利用單片機仿真技術設計電子臺歷的教學分析

一、概述

在單片機教學中課堂講解原理是傳統教學的主要方式，而進行實驗時應用固定模塊實驗箱知識作為輔助教學部分。在進行驗證性實驗“流水燈控制”中，硬件條件基本是固定的，幾乎沒有機會讓學生親自設計電路和對內容的自動設計，不能以達到真正的學習目的。那么在教學中采用Proteus仿真軟件，對整個硬件電子臺歷的整個硬件系統可以進行虛擬模擬，方便簡單的操作，是開發費用和開發時間減少，很便于進行教學。

二、基于單片機技術設計的電子臺歷教學分析

1.總體介紹電子臺歷設計

在日常生活中常使用電子臺歷作為計時工具，應用秒、分、時、星期、日、月、年的數字同時顯示方式誤差小、走時準確，在功能調整和設定時間方面很方便。軟件和硬件設計過程同步進行是電子臺歷的設計特點。調時按鍵電路、LED顯示電路、AT89C52單片機等是其硬件的主要組成部分。電子臺歷在Proteus環境中進行仿真環節，在Keil環境進行軟件編寫。實時調試編寫好的程序是通過具有聯動功能的Proteus和Keil實現的。

2.硬件設計

系統電路設計框圖如圖一所示。AT8 9C52是本系統采用的單片機，AT89C52、CRYSTA L(11.0592MHz)、CAP(30pF)、電源等是系統器件主要包括的內容。讓學生掌握設計外圍電路和程序是本次實驗的主要目的，LCD顯示器的讀寫控制和定時器中斷控制是在程序方面需要掌握的，通過單片機內部的定時器來實現所有時間的設置。通過此次實驗學生學習單片機的積極性得到一定程度的激發，學生的動手能力和獨立思考能力得到提升。

3.軟件設計

主要包括顯示數據、按鍵檢測、程序初始化等部分，仿真原理圖如圖二所示。

三、基于STC單片機與CPLD控制器的電子臺歷設計

該設計中外圍功能的擴展由CPLD來完成，“STC+CPLD+單元模塊”主要采用的方式，其中單元模塊的內容有：ISD1420P語音模塊、DS1302時鐘模塊、LCD1602液晶顯示模塊、DS1 8B20溫度采集模塊、人機交互控制接口模塊、RS232通信接口模塊等。

1.CPLD內的門電路，擁有很強的組合邏輯功能，任何數字元件的功能它都能完成。Altera公司的EPM7064是本系統中選擇的CPLD，根據需要和單片機之間的連接可以靈活應用不同的擴展方法，總線接口方案在這次試驗中被采用，即包含地址、控制、數據三總線結構。地址譯碼、地址所存主要由CPLD來實現，并且它產生控制邏輯電路來滿足LCD1602、ISD1420P時序以及外圍其他對象與單片機邏輯時序匹配電路接口設計。任何分離元件都不需要系統的穩定性和可靠性就能增加。

2.設計溫度采集電路。采用可編程單線輸出數字溫度傳感器DS18B20溫度采集芯片，與單片機通信的實現只需要一個引腳，-55℃-+125℃為測溫范圍，具有多點測溫的功能，它與單片機完成溫度數據處理和采集能直接實現而不需要應用復雜的AD轉換電路和溫度調制電路，以“單總線”的數式將測得的現場溫度直接傳輸給單片機，系統的實時性和抗干擾性得到了大大的提高。只需一個雙向I/O端口就能實現與單片機的連接，在構成精確的溫度檢測系統中不需要任何外部器件。

3.設計時鐘電路。采用帶RAM、低功耗、高性能的實時時鐘電路DS1302芯片，年、月、日、周日、時、分、秒是其可以精確計時的范圍，另外具有斷電保時和閏年補償方面的功能。通過AM/PM對時鐘操作設置24和12小時格式，2.5V～5.5V為工作電壓。與STC單片機的同步串行通信是通過SCLK、I/O、RST三線來完成的。一次傳送多個字節的RAM數據或時鐘信號是通過突發方式來進行的。單片機根據傳送數據和控制命令字的時序對DS1302重讀取實時時間和新設置時間。

圖一 系統電路設計框圖

圖二 基于STC單片機與CPLD控制器的電子臺歷protuse仿真原理圖

圖三 基于Proteus的單片機教學流程圖

4.設計語音播報電路。采用包含COMS技術的ISD1420P芯片作為該項電路，20s為單片錄音時間，且擁有好的音質。ISD1420P芯片在錄放操作結束的時候，只需要0.5uA功耗就能自主的進入低功耗節電模式。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年是片內信息可以保存的時間，16歐以上的揚聲器可以被直接驅動，反復錄音10萬次以上是它的E2PROM具備的巨大功能。

5.設計顯示電路。系統中LCD1602液晶顯示屏來進行顯示，所能顯示的符號有常見的符號、數字、字母，進行1行顯示時每行16個字，進行2行顯示時每行顯示16個字母或數字。它與單片機之間的數據交換是并行數據傳輸方式來實現的。本系統設計與數碼管相比電路簡單、對單片機端口的占用和PCB板面積的使用較少，需要使用CPLD的I/O一個端口和STC單片機10個端口。其缺陷是比較復雜的軟件編程、比較差的亮度、顯示屏上的時間和溫度只能近距離看到。

6.設計鍵盤和RS232接口電路。該系統中鍵盤和RS232接口電路結構承擔非常重要的工作任務，雖然該結構容易實現、比較簡單。PCB板TTL到PC機RS232的電平轉換是通過RS232接口電路來實現的，為了提高系統的兼容性和可靠性，在設計中轉換IC用MAX232或STC232芯片。單片機ISP下載通訊任務主要由該RS232接口電路來完成。

四、基于Proteus教學流程的優勢

1.作為EDA工具軟件Proteus由兩個軟件構成即ISIS和ARES，Proteus印刷電路板設計和Proteus虛擬系統模型是Proteus的兩大基本結構部分。它不僅是是一種多種型號微控制器系統的設計與仿真平臺，更是模/數混合電路、數字電路、模擬電路的設計與仿真平臺。從原理圖設計、單片機代碼級調試與仿真、電路分析與仿真、功能驗證、系統測試到形成PCB的完整的電子研發、設計，它真正實現了這些過程在計算上完成。在教育、生產、和設計等方面Proteus得到了廣泛的應用。基于Proteus的單片機教學流程圖如圖三所示。

2.基于Proteus教學設計流程的優勢。建立在標準模塊硬件上的實驗，對有關實驗內容學生只是需要課前進行預習，把編好的程序在實驗時進行燒錄，然后驗證實驗結果。而基于Proteus單片機實驗擁有的優勢如下：

a、提供大量可供學生參考與自學的范例

在原設計上學生可以進行自己的修改、設計，拓展自己的知識和編程能力。

b、激發學習興趣

學生可以利用該軟件進行路圖設計和仿真，避免了傳統實驗板上的學生不能更改的局限性、硬件電路固定，學習興趣得到提高、學生的思路得以擴展，學生的創新能力和創新意識也得到了一定程度上的提高。

c、較真實的硬件軟件仿真調試，操作簡單

Proteus能夠使學生對程序設計和電路設計的學習得到滿足。首先設計電路是在Proteus的ISIS環境下，其次編寫程序是在Keil等環境下。當編寫、設計好基該電路的程序和該電路時，程序聯調可以在Proteus環境下進行，對設計的系統能否達到預期控制要求進行驗證。在仿真的過程中能夠隨時修改編程方面或硬件的不足。

d、具有明顯的經濟優勢，較少的硬件投入費用

AVR、PIC、ARM的微處理器CPU模型Proteus都支持，購買各種系列單片機的費用將不存在。Proteus元件庫中的元件很豐富，其中大部分元件可以直接用于搭建接口電路，并且經濟、可靠。然而如果在在實驗教學中應用真實的元件和儀器，會產生工作量和費用比較大的儀器的維護和元件的損壞。為了減少試驗中元器件的損耗采用Proteus軟件進行實驗而且比較安全。

總之，基于Proteus的單片機教學在很多方面都有改善，能夠達到較好的實驗效果，硬件方面的開支也得到很大程度的節省，很大程度上幫助學生提高了獨立創新能力和學習的積極性，成為不可或缺的單片機教學軟件。

五、結束語

在傳統實驗教學中利用軟件資源進行輔助即基于Proteus仿真平臺的單片機教學，作為教學方法的一項改革開辟了一個新的有效單片機實驗教學，能夠達到較好的實驗效果，硬件方面的開支也得到很大程度的節省，很大程度上幫助學生提高了獨立創新能力和學習的積極性。

隨著發展迅速的單片機技術在很多領域都的應用，微控制系統的核心就是單片機，在國內各個高校中理工科電子信息專業只有對該領域專業的人才培養的過程中，只有不斷摸索研究才能不斷適合社會發展的需要。

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