統故障等問題。當前計算機數據中心、移動通信、嵌入式設備等計算機硬件仍受到物理或軟件的攻擊，因此需要采用新型數據加密技術，加強計算機硬件安全性。
3 分析計算機硬件的設計安全
計算機硬件安全的性能基本決定于設計階段，目前多樣化設計和工程變異等安全方案是提升計算機安全性的主要策略，其最大的特征就是能耗小成本低。工程變異的方向是解決c1時序和芯片老化，其不僅包括了傳統的cMoS技術，還計算機硬件的設計安全探究
潘 雄
（武漢市建設工程設計審查辦公室 湖北 武漢 430023）
[摘 要]隨著科學技術的發展，計算機不斷發展，計算機硬件安全性是計算機信息安全系統的重要內容。本文簡要介紹了計算機硬件及計算機硬件設計安全的發展過程，分析了計算機硬件的設計安全與計算機硬件O計安全的措施。
[關鍵詞]計算機硬件；安全性；設計
中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）08-0125-01包括了納米技術、光纖技術和等離子技術等新興技術。所以，工程變異在計算機設計安全中得到了十分高效的應用。但是，其也會給計算機惡意攻擊檢測以及一些其他工作帶來較高的難度。目前，檢測木馬、設置全新的安全原語和集成現有芯片已經逐漸成為計算機硬件設計安全的主要研究對象。就目前計算機硬件設計安全工作來講，對硬件木馬的處理成為了重點工作。硬件木馬主要針對一些原始芯片，發動嵌人式或修改式的惡意攻擊行為，給計算機內部的數據信息造成泄露或損壞的風險。在另外一個方面，不可復制技術也是加強計算機硬件設計安全的有效措施。其基于工程變異，能夠為計算機硬件安全保護提供優良的保障?？偟膩碚f，計算機硬件的設計安全程度直接決定了其在使用過程中的安全性能，對其整體安全性做出了硬性的限制。
4 計算機硬件設計安全的措施
4.1 做好內置安全確認工作
內置安全確認，主要是在計算機芯片的測試和制造過程中運用PUF（Physical Unclonable Functions）技術和EPIC（Ending Piracyof Integrated Circuits）技術通過電路設計方式來保護硬件IP。計算機硬件內置保護的流程工作大體如下：原始設計好的IC在IC制造廠采用PUF技術后得到芯片變異了的PUFID，經過EDA工具編譯后得到物理版圖，先前得到的PUFID與加密后的IC數據信息合成得到校驗密鑰，接著可以在IC的物理版圖中預先選擇關鍵區域，將校驗密鑰加密后的驗證模塊附加在原始設計好生成保護的IC版圖，最終用于IC產品制造。這樣在充分了解內置保護工作之后，相關的工作人員可以做好確認內置安全工作，保證計算機硬件的設計安全性。
4.2 做好外置輔助安全的檢測工作
目前外置輔助安全的監測工作主要采用RAS技術進行，依靠可信的密鑰管理部產生公開密鑰和私用密鑰。公開密鑰主要是加密芯片的數據信息并將其集成儲存到標簽電路中，私用密鑰主要儲存在密鑰儲存器里，而密鑰儲存器主要用于外置輔助安全的檢測。此外，安全驗證芯片也是用于檢測外置輔助安全的。檢測時，密鑰儲存器主要經RFID讀取芯片上集成的標簽電路的數據信息，進而通過安全驗證芯片的檢測來檢測芯片。
4.3 研發計算機硬件時重視安全設計
在計算機硬件的安全設計過程中，不單單要注意技術層面的保護檢測，更要注意其他方面的問題，比如設計理念、工作側重點和設計人員等。在計算機硬件的研發進行時，質量和性能得到保障的前提下需要注意加強設計研發人員對計算機硬件的認識，加強對計算機硬件安全性能的注重，從內置和外置入手，做好安全設計，形成計算機硬件安全性評估機制，做好對硬件安全性能的評估，同時從輸入、存儲和輸出設備三個方面進行評估，及時發現安全風險解決隱患。
4.4 在計算機硬件設計安全中重視創新技術
計算機硬件的安全設計之所以會出現較多的問題，是由于計算機硬件的安全設計技術發展滯后，適應不了時代的發展。因此，需要注重創新技術，完善并發展現有計算機硬件的安全設計技術，結合實際情況和實踐經驗，及時完善不足之處。同時，建立起完整的計算機硬件安全技術系統，做好計算機硬件各部分的有機結合，加強各技術的協助。此外，還需要開展新型的計算機硬件安全技術，可以將微生物理論、光學理論和量子理論應用到計算機硬件安全技術中，這樣才能實現計算機硬件安全性能的快速提升。
5 結語
計算機硬件安全是計算機信息系統正常運行的重要保障，我們需要重視計算機安全檢測設備的研究，從計算機內置安全管理及外置輔安全檢測方面，制定合理有效的計算機硬件檢測方案，不斷提升計算機安全性能，推動我國計算機信息安全系統的發展。
參考文獻
[1] 郭傳寶.計算機硬件的設計安全探究[J].工程技術：文摘版，2016（10）：00109.
