微处理器核心供电管理论文

摘要：介绍了一款基于MSP430系列单片机的智能学习型红外遥控器的设计方案，给出了该系统的硬件结构和软件组成。在人们日常生活和工作中，这款红外遥控器可以通过对任何红外遥控设备编码的学习、分析和记忆，以实现多个电器的统一管理。下面是小编为大家整理的《微处理器核心供电管理论文(精选3篇)》，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。

微处理器核心供电管理论文 篇1：

微处理器效能至上

解决微处理器的节能降耗问题，既是节约社会能源和保护环境的问题，也是微处理器更新换代的主要动因。新型晶体管材料和处理器微架构的变化是处理器效能上升的关键因素。

微处理器功耗及其控制

根据国际固态集成电路会议（ISSCC）的有关数据，自20世纪80年代以来的25年内，芯片功耗在前10年（1980年～1990年）以每3年增加4倍的速度上升，在后10年（1995年～2005年）以每三年增加1.4倍的速度上升（图1）。在微处理器发展的初期（如前10年），尽管随着性能的增加，其功耗和热量的增量较大，但绝对值较小; 绝对值较小说明初期的微处理器功耗和散热较小，制造技术的冗余度较大，不影响微处理器按摩尔定律继续发展，增量较大表示当时的节能降耗技术作用有限，功耗和散热控制作用较弱。在第二个10年，虽然功耗和热量的增量较小，但其绝对值较大，在100瓦左右；绝对值较大说明常规工艺技术制造的微处理器功耗越来越大，增量较小说明尽管节能降耗技术对微处理器的功耗和散热控制作用比微处理器发展的前10年有所增加，但仍然无法遏制功耗的上升。

图1 过去20年 微处理器功耗变化

微处理器几十年来性能的不断提高，促使其节能降耗技术不断发展。由于功耗与供电电压的平方成正比，降低核心电压可以大大降低处理器功耗，因此，降低系统电压就成为有效降低功耗的最初措施。

此外，系统和电源管理机制的改进，如高级配置与电源接口规范ACPI (Advanced Configurationand Power Interface)，它将电源管理BIOS代码、APM应用编程接口、PNP BIOS应用编程接口、多处理器规范表格等软硬件资源有机地结合在一起，使得系统中的所有设备可以互相进行通信来了解彼此的使用情况。操作系统可监控系统的运行状态，根据用户所设

定的管理策略，调整硬件设备的工作状态，也可最大限度节约能源。

图2 漏电功率随处理器性能增长而增加

微处理器核心架构的持续进步，如加大缓存，超流水线，超标量、超线程、宽位动态执行、乱序执行、多分支预报机制、宏指令融合、微指令融合、超精细的逻辑控制机、设置硬件堆栈管理器、支持多媒体指令集、高级智能高速缓存、智能内存访问、智能功耗管理、分离式总线、动态电压识别技术、动态总线暂停、提高总线速度，多核处理器等技术不仅使性能不断提高，更能降低成本，减少能耗。

微处理器功耗分析

上述节能降耗技术推动了微处理器的发展。但在2000年，英特尔发布了奔腾4处理器以后，为提高其主频，采用长流水线设计（31级），使它每个时钟周期比其前一种型号多产生大约60%的热量，同时功率消耗也大约增加10%。在奔腾4长达五年的生命周期中，原有节能降耗技术的作用似乎越来越弱，对功耗超过百瓦的处理器，低电压反而使漏电流增大（图3）。如果照此状况发展，到2010年，新的处理器每片将耗电600瓦特。新处理器的“热密集度”，即热能，将比一座核反应堆产生的热能还高。处理器性能和频率的提升遭遇瓶颈。

图3 亚阀泄漏功率随线宽变小而增长

什么原因降低了上述节能降耗技术的作用？这需要对微处理器功耗进行具体分析。

微处理器的功耗主要来自两个部分：晶体管器件的静态和动态功耗；管间连线以及内外连线所造成的功耗。晶体管器件的静态功耗主要是泄漏功率损耗，这是130纳米节点之前半导体工艺尺寸总体功率无关紧要的一部分。然而，在90纳米及更小尺寸下，泄漏功率可能成为总体功率的重要来源。

泄漏电流主要包括：

栅极隧穿泄漏: 当栅氧化层很薄时，电子作为一种波是完全可以通过氧化层的，电子的这种隧穿效应造成栅极上出现电流，隧穿电流随氧化层厚度的减小而呈指数式增加，使晶体管变得不稳定。为抵消泄漏的电流，芯片要求更大的供电量，造成芯片功耗和发热量的增加。

亚阀泄漏: 当源极与漏极之间的硅层也越来越薄，栅极电压还没有达到沟道打开的阀值时源极和漏极之间的微弱电流。亚阀泄漏是一种主要成分，在90纳米及更小尺寸下，随着晶体管阀值电压的降低，亚阀泄漏会按指数上升。

栅感应的漏极泄漏: 是指在漏极与栅极具有电位差时，漏极深入栅极下方处会形成很强的电场，导致漏极有电流穿过衬底与漏极间的耗尽层。

源、漏穿通泄漏: 源极和漏极的耗尽层如果靠得太近直至互相接触，耗尽层隔离电流的能力就会大大下降，以至出现电流泄漏。

这些泄漏电流增加了晶体管的功耗。在65nm线宽以下，若没有重大革新，栅极泄漏和亚阀泄漏导致的功耗将超过工作时的动态功耗，65nm工艺漏电功率将达到100～150W，45nm工艺处理器仅仅阀阈下泄漏功率就将达到100W（见图3），这些热量若不及时排出，会使芯片不能正常工作，甚至造成芯片的损坏。

微处理器的新结构

晶体管栅漏电和功耗剧增与不断变薄的氧化硅栅介质有关。使用传统的材料和技术已无法适应继续提高微处理器性能的要求。必须从改革产生晶体管泄漏电流的材料入手，使用新型材料制作晶体管。

采用新型材料制作栅极

栅氧化层是晶体管的基本结构，栅氧化层的质量直接关系到晶体管的特性和可靠性，被称为晶体管的心脏。

减小漏电流和降低杂质扩散，最直观的方法就是增加栅介质层的厚度，但是为了保持介质层的电容不变，新的栅介质层的介电常数必须比二氧化硅要大，介质层的介电常数越大，膜的厚度就可以越大，就可以更好地减小漏电流和杂质扩散。“高k介电质”材料对电子泄漏的阻隔效果可以达到传统二氧化硅的1万倍，电子泄漏基本被阻断。

可以采用高k值的氧化物材料来制造晶体管的栅极。所谓介电常数(k)就是衡量材料储存电荷的能力，不同材料有不同的k质，如原用来作为栅氧化层的二氧化硅，其k值为3.9，以此为标准，超过这个数值的材料，就称为高k材料。

高k材料电介质层的厚度为3nm。英特尔采用原子层沉积法，将高k材料逐层沉积在硅基板表面并且自组装成规整的结构。在栅介质中采用厚度二氧化铪(HfO2)高k材料取代氧化硅，漏电量减少了10多倍，栅泄漏电流密度至少可减少4个数量级。

由于多晶硅与HfO2等高K栅介质材料的不兼容性以及多晶硅耗尽效应的影响，基于多晶硅栅电极的高K栅介质的工作电压难以进一步降低，不能满足高速低功耗器件发展的需要，因此，采用金属栅替代多晶硅栅电极也成为发展的必然趋势。

45纳米晶体管材料的另一方面是开发新的金属栅极材料。英特尔克服金属栅电极材料选择的几大难题，在晶体管栅电极中采用不同金属材料的组合。例如，高k电介质为硅酸铪（HfSiO），金属栅极为氮化钛（TiN）的等效氧化物厚度（EOT）约为1nm，还有一种硅化镍栅极，与单轴应变硅相结合，硅化镍栅极提高了45nm器件电荷密度，应变硅增强了45nm器件载流子迁移率，从而使其性能比氮氧化硅——多晶硅栅极提高20%。

随着工艺的改进，栅极长度也有了明显的下降。130纳米/90纳米/65纳米/45纳米工艺的栅极长度分别减少为70纳米/50纳米/35纳米/25纳米，缩短栅极长度，则栅极的驱动电流可以增加，其结果是延迟时间缩短，提高了晶体管的切换频率。

采用应变硅技术

如果减小源极-漏极间电子通行所受到的阻力，就相当于减小了电阻，使发热量和能耗降低，可以采用应变硅技术。在实验室环境下，测试结果显示电子在应变硅材料中的流动速度要比其在非应变硅中快70％。而制成芯片后其运行速度也要较非应变硅制成的芯片快35％。45纳米工艺使用了新应变硅技术。

采用低介电常数的材料

为了降低芯片的功耗，还必须减少芯片内电路互连损耗。晶体管间的互连用电阻率更小的金属如铜来代替铝。随着互联中导线的电阻（R）和电容（C）所产生的寄生效应和功耗越来越明显，所以互连材料对功耗/性能的影响也越来越被人们所重视。

寄生电容C正比于电路层隔绝介质的介电常数K，若使用低k值材料（k<3）作为不同电路层的隔绝介质，在芯片的层间及线间用低k介质进行填充，既可减小漏电流，降低芯片功耗，还能降低线路间的寄生电容，有效抑制线路间的串扰，提高微处理器的工作稳定性。英特尔的65nm工艺准备了一种k值很低的含碳氧化物（Carbon Doped Oxide，CDO）和8层电路。CDO绝缘体材料减少了线间的电容，45纳米工艺也使用此类材料。

微处理器衡量的新标准

新型微处理器的出现初步解决了性能和功耗的矛盾，同时引发了人们对微处理器评价的新思考。

微处理器性能＝频率×每个时钟周期的指令数，即Performance = F×IPC（F为频率，I为高级语言程序编译后在机器上运行的机器指令数目，C为执行每条机器指令所需的平均机器周期）。要提高微处理器的性能，可以通过提高其运行频率和提高每个时钟周期处理的指令数目。

微处理器功率=频率×寄生电容×工作电压的平方，即Power = f× C×V2（f是开关频率，C是电容负载，V是电源电压）。要减少微处理器的功耗，可以通过减少其运行频率、减少工作电压和寄生电容。

对于相同制造工艺的处理器来说，提高运行频率可以提高其性能，但频率越高所消耗的功率也越高。显然，不断提高主频的做法会遇到瓶颈。处理器的主频越来越高，其带来的功耗和散热问题，让芯片设计师很难比较圆满地解决。为减少功耗，就要降低运行频率、工作电压和寄生电容。

如果把微处理器看做一个能量转换器，那么就会很自然地提出衡量它的一个主要指标—转换效率问题，导致出现了业界对微处理器评价的新标准：微处理器效能=每指令耗能(Energy per Instruction，EPI)和每瓦效能P/W的概念。EPI值越大，处理器的能源效率就越差，后者则刚好相反。一颗微处理器的EPI决定因素有三个方面：设计(包括微架构、逻辑、电路、布线等等)、加工工艺和供电电压。

从附表中可以看出，奔腾4处理器的等效EPI值最大，也就是能源效率最差，而i486则具有最好的等效能源效率(假设i486也是以65纳米工艺生产并且工作于1.33伏电压下)。这是因为前者具有深的流水线、大的乱序执行结构和误推测，这些都导致动态电容值更高，处理每个指令的耗能值也更大。而移动架构的产品更加出色，Yonah以相当于i486的EPI值，达到了i486 7.7倍的性能。酷睿微架构的设计就延续了这样的理念—用尽可能少的能量，获得尽可能高的性能。

新评价标准，使人们对微处理器的认识更加全面。

链接:微处理器节能新技术

由于微处理器的功耗主要来自晶体管器件的静态和动态功耗，尽管泄漏电流增加的晶体管的静态漏电功耗可达总功耗的25％或更多，但其余动态功耗的降低，提高每瓦效能，还要依靠其他的软件和硬件技术：

深度节电技术DPDT（Deep Power Down Technology）。这是一种更低的能耗状态，等级为C6。

处于C6状态的处理器将处于深度节能状态，可以将处理器的核心电压降至其所采用制程技术的极限，同时缓存彻底转移其中的数据并完全关闭，比C1、C2、C3节省更多功耗。该技术的重点面向移动版的Penryn处理器。

增强型动态加速技术EDAT(Enhanced Dynamic Acceleration Technology)将根据应用程序的负载动态调整多核处理器的工作状态，安排单核心以及多核心处理器的核心频率。当所有核心都处于运行状态时，多核心系统的频率将降低，而当一些核心处于待机状态时处理器的核心频率将会达到与单核心处理器相同的频率。如果用户在做单线程的应用，闲置核心可以自动进入休眠状态，全部动力都集中供应给那个使用中的核心。这将会使这个核心产生一个强大的推动力，结果就是能够让这个核心比原来运行得更快。

应用目标加速技术（Application Targeted Accelerators）。该技术是用于优化英特尔处理器性能、降低延迟、降低功耗的整合于处理器核心内的固定功能组件。其首要功能是在数据完整性应用中加速冗余校验（CRC）的计算过程。这种新的CRC指令将能促使基于处理器的CRC操作更快，可以用更低的成本实现高效的数据完整性校验。

芯片与计算机新的热管理技术。原ATX架构系统的周围前有内存、硬盘、光驱，上方有电源供应器，后有背板输出输入接口，被这些组件所散发的热量包围，CPU的热气很难顺利被排出。因此英特尔开始主推新的BTX（Balanced Technology Extended）架构。BTX对主机板的架构做了全面性的调整与规范。处理器散热模块被规划在外头冷空气进入的机壳前方，吹入的冷空气在冷却处理器散热模块的温度后，再往后一并冷却南北桥芯片与旁边的显卡温度，再从后方的散热孔排出。BTX还对处理器散热器、电源供应器、硬盘、光驱等组件的规划位置与规格做了相关的规范，能产生极佳的内部空气对流，提供更佳的散热效益。

英特尔还配套推出了多项新的散热管理相关技术与标准。这些作法包括简单序列传输（SST）总线、数字温度传感器（DTS），以及平台环境式控制接口（PECI）等。处理器核心上都安置了两种传感器，一是传统的温度二极管，另一种是新的数字温度传感器（DTS）。DTS具有模拟转数字转换器，当DTS感测到温度值后会将结果储存在处理器缓存器中，再透过PECI接口将数据传送出去。

作者：佟　平

微处理器核心供电管理论文 篇2：

基于ＭＳＰ４３０Ｆ１１０１的智能学习型红外遥控器的设计

摘要：介绍了一款基于MSP430系列单片机的智能学习型红外遥控器的设计方案，给出了该系统的硬件结构和软件组成。在人们日常生活和工作中，这款红外遥控器可以通过对任何红外遥控设备编码的学习、分析和记忆，以实现多个电器的统一管理。

关键词：红外遥控器；智能学习；单片机

Design of Intelligent-learning Infrared Remote Controller Based on MSP430F1101

SONG Zhu-hui1, SUN Fu-kang2, QI Peng2

(1.Anhui Personal Test Academy, Hefei 230022, China;2.Anhui Institute of Architecture and Industry,Hefei 230601, China)

Key words: infrared remote controller; intelligent-learning; microcontroller

1 引言

在现代化的社会里，随着电子技术的日新月异，带有红外线遥控器的电气化设备越来越普及。从熟悉的电视机、空调、DVD，到运用于工业生产的红外线控制设备，红外遥控器已经被广泛的用于家庭和社会的各行各业。

在红外线遥控器被大量使用的同时，它也给我们带来了许多的麻烦。首先，常用的遥控器一般是和电器设备一一对应的。每一种电器设备都有各自的遥控器，一种遥控器仅仅可以遥控一种电器设备，所以在一般家庭中都存在多个遥控器。过多的遥控器在使用过程中容易造成混乱，给用户的使用带来不便。其次，红外遥控器的长时间使用必然会造成遥控器按键不灵、电路损坏等等情况，更换遥控器也再所难免。在用户单独购买红外遥控器时，许多电器化设备专用的红外遥控器不仅不容易在市场上买到，而且价格昂贵。

本文将介绍一种基于MSP430F1101单片机的智能学习型红外遥控器的设计方案。该遥控器可以学习、记录数十种红外遥控编码，适合于普通家庭、机关单位和工厂用户。

2 红外线遥控器硬件组成和工作原理

普通的遥控器一般由形成遥控信号的微处理器芯片、晶体振荡器、红外发射驱动电路、红外发光二极管以及键盘矩阵组成，如图1所示。

微处理器芯片通过内部电路与外部的晶体振荡器组成一个高频振荡器，产生高频振荡信号,此信号送入定时信号发生器后产生40KHz的正弦信号和定时脉冲信号。正弦信号送入微处理器内部的编码调制器作为载波信号；定时脉冲信号送制扫信号发生器、键控输入编码器和指令编码器作为这些电路的时间标准信号。当用户按下遥控器键盘上的某一功能键时，相应于该功能按键的指令码信号从指令编码器中输出，经过调制器调制在载波信号上，形成包含有功能信息的高频脉冲串，由外部的发射驱动电路放大，推动红外发光二极管发射出脉冲调制信号。

3 智能学习型红外遥控器的设计

3.1 硬件组成

智能学习型遥控器在完成一般红外遥控信号的发射任务外，还需要具备学习其他红外遥控信号编码的功能；同时，通过系统硬件和软件的设计来实现系统的低功耗性能。

智能学习型遥控器由微处理器、红外线发射电路、红外线接收电路、键盘接口电路、液晶显示屏和电源电路六个部分组成。其中，液晶显示屏可根据需要选配。系统硬件结构组成如图2所示。

3.1.1 微处理器

微处理器是智能学习型红外遥控器的核心部分。系统的微处理器采用美国德州仪器公司生产的MSP430系列超低功耗单片机MSP430F1101。微处理器根据用户的键盘命令，通过对红外遥控编码的查询，完成红外信号的发射功能。同时，系统可以学习任何一款遥控器的红外编码，并存储在系统内部的FLASH或EEPROM存储空间内。系统可以根据用户的具体使用要求选配液晶显示器，微处理器与液晶显示器之间采用串行连接方式。

3.1.2 红外信号发射电路

红外信号发射电路由载波发生器、红外发射驱动电路、红外发光二极管组成。

微处理器采用32768Hz的晶振，因而，使用微处理器产生遥控器所需要的载波信号（38KHz或40KHz）是不可能实现的。本设计利用一片高速CMOS型的“与非”门74HC00来实现载波发生器，产生38KHz的载波信号，并将微处理器送来的红外遥控编码信号进行调制，通过驱动电路和红外发光二极管发射出去。

红外发射驱动电路可以使用简单的S9013三极管即可实现。通过使用达林顿管或增加红外发光二极管可以提高遥控信号发射距离，增加发射的可靠性。

3.1.3 红外信号接收电路

红外信号接收采用HS0038一体化红外接收模块。HS0038可以直接对红外遥控信号进行解调，并将解调后的信号直接送给微处理器进行解码和存储。

3.1.4 键盘接口电路

遥控器键盘电路接口电路是用户对遥控器进行操作的核心部分。键盘电路的设计方案有两种：单键输入式键盘和矩阵式键盘。单键输入式键盘是指直接利用I/O端口线构成的单个按键电路。每个单键输入式按键单独占用一根I/O线，每根I/O线上的按键工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。当按键数较多时单键电路占用口线也较多，为节省I/O口线，在按键数量较多时，一般采用矩阵式键盘。

为了更好的利用单片机的I/O端口资源，我们在这里采用了矩阵式键盘的设计方案。

3.1.5 电源电路

MSP430F1101、红外发射和接收模块的工作电压为3V。因而，智能学习型万能遥控器中仍可以使用2节5号或7号干电池，这给用户的使用带来了方便。同时，系统的电源电路仅需加入简单的电解电容和瓷片电容进行电源滤波即可。

3.2 软件设计

智能学习型红外遥控器软件系统由红外信号发射、红外信号接收、红外信号压缩和存储、操作键盘驱动和系统初始化五个部分组成，如图3所示。

3.2.1 红外信号发射

微处理器根据用户的键盘命令来查询相应的遥控编码，所有的遥控编码均存储在系统内的EEPROM内。编码信号采用串行方式通过微处理器的I/O端口直接输出至红外驱动电路。

遥控编码脉冲信号（以PPM码为例）通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。引导码也叫起始码，由宽度为9ms的高电平和宽度为4.5ms的低电平组，用来标志遥控编码脉冲的开始。系统码也叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其他遥控系统，防止各种遥控系统的误操作。功能码也叫指令码，它代表了相应的控制功能，接收机中的微控制器可根据功能码的数值完成各种功能操作。系统反码与功能反码是系统码与功能码的反码，反码的加入是为了能在接收端校对传输过程中是否产生差错。

3.2.2 红外信号的接收、压缩和存储

对未知编码红外信号进行学习时，红外信号经HS0038解调后直接送微处理器进行处理。微处理器通过对定时器的控制完成对解调后的二进制脉冲码进行脉宽的测量。对于PPM码，脉冲宽度的宽和窄来分别代表二进制的1和0，系统根据该特性将时间数据转换成对应的二进制编码信息压缩并存储。微处理器与EEPROM之间采用I2C总线方式连接。

3.2.3 键盘接口的软件实现

系统采用矩阵式键盘。为了实现系统的低功耗性能，减少微处理器的工作时间，系统采用中断方式实现键盘的信号的采样。键盘接口程序还应该通过软件延时的方法解决键盘抖动问题。

3.2.4 微处理器低功耗模式的选择

MSP430系列单片机特别强调低功耗性能，尤其适用于采用电池供电的长时间工作场合。MSP4301101A单片机有6种低功耗模式。在软件编程时，我们可以根据设计的需要选择合适的低功耗模式。我们在这里选用的是MSP4301101A单片机功耗最低的一种工作模式——低功耗模式4。当系统处于低功耗模式4的时候，单片机的CPU处于禁止状态，DCO、MCLK、SMCLK、ACLK、直流发生器也都同样被禁止，所有的振荡器都停止了工作。

低功耗模式的选择需通过相关寄存器的设置来实现，具体程序如下：

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;

TACTL=TASSEL0+TACLR;

_BIS_SR(CPUOFF);

4 结论

智能学习型红外遥控器与普通的遥控器和万能遥控器相比功能更多、性能更加优越，它可以学习任何一种遥控器的红外编码，并可以实现对多种红外线设备的控制功能。在实际的应用中，智能学习型遥控器可以为人们的日常生活和工作带来更多的方便，具有一定的使用价值。

参考文献：

[1] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航天航空大学出版社,2004.

[2] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航天航空大学出版社,2004.

[3] 陈永甫.红外线探测与控制电路[M].北京:人民邮电出版社,2004.

作者：宋祖辉　孙富康　戚　鹏

微处理器核心供电管理论文 篇3：

综合性实验教学改革探索

摘 要：实验教学对高等工程教育人才培养具有至关重要的作用，实验内容的安排与设计应从应用的角度出发，尽量结合工程实际。然而现有实验往往从属于理论课教学，实验内容多是针对某些理论知识而设计。针对这一问题，将“实验室安全监测系统设计”实际工程项目引入电子信息专业综合性实验，强化对于学生工程实践能力的培养。

关键词：综合实验；教学改革；工程项目

实验教学是高等工程教育的重要组成部分，也是影响工程人才培养质量的关键环节。受专业课教学体制和教学计划安排等因素影响，多数实验教学依从于具体的理论课教学，其教学目标通常也是为了巩固理论课的教学成果；尽管这些实验在提高学生理论联系实践、仪器操作、动手实践以及创新等能力上起到了积极有效的作用，然而在学生毕业后从事的实际工作中，其所要解决的工程问题，往往不是一门专业课知识就能涵盖和解决的，而是需要综合多门专业知识甚至需要多学科知识；如果在人才培养过程中，不能给学生提供解决实际工程问题的切身经验和体会，很可能导致其在将来工作时感觉束手无策[1，2]。因此，在实验教学改革中，应该多从专业上的工程实践出发，以实践工程项目需求为导向，适当实时增加综合性实验。

开设综合性实验的目的在于培养学生工程实践能力，最直接的办法就是将实际工程项目引入到实验教学中，这也是最为有效的办法。针对电子信息专业的人才培养要求，将“实验室安全监测系统设计”引入实验教学，探索综合性实验改革。

一、项目需求

随着高等工程教育教学内容的拓展以及招生人数的增加，高校实验室规模稳步增长，同时，为了提高实验室的利用效率，部分实验室实行了面向不同学生开放的制度，鼓励本科生在课外时间走进实验从事相关专业实践活动。无疑，实验规模的增长以及实验室开放制度，都为本科生提供了更多、更便利的实践条件，但与此同时，也为实验室安全带来了巨大的管理压力和安全压力。一方面需要不断加强制度建设和学生管理，从制度上、从学生的主观上保障实验室安全，但这是一个长期的过程，是一个正在逐步完善的过程；所以，另一方面还要加强实验室的安全监测。前者防患于未然，后者是亡羊补牢，尽量降低损失。然而，目前实验室的监测多以视频监控为主，并不具备实时报警功能。为此，针对电类专业实验的特点，研发一套具有实时报警功能的实验室安全监测系统具有重要的现实意义。系统设计需要考虑以下三个方面的内容。

（一）及时发现隐患

火灾是电学实验室最常見的安全事故，因此，实验室安全监测系统要充分考虑到对实验室火灾的监测和预警，尽量降低实验室损失。

（二）实时报警

如果能够在灾害发生阶段或者灾害初期能够及时处理，通常可以极大地降低甚至避免产生损失。所以，在监测到灾害发生时，系统应能够立即发出报警信息，使相关人员能够及时获取灾害信息，以利迅速采取有效措施控制灾害。

（三）可扩招性

不同实验室可能具有不同的安全隐患，所以实验室安全监测系统应能够适应不同实验室的监测需求，可以对不同信息，如有毒有害气体泄漏等进行监测。

二、系统架构

系统主要由微处理器、传感模块、通信模块、人机接口以及电源模块等5部分组成，系统整体架构如图1所示。其中传感模块用于采集实验室安全监测数据，如温度、烟雾、有毒有害气体等，不同实验室可以配置不同类型的传感器；微处理器是整个系统的控制核心，能够根据传感模块采集的具体数据判断实验室的安全或灾害状况，同时能够实时的将实验室安全/灾害信息传递给管理人员或者联动消防机构；通信模块负责监控信息的传输，要具有良好的适应性和稳定性；人机接口用于对系统进行现场操作和配置，要简单易用；电源模块为系统各部分提供电力支撑，要满足功率及稳定性要求。

（一）微处理器

微处理器是系统的控制中枢，由于系统运算量不大，所以微处理器的选择面较广，在实验过程中，可以根据所学微机原理的教学内容进行选择，若MCS-51系列处理器，也可以根据学生的兴趣爱好进行选择，如果ARM系列。ARM处理器做主控单元，这类芯片存储空间大、片内有可擦写的寄存单元、能够快速的响应外部的各种数字信号、片内具有以太网控制器，但是在数据的处理方面过于冗杂而且芯片价格较贵，在实验室安全监测系统设计中芯片的很多功能也用不到，所以在实际监测系统设计中其性价比较低，但对于综合性实验，选择这类芯片有助于学生拓展知识面，为后续工作打下基础。采用所学的MCS-51系列微处理器，如STC89C52微处理器作为控制核心，其电路设计简单、存储空间够用、数据处理能力强。在系统整体和各个模块的程序相互调用方面，处理速度快、性能稳定。STC89C52微处理器最小系统电路如图2所示。对系统设计而言，其最突出的优势是性价比高，对学生而言，其最突出的优势是资料丰富、上手容易。这两种方案各有优势，实验中同学可以根据自己的情况合理选择。

实验中需要确保STC89C52微处理器复位电路正常工作。其复位电路是在RESET引脚（第9脚）上连接一个10μF电容到电源正极VCC端，再连接一个10kΩ的电阻到电源负极GND端，这样设计一个RC工作电路保证STC89C52微处理器在上电之后RESET脚上有足够时间高电平。这个电阻和电容是根据硬件设计手册选择的。电路设计原理就是在复位引脚的电容上并联一个开关，当开关闭合时电容放电RESET引脚信号被拉到高电平，由于是电容充满电的状态会保持一段时间高电平来使STC89C52微处理器复位。

（二）无线通信模块

常用的无线通信方式有WIFI、蓝牙、Zigbee和公用移动通信等。WIFI传输速率高、联网方便，在短距离高速数据网络通信中应用非常广泛，但其通信距离一般不超过100m，即使是超级WIFI，其通信距离也只是达到公里级而已，如果采用这种通信方式，或者要求实验室管理人员或者消防机构在监控系统的通信范围内，或者要求管理/消防人员实时处于网络在线状态，但这两个条件通常难以满足。至于蓝牙和Zigbee通常只适用于近距离无线通信，在此不予考虑。采用公共移动通信，其通信距离广、稳定性高，而且通信终端（手机）使用方便，所以系统的无线通信采用公共移动通信方式。实验中选用了基于2.5G技术的GPRS模块，虽然现在移动通信网络已经发展到了4G标准，但是实验室安全监测系统中不需要传输大流量数据，只需要发送语音数据消息就可以，并且此种网络是按照流量计费的方式所以没有必要选择4G这种价格高，使用效果和GPRS模块是相当的。常见的GPRS模块有TC35i和SIM900a都能满足实验要求，而且资料丰富、使用方便。

SIM900A模块具有独立的5V电源接口，有USB-TTL和RS232数据传输口所以此模块和电脑及单片机的联机有两种方式并且各有自己的特点，串口线连接数据传输速率较慢而TTL-USB连接是现在选的更多的一种方式带有标准串口接口可方便用PC控制或者调试。所有可用的SIM900A引脚都外接出来，方便开发各种SIM900A的应用模块和单片机采用RS232串口通信的方式，模块具有静电保护措施，防止在卡槽插卡的过程中静电经典干扰，含有复位接口按下复位键模块返回到初始化状态。

SIM900A需要5V/2A的电源供电才能正常工作，并且电路设计中有静电保护措施防止芯片被静电击穿。在系统整体调试之前首先要對SIM900A模块进行参数设置、硬件调试等一列操作，才能达到我们需要的功能要求，后面内容对于模块的调试、通信服务器的建立进行叙述。在对模块调试之前首先要保证接线正确。此模块有两种接线方式一种是RS232串口的方式通信一种是使用USB-TTL接口线连接，串口接线交换TXD-RXD、RXD-TXD这样串口链路正常建立。模块实物如图3所示。

SIM900A通信模块是内置TCP/IP 通信协议引脚ring指示灯用来显示模块的联网结果。通过观察指示灯的亮和灭判断模块的联网状态如表1所示。

（三）传感模块

在电类实验室，针对于火灾问题，可以选择温湿度传感器判断火灾状态，如使用DHT11作为集成的数字复合式温湿度检测模块，能够同时检测湿度和温度并且误差小于0.1，且电路设计简单、程序设计方便，DHT11电路如图4所示。为提高监测效果或者扩展监测内容，可选用气体/烟雾传感器，如MQ-2系列传感器对特殊气体例如甲烷、一氧化碳等都有检测功能，并且还能监测是否有烟雾，灵敏度很高。MQ-2电路如图5所示。

此模块是具有4个引脚其中一个引脚空接。DHT11引脚DQ和处理器的数据口连接采用单总线的数据格式进行通信，通信时间为4ms左右，处理器发送开始信号之后，DHT11进行一次信号采集处理。当数据口收到处理器发的高电平时就会输出采集的数据，在系统程序设计时对模块的监测时间进行设置、模块初始化后面内容会介绍到。

三、软件设计

系统软件设计采用的是模块化的方式，首先写出系统程序的整体设计流程，如图6所示。根据流程图再写出程序，主函数体通过调用其他函数实现系统的整体功能。在系统执行程序之前首先要进行初始化程序，给各模块上电。温湿度传感器先检测数据然后传到微处理器，微处理器通过引脚把数据发送到LCD屏显示。此时MQ-2气体传感器上电等待状态若测到的数据超过额定值时蜂鸣器会发出报警信息，在同时通信 SIM900A模块发送短信给管理员手机，传输相应数据到电脑服务器。

四、结束语

在实验教学改革中，结合专业教学及学生毕业要求，将实际工程项目应用于专业综合性实验，不仅能够提高学生动手实践能力，而且能够给学生提供综合运用所学知识的实践机会，使其能够获得参与工程实践的切身体验，为其毕业后参与具体工程项目打下坚实的基础。

参考文献：

[1]殷代印，曹广胜.基于现代工程教育体系的实践教学改革与实践[J].实验技术与管理，2013，30（10）：11-14.

[2]李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012（03）：1-6.

作者：陈世海 王军 代伟 吕刚