CN204180045U - 基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路，包括串口电压生成电路、串口信号输出转换电路和串口信号输入转换电路，其特征是：串口电压生成电路包括PWM波电路、第一电阻、第二电阻、第一三极管、第三电阻、第一电容、第一二极管、第二二极管、第二电容、第三电容和稳压二极管；串口信号输出转换电路包括第四电阻、第五电阻、第四三极管、第六电阻、第一场效应管、第二场效应管、第七电阻、第三三极管、第八电阻和第九电阻；串口信号输入转换电路包括瞬态抑制二极管、第十电阻、第十一电阻、第五三极管、第十二电阻和第十三电阻。本实用新型采用分立器件实现串口电平转换，能实现智能教育终端与个人电脑之间的通信，具有成本低的优点。

Description

基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路

技术领域

本实用新型涉及RS232接口通信技术领域，具体涉及一种基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路。

背景技术

RS232接口是由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)所制定的异步传输标准接口，是广泛应用于计算机及其他智能设备上的通讯接口之一。

基于物联网的智能教育终端结合特有的校园现有网络平台，形成了一套安全高效、功能丰富、智能化的物联网教育管理平台。它综合使用射频识别、传感网络以及全球卫星定位等多种技术，实现教育管理的数字化与网络化。通过RS232接口将智能教育终端与个人电脑相连，可以实现对设备的智能控制及数据查看。

RS232在电气特性上遵循：逻辑1(MARK)电平为-3V～-15V，逻辑0(SPACE)电平+3～＋15V。然而，基于物联网的智能教育终端内部所采用的I/O电平为3.3V，因此，需要通过电平转换，以实现RS232与智能教育终端的信号交互。目前普遍采用电平转换集成电路来实现此电平变换，然而这种电平转换集成电路成本较高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路，这种串口电平转换电路采用分立器件实现串口电平转换，能够实现智能教育终端与个人电脑之间的通信，具有成本低的优点。采用的技术方案如下：

一种基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路，包括串口电压生成电路、串口信号输出转换电路和串口信号输入转换电路，其特征是：

所述串口电压生成电路包括PWM波电路、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第一三极管（Q1）、第三电阻（R3）、第一电容（C1）、第一二极管、第二二极管、第二电容（C2）、第三电容（C3）和稳压二极管（D1）；PWM波电路具有输出PWM波信号的PWM波信号输出端，PWM波信号输出端与第一电阻（R1）一端相连，第一电阻（R1）另一端与第二电阻（R2）一端及第一三极管（Q1）的基极相连，第二电阻（R2）另一端和第一三极管（Q1）的发射极均接地，第一三极管（Q1）的集电极与第三电阻（R3）一端及第一电容（C1）一端相连，第三电阻（R3）另一端连接至+12V电源，第一电容（C1）另一端连接第一二极管的负极及第二二极管的正极，第二二极管的负极接地，第一二极管的正极与第二电容（C2）一端、第三电容（C3）一端及稳压二极管（D1）的正极相连，第二电容（C2）另一端、第三电容（C3）另一端及稳压二极管（D1）的负极均接地，稳压二极管（D1）的正极作为串口负压输出端（VEE）；第一三极管（Q1）为NPN型三极管；

所述串口信号输出转换电路包括第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第四三极管（Q4）、第六电阻（R6）、第一场效应管（T1）、第二场效应管（T2）、第七电阻（R7）、第三三极管（Q3）、第八电阻（R8）和第九电阻（R9）；第四电阻（R4）一端作为CPU串口输出信号接入端（Tx_3.3V），第四电阻（R4）另一端与第五电阻（R5）一端及第四三极管（Q4）的基极相连，第五电阻（R5）另一端和第四三极管（Q4）的发射极均接地，第四三极管（Q4）的集电极与第六电阻（R6）一端、第一场效应管（T1）的栅极及第二场效应管（T2）的栅极相连，第六电阻（R6）另一端、第一场效应管（T1）的源极和第三三极管（Q3）的发射极均连接至+12V电源，第二场效应管（T2）的源极接地，第一场效应管（T1）的漏极和第二场效应管（T2）的漏极均连接第七电阻（R7）一端，第七电阻（R7）另一端连接第三三极管（Q3）的基极，第三三极管（Q3）的集电极连接第八电阻（R8）一端，第八电阻（R8）另一端连接第九电阻（R9）一端，第九电阻（R9）另一端连接至所述串口负压输出端（VEE）；第八电阻（R8）与第九电阻（R9）相连的一端作为串口总线输出信号端(Tx_232)；第三三极管（Q3）为PNP型三极管，第四三极管（Q4）为NPN型三极管；

所述串口信号输入转换电路包括瞬态抑制二极管（D2）、第十电阻（R10）、第十一电阻（R11）、第五三极管（Q5）、第十二电阻（R12）和第十三电阻（R13）；瞬态抑制二极管（D2）一端连接第十电阻（R10）一端，瞬态抑制二极管（D2）另一端接地，瞬态抑制二极管（D2）与第十电阻（R10）相连的一端作为串口总线输入信号接入端（Rx_232），第十电阻（R10）另一端与第十一电阻（R11）一端及第五三极管（Q5）的基极相连，第十一电阻（R11）另一端和第五三极管（Q5）的发射极均接地，第五三极管（Q5）的集电极与第十二电阻（R12）一端及第十三电阻（R13）一端相连，第十二电阻（R12）另一端连接至+3.3V电源，第十三电阻（R13）另一端作为CPU串口输入信号端（Rx_3.3V）；第五三极管（Q5）为NPN型三极管。

上述串口电压生成电路主要用于生成串口用负压(-10V)，该串口用负压由上述串口负压输出端（VEE）输出。上述PWM波电路可借用物联网智能教育终端中必须存在的I/O电源供电芯片DC/DC（如MP2307），其SW端输出PWM波。上述第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第一三极管（Q1）、第三电阻（R3）、第一电容（C1）、第一二极管、第二二极管组成负压生成电路。上述第二电容（C2）、第三电容（C3）和稳压二极管（D1）组成滤波及稳压电路。

上述串口信号输出转换电路主要用于将3.3V电源下串口逻辑输出电路与RS232输出电路信号电平之间的转换。CPU串口输出信号接入端（Tx_3.3V）与CPU串口输出信号相连。

上述第一场效应管T1为P沟道增强型MOSFET、第二场效应管T2为N沟道增强型MOSFET。

优选上述第九电阻（R9）与第八电阻（R8）的阻值之比为10。

上述串口信号输入转换电路主要用于将RS232输出电路信号电平与3.3V电源下串口输入电路之间的电平转换。

优选上述第十电阻（R10）与第十一电阻（R11）的阻值之比为4.5。

本实用新型采用分立电路，实现串口电平转换电路，且可借用物联网智能教育终端中必须存在的I/O电源供电芯片DC/DC的SW信号作为PWM波信号，生成负压VEE（-10V）为串口使用，相对于现有技术中采用电平转换集成电路来实现此电平变换的方案，具有成本低的优点。另外本实用新型还具有高鲁棒性的特点，即使在传输全“0”信号时仍能稳定传输。

附图说明

图1 是本实用新型优选实施例的电路原理框图；

图2 是图1中串口电压生成电路的电路原理图；

图3 是图1中串口信号输出转换电路；

图4 是图1中串口信号输入转换电路。

具体实施方式

如图1所示，这种基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路包括串口电压生成电路1、串口信号输出转换电路2和串口信号输入转换电路3。

参考图2，串口电压生成电路1包括PWM波电路、第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管Q1、第三电阻R3、第一电容C1、第一二极管、第二二极管、第二电容C2、第三电容C3和稳压二极管D1；PWM波电路具有输出PWM波信号的PWM波信号输出端，PWM波信号输出端与第一电阻R1一端相连，第一电阻R1另一端与第二电阻R2一端及第一三极管Q1的基极相连，第二电阻R2另一端和第一三极管Q1的发射极均接地，第一三极管Q1的集电极与第三电阻R3一端及第一电容C1一端相连，第三电阻R3另一端连接至+12V电源，第一电容C1另一端连接第一二极管的负极及第二二极管的正极，第二二极管的负极接地，第一二极管的正极与第二电容C2一端、第三电容C3一端及稳压二极管D1的正极相连，第二电容C2另一端、第三电容C3另一端及稳压二极管D1的负极均接地，稳压二极管D1的正极作为串口负压输出端VEE；第一三极管Q1为NPN型三极管。

本实施例中，上述第一二极管和第二二极管集合为器件Q2(BAT54S)，第一二极管的正极引出器件Q2的1引脚，第二二极管的负极引出器件Q2的2引脚，第一二极管的负极与第二二极管的正极的相连处引出器件Q2的3引脚。

串口电压生成电路1主要用于生成串口用负压(-10V)，该串口用负压由上述串口负压输出端VEE输出。上述PWM波电路借用物联网智能教育终端中必须存在的I/O电源供电芯片DC/DC（即MP2307），其SW端输出PWM波。第一电阻R1、第二电阻R2、第一三极管Q1、第三电阻R3、第一电容C1、第一二极管、第二二极管组成负压生成电路。上述第二电容C2、第三电容C3和稳压二极管D1组成滤波及稳压电路。

参考图3，串口信号输出转换电路2包括第四电阻R4、第五电阻R5、第四三极管Q4、第六电阻R6、第一场效应管T1、第二场效应管T2、第七电阻R7、第三三极管Q3、第八电阻R8和第九电阻R9；第四电阻R4一端作为CPU串口输出信号接入端Tx_3.3V，第四电阻R4另一端与第五电阻R5一端及第四三极管Q4的基极相连，第五电阻R5另一端和第四三极管Q4的发射极均接地，第四三极管Q4的集电极与第六电阻R6一端、第一场效应管T1的栅极及第二场效应管T2的栅极相连，第六电阻R6另一端、第一场效应管T1的源极和第三三极管Q3的发射极均连接至+12V电源，第二场效应管T2的源极接地，第一场效应管T1的漏极和第二场效应管T2的漏极均连接第七电阻R7一端，第七电阻R7另一端连接第三三极管Q3的基极，第三三极管Q3的集电极连接第八电阻R8一端，第八电阻R8另一端连接第九电阻R9一端，第九电阻R9另一端连接至所述串口负压输出端VEE；第九电阻R9与第八电阻R8的阻值之比为10；第八电阻R8与第九电阻R9相连的一端作为串口总线输出信号端Tx_232；第三三极管Q3为PNP型三极管，第四三极管Q4为NPN型三极管。

串口信号输出转换电路2主要用于将3.3V电源下串口逻辑输出电路与RS232输出电路信号电平之间的转换，CPU串口输出信号接入端Tx_3.3V与CPU串口输出信号相连。

第一场效应管T1为P沟道增强型MOSFET、第二场效应管T2为N沟道增强型MOSFET。

参考图4，串口信号输入转换电路3包括瞬态抑制二极管D2、第十电阻R10、第十一电阻R11、第五三极管Q5、第十二电阻R12和第十三电阻R13；瞬态抑制二极管D2一端连接第十电阻R10一端，瞬态抑制二极管D2另一端接地，瞬态抑制二极管D2与第十电阻R10相连的一端作为串口总线输入信号接入端Rx_232，第十电阻R10另一端与第十一电阻R11一端及第五三极管Q5的基极相连，第十一电阻R11另一端和第五三极管Q5的发射极均接地，第五三极管Q5的集电极与第十二电阻R12一端及第十三电阻R13一端相连，第十二电阻R12另一端连接至+3.3V电源，第十三电阻R13另一端作为CPU串口输入信号端Rx_3.3V；第五三极管Q5为NPN型三极管。

本实施例中第十电阻R10与第十一电阻R11的阻值之比为4.5。

串口信号输入转换电路3主要用于将RS232输出电路信号电平与3.3V电源下串口输入电路之间的电平转换。

下面简述一下本串口电平转换电路的工作原理：

串口电压生成电路1采用基于物联网智能教育终端的供电电源+12V，做为串口的正电压；借用智能教育终端的I/O电源DC/DC（芯片MP2307）的SW端输出的PWM波，生成负电压VEE（-10V），作为串口的输出负电压。

串口电压生成电路1生成负电压的原理如下：芯片MP2307的SW端输出PWM波信号；当PWM波为低电平时，第一三极管Q1截止，第一电容C1一端通过器件Q2的3－2引脚接地，器件Q2的3－1引脚反相截止，第一电容C1另一端通过第三电阻R3连接至+12V电源，此为RC充电电路，第一电容C1两端被充至+12V，此时第一电容C1左边电位高于右边电位；在PWM波为高电平时，第一三极管Q1导通，第一电容C1左边通过第一三极管Q1的集电极及发射极接地，第一电容C1左边电位为地电位（“0”电位），由于电容两端电压不能突变，因此，第一电容C1右边形成-12V电压，此时器件Q2的3-2引脚反向截止，而器件Q2的3-1引脚导通，并且在器件Q2的1引脚出形成-12V电压，该-12V电压通过第二电容C2、第三电容C3滤波，及稳压二极管D1稳压（稳压二极管D1采用LM3Z10V稳压二极管,其稳定电压为10V），在串口负压输出端VEE形成-10V 的VEE负电压，该负电压作为串口输出的负电压使用。

串口信号输出转换电路2的工作原理如下：在CPU发出信号逻辑“1”时，其电平为+3.3V，此时第四三极管Q4导通，第一场效应管T1、第二场效应管T2的栅极通过第四三极管Q4的集电极、发射极导通至地，第一场效应管T1、第二场效应管T2的漏极输出逻辑“1”，此电平为+12V，这时，第三三极管Q3截止，串口总线输出信号端Tx_232输出为VEE（即-10V电平），满足RS232在电气特性上遵循的逻辑1(MARK)电平为-3V～-15V。在CPU发出信号逻辑“0”时，其电平为0V，此时第四三极管Q4截止，第一场效应管T1、第二场效应管T2的栅极通过第六电阻R6连接至+12V电源，第一场效应管T1、第二场效应管T2的漏极输出逻辑“0”，此电平为0V，第三三极管Q3导通，串口总线输出信号端Tx_232的输出电压由第九电阻R9与第八电阻R8的阻值之比决定；第九电阻R9与第八电阻R8的阻值之比为10，此时串口总线输出信号端Tx_232的输出电压约为+10V，满足RS232在电气特性上遵循的逻辑0(SPACE)电平+3～＋15V。该串口信号输出转换电路具有输出电平高的优点，逻辑0为+10V，逻辑1为-10V；同时，即使在一直发送“0”或“1”的情况下，均能实现电平转换及传输，具有高鲁棒性的特点。

串口信号输入转换电路3的工作原理如下：在串口总线输入信号接入端Rx_232接收到逻辑“0”时，其电平为+3～＋15V，此时第五三极管Q5导通（通过合理设置第十电阻R10与第十一电阻R11的阻值之比，可实现在此电平范围内第五三极管Q5均可导通），CPU串口输入信号端Rx_3.3V输出电平为0V，即相对于CPU的串口为逻辑“0”。在串口总线输入信号接入端Rx_232接收到逻辑“1”时，其电平为-3～-15V，此时第五三极管Q5截止，CPU串口输入信号端Rx_3.3V输出电平为+3.3V，即相对于CPU的串口为逻辑“1”。该串口信号输入转换电路在输入端加入瞬态抑制二极管D2，作为输入信号线上的保护，防止信号线上的信号突变对接收电路的损害。

Claims (4)

1.一种基于物联网的智能教育终端的串口电平转换电路，包括串口电压生成电路、串口信号输出转换电路和串口信号输入转换电路，其特征是：

所述串口电压生成电路包括PWM波电路、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第一三极管（Q1）、第三电阻（R3）、第一电容（C1）、第一二极管、第二二极管、第二电容（C2）、第三电容（C3）和稳压二极管（D1）；PWM波电路具有输出PWM波信号的PWM波信号输出端，PWM波信号输出端与第一电阻（R1）一端相连，第一电阻（R1）另一端与第二电阻（R2）一端及第一三极管（Q1）的基极相连，第二电阻（R2）另一端和第一三极管（Q1）的发射极均接地，第一三极管（Q1）的集电极与第三电阻（R3）一端及第一电容（C1）一端相连，第三电阻（R3）另一端连接至+12V电源，第一电容（C1）另一端连接第一二极管的负极及第二二极管的正极，第二二极管的负极接地，第一二极管的正极与第二电容（C2）一端、第三电容（C3）一端及稳压二极管（D1）的正极相连，第二电容（C2）另一端、第三电容（C3）另一端及稳压二极管（D1）的负极均接地，稳压二极管（D1）的正极作为串口负压输出端（VEE）；第一三极管（Q1）为NPN型三极管；

所述串口信号输出转换电路包括第四电阻（R4）、第五电阻（R5）、第四三极管（Q4）、第六电阻（R6）、第一场效应管（T1）、第二场效应管（T2）、第七电阻（R7）、第三三极管（Q3）、第八电阻（R8）和第九电阻（R9）；第四电阻（R4）一端作为CPU串口输出信号接入端（Tx_3.3V），第四电阻（R4）另一端与第五电阻（R5）一端及第四三极管（Q4）的基极相连，第五电阻（R5）另一端和第四三极管（Q4）的发射极均接地，第四三极管（Q4）的集电极与第六电阻（R6）一端、第一场效应管（T1）的栅极及第二场效应管（T2）的栅极相连，第六电阻（R6）另一端、第一场效应管（T1）的源极和第三三极管（Q3）的发射极均连接至+12V电源，第二场效应管（T2）的源极接地，第一场效应管（T1）的漏极和第二场效应管（T2）的漏极均连接第七电阻（R7）一端，第七电阻（R7）另一端连接第三三极管（Q3）的基极，第三三极管（Q3）的集电极连接第八电阻（R8）一端，第八电阻（R8）另一端连接第九电阻（R9）一端，第九电阻（R9）另一端连接至所述串口负压输出端（VEE）；第八电阻（R8）与第九电阻（R9）相连的一端作为串口总线输出信号端(Tx_232)；第三三极管（Q3）为PNP型三极管，第四三极管（Q4）为NPN型三极管；

所述串口信号输入转换电路包括瞬态抑制二极管（D2）、第十电阻（R10）、第十一电阻（R11）、第五三极管（Q5）、第十二电阻（R12）和第十三电阻（R13）；瞬态抑制二极管（D2）一端连接第十电阻（R10）一端，瞬态抑制二极管（D2）另一端接地，瞬态抑制二极管（D2）与第十电阻（R10）相连的一端作为串口总线输入信号接入端（Rx_232），第十电阻（R10）另一端与第十一电阻（R11）一端及第五三极管（Q5）的基极相连，第十一电阻（R11）另一端和第五三极管（Q5）的发射极均接地，第五三极管（Q5）的集电极与第十二电阻（R12）一端及第十三电阻（R13）一端相连，第十二电阻（R12）另一端连接至+3.3V电源，第十三电阻（R13）另一端作为CPU串口输入信号端（Rx_3.3V）；第五三极管（Q5）为NPN型三极管。

2.根据权利要求1所述的串口电平转换电路，其特征在于：所述第一场效应管（T1）为P沟道增强型MOSFET、第二场效应管（T2）为N沟道增强型MOSFET。

3.根据权利要求1所述的串口电平转换电路，其特征在于：所述第九电阻（R9）与第八电阻（R8）的阻值之比为10。

4.根据权利要求1所述的串口电平转换电路，其特征在于：所述第十电阻（R10）与第十一电阻（R11）的阻值之比为4.5。