利用單片機(jī)仿真技術(shù)設(shè)計(jì)電子臺(tái)歷的教學(xué)分析

一、概述

在單片機(jī)教學(xué)中課堂講解原理是傳統(tǒng)教學(xué)的主要方式，而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用固定模塊實(shí)驗(yàn)箱知識(shí)作為輔助教學(xué)部分。在進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“流水燈控制”中，硬件條件基本是固定的，幾乎沒(méi)有機(jī)會(huì)讓學(xué)生親自設(shè)計(jì)電路和對(duì)內(nèi)容的自動(dòng)設(shè)計(jì)，不能以達(dá)到真正的學(xué)習(xí)目的。那么在教學(xué)中采用Proteus仿真軟件，對(duì)整個(gè)硬件電子臺(tái)歷的整個(gè)硬件系統(tǒng)可以進(jìn)行虛擬模擬，方便簡(jiǎn)單的操作，是開(kāi)發(fā)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)時(shí)間減少，很便于進(jìn)行教學(xué)。

二、基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的電子臺(tái)歷教學(xué)分析

1.總體介紹電子臺(tái)歷設(shè)計(jì)

在日常生活中常使用電子臺(tái)歷作為計(jì)時(shí)工具，應(yīng)用秒、分、時(shí)、星期、日、月、年的數(shù)字同時(shí)顯示方式誤差小、走時(shí)準(zhǔn)確，在功能調(diào)整和設(shè)定時(shí)間方面很方便。軟件和硬件設(shè)計(jì)過(guò)程同步進(jìn)行是電子臺(tái)歷的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。調(diào)時(shí)按鍵電路、LED顯示電路、AT89C52單片機(jī)等是其硬件的主要組成部分。電子臺(tái)歷在Proteus環(huán)境中進(jìn)行仿真環(huán)節(jié)，在Keil環(huán)境進(jìn)行軟件編寫(xiě)。實(shí)時(shí)調(diào)試編寫(xiě)好的程序是通過(guò)具有聯(lián)動(dòng)功能的Proteus和Keil實(shí)現(xiàn)的。

2.硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖如圖一所示。AT8 9C52是本系統(tǒng)采用的單片機(jī)，AT89C52、CRYSTA L(11.0592MHz)、CAP(30pF)、電源等是系統(tǒng)器件主要包括的內(nèi)容。讓學(xué)生掌握設(shè)計(jì)外圍電路和程序是本次實(shí)驗(yàn)的主要目的，LCD顯示器的讀寫(xiě)控制和定時(shí)器中斷控制是在程序方面需要掌握的，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)所有時(shí)間的設(shè)置。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的積極性得到一定程度的激發(fā)，學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力得到提升。

3.軟件設(shè)計(jì)

主要包括顯示數(shù)據(jù)、按鍵檢測(cè)、程序初始化等部分，仿真原理圖如圖二所示。

三、基于STC單片機(jī)與CPLD控制器的電子臺(tái)歷設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中外圍功能的擴(kuò)展由CPLD來(lái)完成，“STC+CPLD+單元模塊”主要采用的方式，其中單元模塊的內(nèi)容有：ISD1420P語(yǔ)音模塊、DS1302時(shí)鐘模塊、LCD1602液晶顯示模塊、DS1 8B20溫度采集模塊、人機(jī)交互控制接口模塊、RS232通信接口模塊等。

1.CPLD內(nèi)的門(mén)電路，擁有很強(qiáng)的組合邏輯功能，任何數(shù)字元件的功能它都能完成。Altera公司的EPM7064是本系統(tǒng)中選擇的CPLD，根據(jù)需要和單片機(jī)之間的連接可以靈活應(yīng)用不同的擴(kuò)展方法，總線接口方案在這次試驗(yàn)中被采用，即包含地址、控制、數(shù)據(jù)三總線結(jié)構(gòu)。地址譯碼、地址所存主要由CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且它產(chǎn)生控制邏輯電路來(lái)滿(mǎn)足LCD1602、ISD1420P時(shí)序以及外圍其他對(duì)象與單片機(jī)邏輯時(shí)序匹配電路接口設(shè)計(jì)。任何分離元件都不需要系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性就能增加。

2.設(shè)計(jì)溫度采集電路。采用可編程單線輸出數(shù)字溫度傳感器DS18B20溫度采集芯片，與單片機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)只需要一個(gè)引腳，-55℃-+125℃為測(cè)溫范圍，具有多點(diǎn)測(cè)溫的功能，它與單片機(jī)完成溫度數(shù)據(jù)處理和采集能直接實(shí)現(xiàn)而不需要應(yīng)用復(fù)雜的AD轉(zhuǎn)換電路和溫度調(diào)制電路，以“單總線”的數(shù)式將測(cè)得的現(xiàn)場(chǎng)溫度直接傳輸給單片機(jī)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和抗干擾性得到了大大的提高。只需一個(gè)雙向I/O端口就能實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的連接，在構(gòu)成精確的溫度檢測(cè)系統(tǒng)中不需要任何外部器件。

3.設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路。采用帶RAM、低功耗、高性能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路DS1302芯片，年、月、日、周日、時(shí)、分、秒是其可以精確計(jì)時(shí)的范圍，另外具有斷電保時(shí)和閏年補(bǔ)償方面的功能。通過(guò)AM/PM對(duì)時(shí)鐘操作設(shè)置24和12小時(shí)格式，2.5V～5.5V為工作電壓。與STC單片機(jī)的同步串行通信是通過(guò)SCLK、I/O、RST三線來(lái)完成的。一次傳送多個(gè)字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)或時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)突發(fā)方式來(lái)進(jìn)行的。單片機(jī)根據(jù)傳送數(shù)據(jù)和控制命令字的時(shí)序?qū)S1302重讀取實(shí)時(shí)時(shí)間和新設(shè)置時(shí)間。

圖一 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)框圖

圖二 基于STC單片機(jī)與CPLD控制器的電子臺(tái)歷protuse仿真原理圖

圖三 基于Proteus的單片機(jī)教學(xué)流程圖

4.設(shè)計(jì)語(yǔ)音播報(bào)電路。采用包含COMS技術(shù)的ISD1420P芯片作為該項(xiàng)電路，20s為單片錄音時(shí)間，且擁有好的音質(zhì)。ISD1420P芯片在錄放操作結(jié)束的時(shí)候，只需要0.5uA功耗就能自主的進(jìn)入低功耗節(jié)電模式。5.3，6.4到8.0KHz為采樣頻率，在不需要備用電源的情況下100年是片內(nèi)信息可以保存的時(shí)間，16歐以上的揚(yáng)聲器可以被直接驅(qū)動(dòng)，反復(fù)錄音10萬(wàn)次以上是它的E2PROM具備的巨大功能。

5.設(shè)計(jì)顯示電路。系統(tǒng)中LCD1602液晶顯示屏來(lái)進(jìn)行顯示，所能顯示的符號(hào)有常見(jiàn)的符號(hào)、數(shù)字、字母，進(jìn)行1行顯示時(shí)每行16個(gè)字，進(jìn)行2行顯示時(shí)每行顯示16個(gè)字母或數(shù)字。它與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換是并行數(shù)據(jù)傳輸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)碼管相比電路簡(jiǎn)單、對(duì)單片機(jī)端口的占用和PCB板面積的使用較少，需要使用CPLD的I/O一個(gè)端口和STC單片機(jī)10個(gè)端口。其缺陷是比較復(fù)雜的軟件編程、比較差的亮度、顯示屏上的時(shí)間和溫度只能近距離看到。

6.設(shè)計(jì)鍵盤(pán)和RS232接口電路。該系統(tǒng)中鍵盤(pán)和RS232接口電路結(jié)構(gòu)承擔(dān)非常重要的工作任務(wù)，雖然該結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)、比較簡(jiǎn)單。PCB板TTL到PC機(jī)RS232的電平轉(zhuǎn)換是通過(guò)RS232接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了提高系統(tǒng)的兼容性和可靠性，在設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)換IC用MAX232或STC232芯片。單片機(jī)ISP下載通訊任務(wù)主要由該RS232接口電路來(lái)完成。

四、基于Proteus教學(xué)流程的優(yōu)勢(shì)

1.作為EDA工具軟件Proteus由兩個(gè)軟件構(gòu)成即ISIS和ARES，Proteus印刷電路板設(shè)計(jì)和Proteus虛擬系統(tǒng)模型是Proteus的兩大基本結(jié)構(gòu)部分。它不僅是是一種多種型號(hào)微控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，更是模/數(shù)混合電路、數(shù)字電路、模擬電路的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)試與仿真、電路分析與仿真、功能驗(yàn)證、系統(tǒng)測(cè)試到形成PCB的完整的電子研發(fā)、設(shè)計(jì)，它真正實(shí)現(xiàn)了這些過(guò)程在計(jì)算上完成。在教育、生產(chǎn)、和設(shè)計(jì)等方面Proteus得到了廣泛的應(yīng)用。基于Proteus的單片機(jī)教學(xué)流程圖如圖三所示。

2.基于Proteus教學(xué)設(shè)計(jì)流程的優(yōu)勢(shì)。建立在標(biāo)準(zhǔn)模塊硬件上的實(shí)驗(yàn)，對(duì)有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容學(xué)生只是需要課前進(jìn)行預(yù)習(xí)，把編好的程序在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行燒錄，然后驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。而基于Proteus單片機(jī)實(shí)驗(yàn)擁有的優(yōu)勢(shì)如下：

a、提供大量可供學(xué)生參考與自學(xué)的范例

在原設(shè)計(jì)上學(xué)生可以進(jìn)行自己的修改、設(shè)計(jì)，拓展自己的知識(shí)和編程能力。

b、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生可以利用該軟件進(jìn)行路圖設(shè)計(jì)和仿真，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板上的學(xué)生不能更改的局限性、硬件電路固定，學(xué)習(xí)興趣得到提高、學(xué)生的思路得以擴(kuò)展，學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識(shí)也得到了一定程度上的提高。

c、較真實(shí)的硬件軟件仿真調(diào)試，操作簡(jiǎn)單

Proteus能夠使學(xué)生對(duì)程序設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)得到滿(mǎn)足。首先設(shè)計(jì)電路是在Proteus的ISIS環(huán)境下，其次編寫(xiě)程序是在Keil等環(huán)境下。當(dāng)編寫(xiě)、設(shè)計(jì)好基該電路的程序和該電路時(shí)，程序聯(lián)調(diào)可以在Proteus環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期控制要求進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真的過(guò)程中能夠隨時(shí)修改編程方面或硬件的不足。

d、具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，較少的硬件投入費(fèi)用

AVR、PIC、ARM的微處理器CPU模型Proteus都支持，購(gòu)買(mǎi)各種系列單片機(jī)的費(fèi)用將不存在。Proteus元件庫(kù)中的元件很豐富，其中大部分元件可以直接用于搭建接口電路，并且經(jīng)濟(jì)、可靠。然而如果在在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用真實(shí)的元件和儀器，會(huì)產(chǎn)生工作量和費(fèi)用比較大的儀器的維護(hù)和元件的損壞。為了減少試驗(yàn)中元器件的損耗采用Proteus軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而且比較安全。

總之，基于Proteus的單片機(jī)教學(xué)在很多方面都有改善，能夠達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，硬件方面的開(kāi)支也得到很大程度的節(jié)省，很大程度上幫助學(xué)生提高了獨(dú)立創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)的積極性，成為不可或缺的單片機(jī)教學(xué)軟件。

五、結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用軟件資源進(jìn)行輔助即基于Proteus仿真平臺(tái)的單片機(jī)教學(xué)，作為教學(xué)方法的一項(xiàng)改革開(kāi)辟了一個(gè)新的有效單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能夠達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，硬件方面的開(kāi)支也得到很大程度的節(jié)省，很大程度上幫助學(xué)生提高了獨(dú)立創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)的積極性。

隨著發(fā)展迅速的單片機(jī)技術(shù)在很多領(lǐng)域都的應(yīng)用，微控制系統(tǒng)的核心就是單片機(jī)，在國(guó)內(nèi)各個(gè)高校中理工科電子信息專(zhuān)業(yè)只有對(duì)該領(lǐng)域?qū)I(yè)的人才培養(yǎng)的過(guò)程中，只有不斷摸索研究才能不斷適合社會(huì)發(fā)展的需要。

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