基于STC15單片機(jī)的項(xiàng)目仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)

楊亞男 姚世豪 高楊 王瑤

摘要：本論述介紹了一款以STC15W4K32S4為核心處理器，利用Proteus仿真軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)項(xiàng)目預(yù)演、開(kāi)發(fā)的平臺(tái)。仿真平臺(tái)借助Proteus +Keil C51+STC-ISP軟件，設(shè)計(jì)功能豐富多樣兼容性強(qiáng)且操作更便捷，降低開(kāi)發(fā)人員單片機(jī)項(xiàng)目仿真、實(shí)操的難度和成本，也更適用于疫情期間項(xiàng)目的線上調(diào)試和開(kāi)發(fā)人員應(yīng)用型學(xué)習(xí)的開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；Proteus仿真；STC15W4K32S4；藍(lán)橋杯

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人與人之間的通信，物與物之間的協(xié)同，都離不開(kāi)單片機(jī)技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用到軍事、工業(yè)、醫(yī)療、通信、運(yùn)輸、金融等生產(chǎn)生活的方方面面[1]。單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用逐漸成為智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)電子、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的核心技術(shù)，其包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件電路設(shè)計(jì)，以及需要考慮與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合[2]。在單片機(jī)相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)程中，一款能打破硬件與時(shí)間等限制，又適應(yīng)當(dāng)下碎片化調(diào)試方式的開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)工程開(kāi)發(fā)人員及項(xiàng)目質(zhì)量至關(guān)重要。

本論述將Proteus、Keil C51與STC-ISP軟件聯(lián)合使用，可以使單片機(jī)項(xiàng)目設(shè)計(jì)工程師在架構(gòu)搭建之初就能分模塊進(jìn)行項(xiàng)目預(yù)演操作，降低了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本，提高了項(xiàng)目預(yù)演效率和質(zhì)量，避免項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中軟硬件的相互牽制。該平臺(tái)不受硬件設(shè)備限制，開(kāi)發(fā)人員可以在自己電腦上操作，增加了操作的便捷性和靈活性，降低了項(xiàng)目預(yù)演與測(cè)試的成本。本平臺(tái)部分設(shè)計(jì)，兼容藍(lán)橋杯大賽—單片機(jī)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)指定電路，不僅適用于項(xiàng)目的仿真預(yù)演，同時(shí)也可以同步進(jìn)行該競(jìng)賽的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，體現(xiàn)了“工學(xué)一體、產(chǎn)教融合”的理念。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要組成

目前STC15單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，成為當(dāng)下主流的微控制芯片[3]。工程人員在項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)和學(xué)習(xí)中，往往受硬件設(shè)備及成本限制無(wú)法高效低成本完成項(xiàng)目仿真及效果測(cè)試。受疫情影響，硬件平臺(tái)和特定環(huán)境限制下測(cè)試仿真問(wèn)題也亟待解決。本論述所設(shè)計(jì)的項(xiàng)目仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)不僅可進(jìn)行多樣化實(shí)驗(yàn)預(yù)演，也提升了學(xué)習(xí)的趣味性，且用戶僅需一臺(tái)電腦便可完成項(xiàng)目相關(guān)的實(shí)操實(shí)驗(yàn)與仿真。

該平臺(tái)組成部分使用Proteus軟件、以國(guó)產(chǎn)8位單片機(jī)領(lǐng)導(dǎo)廠商宏晶科技STC15系列的STC15W4K32S4為核心處理器，設(shè)計(jì)了一款功能較為完善、操作更為便捷的項(xiàng)目仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)。平臺(tái)基礎(chǔ)部分設(shè)計(jì)有8位LED燈、4位獨(dú)立按鍵+16位矩陣按鍵、兩組四位一體的數(shù)碼管組組成8位數(shù)碼管、1路蜂鳴器、1路繼電器；平臺(tái)總線通信及傳感器部分設(shè)計(jì)有單總線通信協(xié)議（溫度傳感器DS18B20）、IIC通信協(xié)議（EEPROM存儲(chǔ)器AT24C02、A/D D/A轉(zhuǎn)換器PCF8591）、三線通信協(xié)議（實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302）；擴(kuò)展部分設(shè)計(jì)有1路串行通信接口、1路PWM輸入接口、1路PWM輸出接口、步進(jìn)電機(jī)、LCD1602、OLED12864、超聲波等接口，以及擴(kuò)展引腳便于開(kāi)發(fā)者外接其他外設(shè)模塊進(jìn)行項(xiàng)目仿真和創(chuàng)作。

2STC15系列綜合仿真平臺(tái)基礎(chǔ)部分硬件電路設(shè)計(jì)

2.1燈光輸出電路設(shè)計(jì)

LED燈是生產(chǎn)生活中最為常用的光源，工程師們對(duì)于單片機(jī)的學(xué)習(xí)基本均是從點(diǎn)亮一個(gè)LED燈的控制開(kāi)始[4]。對(duì)LED的控制不僅是單片機(jī)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中最常見(jiàn)的經(jīng)典模塊，也是學(xué)習(xí)單片機(jī)I/O輸出功能的最簡(jiǎn)單直接的外設(shè)器件。

本論述仿真平臺(tái)采用8路LED燈共陽(yáng)極設(shè)計(jì)，8個(gè)LED燈負(fù)極連接SN74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出引腳，SN74HC573鎖存器的輸入引腳連接單片機(jī)的P00—P07管腳，鎖存器的使能引腳與組合邏輯電路主控的SN74HC02的輸出管腳連接，通過(guò)單片機(jī)P0引腳及組合邏輯電路操作SN74HC573鎖存器進(jìn)而控制LED亮滅，電路設(shè)計(jì)如圖1（a）所示。

2.2數(shù)字顯示輸出電路設(shè)計(jì)

LED數(shù)碼管是單片機(jī)控制中常用的數(shù)字顯示器件和人際交互界面。對(duì)于靜態(tài)數(shù)碼管顯示內(nèi)容等控制是I/O輸出功能的延伸，對(duì)于動(dòng)態(tài)數(shù)碼管的控制可以加深開(kāi)發(fā)者對(duì)I/O口高速刷新輸出等相關(guān)知識(shí)的理解[5]。

本仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)兩個(gè)四位一體的共陽(yáng)極數(shù)碼管構(gòu)成8位數(shù)碼管，供開(kāi)發(fā)者進(jìn)行數(shù)字顯示使用及學(xué)習(xí)。8位數(shù)碼管的共陽(yáng)極公共端連接一個(gè)SN74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出引腳，數(shù)碼管的8個(gè)段選控制端連接一個(gè)SN74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出引腳，通過(guò)單片機(jī)P0引腳及組合邏輯電路控制兩個(gè)SN74HC573鎖存器，進(jìn)而控制數(shù)碼管的位選及段選，便于項(xiàng)目中數(shù)碼管的靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示功能的仿真與調(diào)試，電路設(shè)計(jì)如圖1（b）所示。

2.3按鍵電路設(shè)計(jì)

作為人機(jī)交互的關(guān)鍵部分，按鍵是幾乎是各類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可缺少的輸入器件，也是單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)I/O口輸入功能學(xué)習(xí)最為常用的外設(shè)器件[6]。

本仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)16位按鍵組成矩陣按鍵，并將行線連接的單片機(jī)的P30、P31、P32、P33口作為輸出端，列線接接的單片機(jī)的P34、P35、P42、P44口作為輸入端。為了便于開(kāi)發(fā)者在項(xiàng)目初期對(duì)獨(dú)立按鍵的操作，其中第一列按鍵通過(guò)一個(gè)跳線帽可以選擇直接與系統(tǒng)GND連接作為獨(dú)立按鍵使用，或者是與單片機(jī)的P44口連接配合作為矩陣鍵盤(pán)使用。獨(dú)立鍵盤(pán)模式的S4，S5按鍵也可以進(jìn)行單片機(jī)的外部中斷實(shí)驗(yàn)。

2.4蜂鳴器、繼電器電路設(shè)計(jì)

蜂鳴器是一種電子訊響器件，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中作警示器件。繼電器是一種電控制器件，是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。廣泛應(yīng)用在自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等電路設(shè)計(jì)中。

本項(xiàng)目仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用有源蜂鳴器設(shè)計(jì)，負(fù)極輸入端連接電路板的系統(tǒng)VCC，蜂鳴器的負(fù)極端是接ULN2003達(dá)林頓管的Q7輸出端。繼電器電路設(shè)計(jì)，通過(guò)繼電器線圈一端接系統(tǒng)VCC，另外一端接的ULN2003的Q5輸出端，繼電器的輸出端控制一個(gè)LED燈來(lái)表示繼電器的工作狀態(tài)。其中ULN2003的輸入端與一個(gè)SN74HC573連接，通過(guò)單片機(jī)P0引腳及組合邏輯電路操作SN74HC573鎖存器進(jìn)而控制蜂鳴器或繼電器，ULN2003其他輸出引腳亦可以連接步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等器件，電路設(shè)計(jì)如圖2（a）所示。

2.5組合邏輯電路設(shè)計(jì)

通過(guò)以上論述可知，本仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)的LED、數(shù)碼管、繼電器、蜂鳴器燈外設(shè)均是通過(guò)SN74HC573鎖存器控制的，參考藍(lán)橋杯單片機(jī)比賽的電路設(shè)計(jì)，所有SN74HC573的數(shù)據(jù)輸入端采用單片機(jī)P0端口，鎖存器的使能端采用組合邏輯電路進(jìn)行控制，這也是大多數(shù)單片機(jī)項(xiàng)目中最常用的外設(shè)控制方法。

本仿真平臺(tái)采用SN74HC138譯碼器、SN74HC02四通道或非門(mén)組成組合邏輯電路，聯(lián)合單片機(jī)寫(xiě)外部存儲(chǔ)器信號(hào)引腳WR進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)使用單片機(jī)的P25、P26、P27引腳控制SN74HC138譯碼器，譯碼器的輸出端與WR引腳聯(lián)合控制SN74HC02或非門(mén)，SN74HC02的輸出端控制分別控制LED的鎖存器、數(shù)碼管段鎖存器、數(shù)碼管位選鎖存器、繼電器和蜂鳴器的鎖存器，進(jìn)而控制對(duì)應(yīng)的外部設(shè)備。其中控制WR引腳的連接方式，可以使開(kāi)發(fā)者通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)器映射方式操作各個(gè)鎖存器，或者使用普通的寄存器開(kāi)發(fā)方式編寫(xiě)程序，電路設(shè)計(jì)如圖2（b）所示。

3STC15系列綜合仿真平臺(tái)總線協(xié)議模塊電路設(shè)計(jì)

3.1Onewie總線通訊協(xié)議

One-Wire總線是DALLAS公司研制開(kāi)發(fā)的一種協(xié)議，也是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中最簡(jiǎn)單、常用的一種協(xié)議。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中[7]。

本仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)使用生產(chǎn)生活中廣泛使用的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20作為溫度傳感器的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)，同時(shí)也作為OneWire總線通信協(xié)議的實(shí)訓(xùn)練習(xí)。電路設(shè)計(jì)溫度傳感器的OneWire通信引腳與單片機(jī)的P14引腳相連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。為了方便分析單總線的通訊協(xié)議過(guò)程，設(shè)計(jì)加載Proteus軟件提供的Logic Analys？ er對(duì)單總線通訊協(xié)議進(jìn)行視圖化分析和解析，電路設(shè)計(jì)如圖3（a）所示。

3.2IIC總線通訊協(xié)議

IIC通訊協(xié)議是Phiilps公司開(kāi)發(fā)的通訊協(xié)議，由于它引腳少，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，被廣泛地使用在系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)集成電路（IC）間的通訊，也是單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的通信協(xié)議[8]。

本綜合仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)IIC總線通訊引腳SDA、SCL分別為單片機(jī)的P20、P21引腳。設(shè)計(jì)一個(gè)EEPROM存儲(chǔ)設(shè)備AT24C02掛載在IIC總線上，方便開(kāi)發(fā)者對(duì)常用存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用也有利于對(duì)IIC通信協(xié)議的學(xué)習(xí)與深入理解。

本仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器PCF8591芯片，同樣掛載在IIC通信總線上，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)IIC通信總線掛載多個(gè)IIC設(shè)備并進(jìn)行聯(lián)合通信等功能的實(shí)現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的硬件工程師提供了開(kāi)發(fā)捷徑，同時(shí)能保證單片機(jī)進(jìn)行A/D采集、D/A輸出的相關(guān)基本應(yīng)用。其中，A/D采集設(shè)計(jì)使用PCF8591芯片的AIN1通道檢測(cè)一個(gè)光敏電阻，AIN3通道檢測(cè)一個(gè)滑動(dòng)變阻器，D/A輸出通道連接一個(gè)電壓表直接觀測(cè)模擬電壓輸出值，電路設(shè)計(jì)如圖3（b）所示。

3.3SPI總線通訊協(xié)議

實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片出現(xiàn)在日常生活中大多數(shù)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，也是幾乎所有單片機(jī)項(xiàng)目都要涉及的功能。實(shí)時(shí)時(shí)鐘為人們提供精確的時(shí)間，也為電子系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。

本綜合仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)采用是一款低功耗，具有56字節(jié)非失性RAM的全BCD碼時(shí)鐘日歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘的SPI通信協(xié)議器件DS1302芯片，這也是目前市面上應(yīng)用最廣泛的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方案。不僅能實(shí)現(xiàn)常用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的應(yīng)用，也能方便開(kāi)發(fā)者調(diào)試SPI通信協(xié)議，設(shè)計(jì)SPI通信協(xié)議的RST、SCLK、IO引腳的連接方案，比如依次連接單片機(jī)的P13、P17、P23引腳進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)的傳輸。

3.4PWM輸出及檢測(cè)

脈沖寬度可調(diào)制簡(jiǎn)稱“PWM”，廣泛應(yīng)用在燈光控制、電機(jī)控制，測(cè)量、通信、工控等方面。對(duì)PWM的仿真調(diào)試，是對(duì)于單片機(jī)定時(shí)器等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行充分的應(yīng)用。

本仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)使用P34引腳加跳線帽設(shè)計(jì)，如果跳線帽短接，則使用Proteus的信號(hào)源PLUSE作為輸入信號(hào)，開(kāi)發(fā)者可使用定時(shí)器進(jìn)行PWM檢測(cè)實(shí)踐訓(xùn)練。如果跳線帽斷開(kāi)，P34引腳連接Proteus提供的虛擬示波器Oscilloscope，開(kāi)發(fā)者可使用定時(shí)器進(jìn)行PWM的輸出，通過(guò)Oscilloscope進(jìn)行驗(yàn)證輸出結(jié)果。

4結(jié)束語(yǔ)

本論述開(kāi)發(fā)了一款以Proteus仿真軟件為載體，基于STC15單片機(jī)的項(xiàng)目仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)LED、數(shù)碼管、獨(dú)立/矩陣按鍵等單片機(jī)項(xiàng)目基礎(chǔ)部分的交互功能，同時(shí)支持單總線、IIC總線、SPI總線等通訊協(xié)議及多種傳感器的開(kāi)發(fā)需求，預(yù)留擴(kuò)展接口可方便不同項(xiàng)目對(duì)各種外設(shè)模塊的多樣性開(kāi)發(fā)。本平臺(tái)提高了單片機(jī)項(xiàng)目仿真預(yù)演操作的便捷性，可滿足開(kāi)發(fā)者隨時(shí)測(cè)試調(diào)整仿真的需求，效果顯著。本平臺(tái)已應(yīng)用到了“藍(lán)橋杯大賽”單片機(jī)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)組的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練中，不僅方便工程師對(duì)項(xiàng)目的仿真、預(yù)演，也有助于開(kāi)發(fā)者的學(xué)習(xí)與技能的提高。

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