電路仿真軟件在“機電一體化技術”課程教學中的應用研究

摘 要：“機電一體化技術”課程是機械工程及其自動化專業(yè)的核心專業(yè)課程，本文是對仿真軟件在該課程教學中實踐應用的研究總結，并重點指出如何利用電路仿真軟件PROTEUS來解決人機接口和機電接口學習環(huán)節(jié)中的一些問題。將PROTEUS軟件仿真特點與Keil C開發(fā)工具進行有機結合，詳細分析了PROTEUS在“機電一體化技術”課程的課堂教學、課程設計和畢業(yè)設計中的應用模式與方法，為學生在PROTEUS電路仿真分析能力和實際的控制系統(tǒng)軟硬件設計綜合能力提升打下良好基礎。

關鍵詞：機電一體化 教學 仿真 PROTEUS

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0135-02

“機電一體化技術”課程是機械制造及其自動化和機械電子工程等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，因此，學好該課程能為學生畢業(yè)后擇業(yè)打下良好基礎。而該課程的微機控制部分和檢測部分是以單片微機（MCU）接口技術為核心的實踐性很強的學習環(huán)節(jié)，因此，本課程需重點強化人機、機電、計測等環(huán)節(jié)的實踐教學內容，結合仿真軟件能夠使學生充分掌握單片微機接口系統(tǒng)的電路設計和仿真方法，是提高機電專業(yè)教學質量和培養(yǎng)機電工程開發(fā)型人才的一個重要內容。

1 課程教學環(huán)節(jié)中存在的問題

目前，涉及“機電一體化技術”課程中微機接口控制方面的核心教學環(huán)節(jié)是接口電路設計與程序設計，微機控制系統(tǒng)設計內容貫穿于課堂教學、課程實驗、課程設計及畢業(yè)設計等教學環(huán)節(jié)中。而在這幾個方面都不同程度存在一些問題。

1.1 課堂理論教學

在課堂教學中，主要介紹微機系統(tǒng)中的片內資源及典型接口電路。傳統(tǒng)教學中，機電專業(yè)學生一開始接觸這些知識點時，知識體系抽象，學習起來不好理解、費力，而且單片微機內部資源的應用、接口和程序運行過程等沒有有效直觀的展示和表現(xiàn)，仍然停留在云里霧里的階段，甚至有些學生在學習完該內容后，還不知道各類中斷服務程序是如何被執(zhí)行，其主要原因是缺乏有效的演示方法。

1.2 課程實驗與課程設計

在課程實驗和課程設計中實踐環(huán)節(jié)，大多數(shù)學校都會采用單片機實驗箱（臺）來完成實驗內容，并且主要完成一些驗證性實驗，實驗過程單一，主要的硬件連接以及主程序都是現(xiàn)成的，學生要完成的任務就是：上電后做一些簡單連線，下載固件程序，記錄實現(xiàn)結果。學生完成若干實驗后，對電路實驗中所使用的硬件電路，芯片間的關系以及程序流程內容并不怎么了解，并沒深入掌握其本質內容，所以當學生初次接觸實驗箱（臺）時，一旦接錯線或電路出現(xiàn)問題時，非常容易造成實驗設備的損壞。另外，在使用單片機實驗箱（臺）時，一旦出現(xiàn)不能遠行的實驗問題，原因查找更為困難。由于實驗箱（臺）系統(tǒng)比較復雜，維護也很困難，難以對損壞的部件維修，只能更換設備，會帶來費用上的增加。

1.3 畢業(yè)設計

常規(guī)的畢業(yè)設計流程是：對機電系統(tǒng)進行總體規(guī)劃和設計，并按照自己的設計方向（如機械結構部分、電控系統(tǒng)部分、系統(tǒng)控制軟件部分）細化設計內容。對于電控系統(tǒng)設計方向題目，一般根據(jù)機電系統(tǒng)的各個功能模塊，首先設計出整體理論電路原理圖，并以該電路為參考，購買元器件；其次，按照電路原理圖在面包板上進行電路搭建，最后，把寫好的程序用編程器下載到單片微機實驗板上運行調試。在實際操作過程中，由于學生電路設計和實踐經驗很少，會出現(xiàn)各種各樣的問題，如電路設計的缺陷、電路搭建過程中出現(xiàn)的漏焊、錯焊以及元器件的故障問題，都會給設計過程帶來很大的麻煩，因此，有必要尋找一種簡單有效的工具來解決這些問題，PROTEUS仿真軟件的出現(xiàn)能夠為畢業(yè)設計過程帶來有效的幫助。

2 PROTEUS仿真軟件

伴隨著計算機軟、硬件技術的發(fā)展，各種仿真系統(tǒng)為實際應用系統(tǒng)的設計與開發(fā)提供了有力的保證，極大的節(jié)約了人力和物力。在以往的MCS51系列、PIC系列、ARM系列單片微機學習、單片微機系統(tǒng)的設計開發(fā)中，常用的軟件主要有Keil C51、Wave 等相應的專用開發(fā)軟件。對于Keil C51軟件來說，主要是進行MCS51單片微機控制軟件的編譯調試，Wave可以進行軟件仿真，也可以在系統(tǒng)板上調試，并需要有相應的仿真器而且需要先設計出系統(tǒng)目標板才行。而能仿真微處理器的軟件PROTEUS，是目前能夠很好的進行單片微機及外圍器件仿真的工具。

PROTEUS仿真軟件的功能特點如下：

（1）符合單片微機軟件仿真系統(tǒng)的標準，可以仿真的單片微機包括目前常見的MCS51系列、MicroChip PIC系列、AVR系列和ARM7等。并支持微機系統(tǒng)開發(fā)過程中所使用的大量存儲器件和和外圍接口芯片。

（2）仿真基于PROTEUS，能進行模擬電路分析、數(shù)字電路仿真、混合信號分析及頻率信號分析等電路分析。

（3）提供虛擬示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、計數(shù)器、電表及虛擬終端等虛擬儀器儀表供選用，方便對仿真電路的虛擬測試分析。

（4）利用該軟件還可以方便的進行電路原理圖（SCH）的繪制和印刷電路板（PCB）的設計。

（5）PROTEUS能和Keil C51無縫集成，實現(xiàn)直接聯(lián)調，在程序設計的過程中將程序虛擬下載到仿真電路中進行運行狀態(tài)的測試和結果分析。

3 PROTEUS在單片微機教學中的應用[2]

3.1 仿真工具在機電一體化課程微機控制教學環(huán)節(jié)的意義

針對以往教學環(huán)節(jié)中的各類問題，仿真工具為實踐教學提供了一個有效的輔助手段。借助PROTEUS可以對MCU和其外圍電路進行有效的功能及過程仿真，并帶有豐富的資源庫，學生可以實現(xiàn)更多的實驗項目，改變傳統(tǒng)實驗項目的局限性。并且PROTEUS能夠替代硬件實驗板和仿真器實現(xiàn)“軟硬件聯(lián)機”調試，到仿真結果與預期設計結果一致時，便可以購置硬件，進行硬件電路搭建調試。采用這種設計和開發(fā)方式效率高，控制電路調整便捷，不需要購置額外大量的實驗材料，就能夠完成前期大量的預實驗過程和測試過程，可以極大的拓展學生的設計創(chuàng)新能力。

3.2 PROTEUS虛擬實驗室引入機電課程的課堂教學

在機電一體化技術課程的接口設計環(huán)節(jié)中：

第一，應先采用PROTEUS進行實例演示，增強教學生動性和直觀性。教師可以提前制作好一些典型的應用系統(tǒng)，如流水燈電路（對應戶外建筑物的霓虹燈控制電路）、交通信號燈控制電路及戶外LED顯示屏控制電路、LCD顯示電路（對應各類智能儀器儀表中的顯示控制電路）、步進電機控制電路等，并進行現(xiàn)場實驗演示。讓學生對微機及接口系統(tǒng)有一個直觀認識，明白局部系統(tǒng)和完整的控制系統(tǒng)的含義，清楚微機在機電系統(tǒng)中的作用和應用情況。

第二，利用PROTEUS快速明確微機系統(tǒng)中的基本概念，并掌握微機系統(tǒng)控制體系的難點，例如：MCS51系列單片微機中的P3口作為準雙向口的概念，如何應用是較難掌握的一個問題；中斷如何產生并進行終端響應的概念；八段LED顯示器的位選和線選如何區(qū)別；串行通信如何實現(xiàn)等接口設計過程中的重點和難點，均可借助PROTEUS進行演示，并且在演示過程中，可以用不同（紅藍）顏色顯示芯片引腳狀態(tài)變化的功能，可以通過單步調試的方法觀察微機接口各引腳電平變化情況，通過改變程序內容或指令，觀察運行效果，從而掌握各程序語句含義，最終實現(xiàn)學生的有效快速掌握。

第三，實驗過程中也可借助信號發(fā)生器、波形發(fā)生器、虛擬示波器、虛擬分析儀、發(fā)光管、電壓電流表、LCD與LED顯示器、虛擬串口、虛擬計數(shù)器對實驗進行控制信號的輸入、運行過程中的實時檢測和狀態(tài)顯示，很直觀判斷和了解不同電路的作用。

第四，在機電一體化課程接口設計的實驗環(huán)節(jié)，借助PROTEUS仿真軟件提供的豐富仿真器件資源，打破學生每次實驗時只能用到實驗箱（臺）的固定模塊、實驗項目簡單、實驗過程單調且實驗內容少的局面，使學生深入了解接口電路的硬件原理及設計步驟，創(chuàng)造了更多的分析問題、解決問題的機會，提高了學生做實驗的興趣，并且學生的機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)設計能力得到很好的鍛煉。

3.3 機電專業(yè)學生的課程設計和畢業(yè)設計環(huán)節(jié)綜合能力提升

學生的課程設計環(huán)節(jié)，學生應根據(jù)實驗室現(xiàn)有硬件實驗條件，利用PROTEUS進行電路原理圖的設計與仿真，并在相應的硬件電路上進行進一步實驗，仿真程序在現(xiàn)有實驗環(huán)境下運行，驗證實物效果；借助此環(huán)節(jié)，系統(tǒng)和熟練掌握PROTEUS各個功能。在進行畢業(yè)設計時，導師可以讓學生根據(jù)畢業(yè)設計題目，規(guī)劃和設計機電系統(tǒng)或微機控制的總體結構，在師生之間共同討論方案可行性之后，由學生進行后期的詳細設計，這將最大限度的培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新意識。在詳細設計環(huán)節(jié)，學生采用PROTEUS進行電路原理圖設計，編制測試程序、系統(tǒng)控制程序并調試，等各項仿真目標實現(xiàn)后再購置器件進行電路焊接和系統(tǒng)調試。采用這種形式可以降低因方案不正確或電路搭接錯誤而造成硬件投入，提高學生實驗能力和開發(fā)能力。

4 結語

將PROTEUS軟件引入機電一體化技術課程的各個實踐教學環(huán)節(jié)中，提高了學生的實驗興趣和創(chuàng)新能力，提高了教學效率，對學生實踐能力的培養(yǎng)具有現(xiàn)實意義。而且由于其仿真過程直觀，操作靈活，必將收到良好的教學效果，為機電一體化技術接口設計教學環(huán)節(jié)提供了良好的實驗平臺。

參考文獻

[1]代啟化.基于PROTEUS的電路設計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術，2006，234（19）：82-84.

[2]熊剛，劉元剛，胡啟迪.PROTEUS在單片微機教學中的應用[J].柳州職業(yè)技術學院學報，2011，11（3）：82-85.

[3]廖效果.數(shù)控技術[M].湖北科學技術出版社.