利用单片机仿真技术设计电子台历的教学分析

一、概述

在单片机教学中课堂讲解原理是传统教学的主要方式，而进行实验时应用固定模块实验箱知识作为辅助教学部分。在进行验证性实验“流水灯控制”中，硬件条件基本是固定的，几乎没有机会让学生亲自设计电路和对内容的自动设计，不能以达到真正的学习目的。那么在教学中采用Proteus仿真软件，对整个硬件电子台历的整个硬件系统可以进行虚拟模拟，方便简单的操作，是开发费用和开发时间减少，很便于进行教学。

二、基于单片机技术设计的电子台历教学分析

1.总体介绍电子台历设计

在日常生活中常使用电子台历作为计时工具，应用秒、分、时、星期、日、月、年的数字同时显示方式误差小、走时准确，在功能调整和设定时间方面很方便。软件和硬件设计过程同步进行是电子台历的设计特点。调时按键电路、LED显示电路、AT89C52单片机等是其硬件的主要组成部分。电子台历在Proteus环境中进行仿真环节，在Keil环境进行软件编写。实时调试编写好的程序是通过具有联动功能的Proteus和Keil实现的。

2.硬件设计

系统电路设计框图如图一所示。AT8 9C52是本系统采用的单片机，AT89C52、CRYSTA L(11.0592MHz)、CAP(30pF)、电源等是系统器件主要包括的内容。让学生掌握设计外围电路和程序是本次实验的主要目的，LCD显示器的读写控制和定时器中断控制是在程序方面需要掌握的，通过单片机内部的定时器来实现所有时间的设置。通过此次实验学生学习单片机的积极性得到一定程度的激发，学生的动手能力和独立思考能力得到提升。

3.软件设计

主要包括显示数据、按键检测、程序初始化等部分，仿真原理图如图二所示。

三、基于STC单片机与CPLD控制器的电子台历设计

该设计中外围功能的扩展由CPLD来完成，“STC+CPLD+单元模块”主要采用的方式，其中单元模块的内容有：ISD1420P语音模块、DS1302时钟模块、LCD1602液晶显示模块、DS1 8B20温度采集模块、人机交互控制接口模块、RS232通信接口模块等。

1.CPLD内的门电路，拥有很强的组合逻辑功能，任何数字元件的功能它都能完成。Altera公司的EPM7064是本系统中选择的CPLD，根据需要和单片机之间的连接可以灵活应用不同的扩展方法，总线接口方案在这次试验中被采用，即包含地址、控制、数据三总线结构。地址译码、地址所存主要由CPLD来实现，并且它产生控制逻辑电路来满足LCD1602、ISD1420P时序以及外围其他对象与单片机逻辑时序匹配电路接口设计。任何分离元件都不需要系统的稳定性和可靠性就能增加。

2.设计温度采集电路。采用可编程单线输出数字温度传感器DS18B20温度采集芯片，与单片机通信的实现只需要一个引脚，-55℃-+125℃为测温范围，具有多点测温的功能，它与单片机完成温度数据处理和采集能直接实现而不需要应用复杂的AD转换电路和温度调制电路，以“单总线”的数式将测得的现场温度直接传输给单片机，系统的实时性和抗干扰性得到了大大的提高。只需一个双向I/O端口就能实现与单片机的连接，在构成精确的温度检测系统中不需要任何外部器件。

3.设计时钟电路。采用带RAM、低功耗、高性能的实时时钟电路DS1302芯片，年、月、日、周日、时、分、秒是其可以精确计时的范围，另外具有断电保时和闰年补偿方面的功能。通过AM/PM对时钟操作设置24和12小时格式，2.5V～5.5V为工作电压。与STC单片机的同步串行通信是通过SCLK、I/O、RST三线来完成的。一次传送多个字节的RAM数据或时钟信号是通过突发方式来进行的。单片机根据传送数据和控制命令字的时序对DS1302重读取实时时间和新设置时间。

图一 系统电路设计框图

图二 基于STC单片机与CPLD控制器的电子台历protuse仿真原理图

图三 基于Proteus的单片机教学流程图

4.设计语音播报电路。采用包含COMS技术的ISD1420P芯片作为该项电路，20s为单片录音时间，且拥有好的音质。ISD1420P芯片在录放操作结束的时候，只需要0.5uA功耗就能自主的进入低功耗节电模式。5.3，6.4到8.0KHz为采样频率，在不需要备用电源的情况下100年是片内信息可以保存的时间，16欧以上的扬声器可以被直接驱动，反复录音10万次以上是它的E2PROM具备的巨大功能。

5.设计显示电路。系统中LCD1602液晶显示屏来进行显示，所能显示的符号有常见的符号、数字、字母，进行1行显示时每行16个字，进行2行显示时每行显示16个字母或数字。它与单片机之间的数据交换是并行数据传输方式来实现的。本系统设计与数码管相比电路简单、对单片机端口的占用和PCB板面积的使用较少，需要使用CPLD的I/O一个端口和STC单片机10个端口。其缺陷是比较复杂的软件编程、比较差的亮度、显示屏上的时间和温度只能近距离看到。

6.设计键盘和RS232接口电路。该系统中键盘和RS232接口电路结构承担非常重要的工作任务，虽然该结构容易实现、比较简单。PCB板TTL到PC机RS232的电平转换是通过RS232接口电路来实现的，为了提高系统的兼容性和可靠性，在设计中转换IC用MAX232或STC232芯片。单片机ISP下载通讯任务主要由该RS232接口电路来完成。

四、基于Proteus教学流程的优势

1.作为EDA工具软件Proteus由两个软件构成即ISIS和ARES，Proteus印刷电路板设计和Proteus虚拟系统模型是Proteus的两大基本结构部分。它不仅是是一种多种型号微控制器系统的设计与仿真平台，更是模/数混合电路、数字电路、模拟电路的设计与仿真平台。从原理图设计、单片机代码级调试与仿真、电路分析与仿真、功能验证、系统测试到形成PCB的完整的电子研发、设计，它真正实现了这些过程在计算上完成。在教育、生产、和设计等方面Proteus得到了广泛的应用。基于Proteus的单片机教学流程图如图三所示。

2.基于Proteus教学设计流程的优势。建立在标准模块硬件上的实验，对有关实验内容学生只是需要课前进行预习，把编好的程序在实验时进行烧录，然后验证实验结果。而基于Proteus单片机实验拥有的优势如下：

a、提供大量可供学生参考与自学的范例

在原设计上学生可以进行自己的修改、设计，拓展自己的知识和编程能力。

b、激发学习兴趣

学生可以利用该软件进行路图设计和仿真，避免了传统实验板上的学生不能更改的局限性、硬件电路固定，学习兴趣得到提高、学生的思路得以扩展，学生的创新能力和创新意识也得到了一定程度上的提高。

c、较真实的硬件软件仿真调试，操作简单

Proteus能够使学生对程序设计和电路设计的学习得到满足。首先设计电路是在Proteus的ISIS环境下，其次编写程序是在Keil等环境下。当编写、设计好基该电路的程序和该电路时，程序联调可以在Proteus环境下进行，对设计的系统能否达到预期控制要求进行验证。在仿真的过程中能够随时修改编程方面或硬件的不足。

d、具有明显的经济优势，较少的硬件投入费用

AVR、PIC、ARM的微处理器CPU模型Proteus都支持，购买各种系列单片机的费用将不存在。Proteus元件库中的元件很丰富，其中大部分元件可以直接用于搭建接口电路，并且经济、可靠。然而如果在在实验教学中应用真实的元件和仪器，会产生工作量和费用比较大的仪器的维护和元件的损坏。为了减少试验中元器件的损耗采用Proteus软件进行实验而且比较安全。

总之，基于Proteus的单片机教学在很多方面都有改善，能够达到较好的实验效果，硬件方面的开支也得到很大程度的节省，很大程度上帮助学生提高了独立创新能力和学习的积极性，成为不可或缺的单片机教学软件。

五、结束语

在传统实验教学中利用软件资源进行辅助即基于Proteus仿真平台的单片机教学，作为教学方法的一项改革开辟了一个新的有效单片机实验教学，能够达到较好的实验效果，硬件方面的开支也得到很大程度的节省，很大程度上帮助学生提高了独立创新能力和学习的积极性。

随着发展迅速的单片机技术在很多领域都的应用，微控制系统的核心就是单片机，在国内各个高校中理工科电子信息专业只有对该领域专业的人才培养的过程中，只有不断摸索研究才能不断适合社会发展的需要。

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