朱嶸濤1，徐愛鈞2
（1. 長(zhǎng)江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020；2. 長(zhǎng)江大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 荊州 434023）
摘要：針對(duì)目前Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中應(yīng)用研究單一的現(xiàn)狀和問題，提出應(yīng)強(qiáng)調(diào)Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中的相互融合與促進(jìn)，提升學(xué)生對(duì)所學(xué)相關(guān)課程知識(shí)的理解和相互貫通，不再局限與某一門課程。在結(jié)合理論分析的基礎(chǔ)上，首先用Proteus對(duì)模擬電子技術(shù)中直流穩(wěn)壓電路進(jìn)行仿真，然后使用Proteus對(duì)數(shù)字電子技術(shù)中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行硬件仿真，最后將直流穩(wěn)壓電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用到單片機(jī)系統(tǒng)中，使用Proteus軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真測(cè)試。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果表明，這種方法能更好地幫助學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)所學(xué)電類專業(yè)課程，在很大程度上提高了學(xué)生對(duì)電類專業(yè)課程的興趣和積極性。
關(guān)鍵詞：仿真；直流穩(wěn)壓電路；模數(shù)轉(zhuǎn)換；單片機(jī)
中圖分類號(hào)：TP368.1;TN79;TN7104文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.028
引用格式：朱嶸濤，徐愛鈞.Proteus仿真軟件在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（8）：88-91.
0引言
*基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院教學(xué)研究基金項(xiàng)目(2016JY07)Proteus是全球著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖繪制、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。在教學(xué)領(lǐng)域，Proteus是一個(gè)巨大的教學(xué)資源，可以應(yīng)用于：(1)模擬電路與數(shù)字電路的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)仿真；(2)單片機(jī)與嵌入系統(tǒng)軟件的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)仿真；(3) 微控制器系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)仿真；(4)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與畢業(yè)設(shè)計(jì)仿真。主流的電類專業(yè)有4個(gè)，分別是通信工程、電子信息工程、自動(dòng)化和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)。電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)微機(jī)原理與應(yīng)用這4門課是電類4個(gè)專業(yè)的通用課程，且這4門課程都可以用Proteus進(jìn)行仿真教學(xué)，因此本項(xiàng)目的研究具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
近5年來與Proteus相關(guān)的參考文獻(xiàn)［14］只對(duì)Proteus軟件在某一門電類專業(yè)課程上的應(yīng)用做了研究，并沒有對(duì)Proteus軟件在電類專業(yè)課程中的應(yīng)用進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)化研究。因此本文有助于解決電類課程相對(duì)獨(dú)立的現(xiàn)象，使之成為一個(gè)相互補(bǔ)充、相互促進(jìn)的有機(jī)整體，而不再是某一門具體課程，使學(xué)生能從一個(gè)更高的層面來學(xué)習(xí)電類專業(yè)的相關(guān)課程，也能讓學(xué)生理解為什么要學(xué)好這些課程和學(xué)好這些課程的用途。
1直流穩(wěn)壓電源仿真
直流穩(wěn)壓電源是模擬電子技術(shù)課程中很重要的一個(gè)部分，很多數(shù)字芯片，如模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和單片機(jī)正常工作時(shí)都需要穩(wěn)定的±5 V的直流電壓供電。
直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器將220 V、50 Hz的交流電壓變?yōu)樗璧碾妷盒盘?hào)，接著通過整流電路將交流電變成脈動(dòng)的直流電壓，然后通過濾波電路濾除較大的紋波電壓，最后通過7805和7905穩(wěn)壓芯片所組成的穩(wěn)壓電路獲得所需的±5V穩(wěn)定電壓［5］。
直流穩(wěn)壓電路的仿真測(cè)試原理圖如圖1所示，經(jīng)測(cè)試：當(dāng)輸入220 V、50 Hz的交流電壓時(shí)，輸出端獲得的電壓為+5.01 V和-5.02 V，與理論值5 V的誤差分別為0.2%和0.4%，能較好地滿足常用數(shù)字芯片的供電要求。
2.1ADC0808簡(jiǎn)介
圖2ADC0808內(nèi)結(jié)構(gòu)圖ADC0809是數(shù)字電路中經(jīng)典的A/D轉(zhuǎn)換器，具有8路模擬量輸入通道，有轉(zhuǎn)換起?？刂疲M輸入電壓范疇為0~+5 V，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100 μs，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。ADC0808的引腳功能描述如下：IN0~IN7為模擬采集通道；ADDA、ADDB和ADDC用于選擇8路模擬采樣通道的一路；ALE為輸入信號(hào)用于鎖存采樣通道，高電平有效；START為輸入信號(hào)用于啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，高電平有效；EOC為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，高電平表示模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，低電平表示模數(shù)轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；OE為輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，若OE為高電平則允許轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)從D0~D7輸出；CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端，要求時(shí)鐘頻率不高于640 kHz；VREF+、VREF-為基準(zhǔn)電壓輸入端，典型值分別為+5 V和0 V；VCC接+5 V電源，GND接地［6］。
2.2ADC0808時(shí)序圖和操作步驟
ADC0808的工作流程圖如圖3所示，故對(duì)ADC0808的操作分為以下4個(gè)步驟：
?。?）輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中，經(jīng)地址譯碼器譯碼從8路模擬通道中選通一路模擬量送到比較器；
（2）送START一高脈沖，START的上升沿使逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并使EOC信號(hào)為低電平；
?。?）當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入到輸出三態(tài)鎖存器，并使EOC信號(hào)回到高電平，通知CPU已轉(zhuǎn)換結(jié)束；
?。?）當(dāng)CPU執(zhí)行一讀數(shù)據(jù)指令，使OE為高電平，則從輸出端D0~D1讀出數(shù)據(jù)。
2.3ADC0808的硬件測(cè)試
ADC0808的硬件仿真測(cè)試原理圖如圖4所示，ADDA、ADDB和ADDC均接地表示選中模擬采樣通道0，具體測(cè)試步驟如下：(1)首先松開ALE按鍵，使ALE引腳為高電平鎖存模擬通道0，接著松開START按鍵，然后閉合ALE鍵和START按鍵，使START產(chǎn)生一個(gè)高脈沖來啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；(2)當(dāng)看到EOC引腳由低電平變成高電平時(shí)，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，但此時(shí)并沒有對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，因?yàn)镺E還沒有變成高電平；(3)松開OE按鍵，使OE引腳為高電平，會(huì)看到與通道0電壓值相對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管都會(huì)被點(diǎn)亮。理論上A/D采樣的電壓值與輸出引腳的之間的關(guān)系為：模擬采樣電壓值=5*A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果/255。
首先將滑動(dòng)變阻器調(diào)至電壓表示數(shù)為0 V的位置，然后按照硬件測(cè)試的步驟，會(huì)得到與0 V電壓值對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，記錄在表1中，重復(fù)上述的步驟，分別測(cè)出電壓表示數(shù)為1.25 V、2.5 V、3.75 V和5 V對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，記錄在表1中。仿真測(cè)試的結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，說明硬件測(cè)試的方法和步驟是正確的。
3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真
多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)和ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換三個(gè)部分組成。直流穩(wěn)壓電源是模擬電子技術(shù)中課程中的內(nèi)容，單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)原理與應(yīng)用課程中的內(nèi)容，ADC0808模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是數(shù)字電子技術(shù)課程中的內(nèi)容。從這一個(gè)小的方面就可以看出，電類專業(yè)的很多課程是相鋪相成、互相促進(jìn)、有機(jī)協(xié)調(diào)的一個(gè)整體，只是不同課程的側(cè)重點(diǎn)不同而已。ADC0808硬件測(cè)試就是為了單片機(jī)編程服務(wù)的，只要理解按鍵的兩種狀態(tài)就可以了，如按鍵按下表示低電平，按鍵松開表示高電平。單片機(jī)的I/O引腳正好也只有兩種狀態(tài)，即高電平和低電平，那么就可以用單片機(jī)的I/O引腳來替換按鍵，通過編程就可使對(duì)應(yīng)的引腳輸出高電平或低電平。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的仿真電路原理圖如圖5所示，直流穩(wěn)壓電源為單片機(jī)和ADC0808的正常工作提供穩(wěn)定的直流穩(wěn)定電壓。
數(shù)據(jù)采集主程序如下［7］：
void main()
{uint ad;
while(1)
{
ADDC=0;ADDB=0;ADDA=0;//選擇通道0
ALE=1;START=1;//將引腳置高電平
Delay20us();//延時(shí)用于鎖存采樣通道
ALE=0;START=0;//將引腳置高電平
while(!EOC);//EOC引腳為高電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束
OE=1;//將OE引腳置高電平
ad=P1;
P0=ad;
OE=0;//將OE置低電平,禁止數(shù)據(jù)輸出
}
}
經(jīng)仿真測(cè)試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真的測(cè)試結(jié)果與表1的結(jié)果相同，說明先對(duì)數(shù)字芯片進(jìn)行硬件測(cè)試有利于單片機(jī)程序的編寫，也加深了學(xué)生對(duì)數(shù)字芯片的認(rèn)識(shí)。當(dāng)自己不會(huì)寫單片機(jī)程序或者寫的程序沒有出現(xiàn)預(yù)期的結(jié)果時(shí)，可以先從數(shù)字芯片硬件測(cè)試入手查找問題的所在。
4結(jié)論
在電類專業(yè)的很多課程的教學(xué)中，教師們會(huì)經(jīng)常使用Proteus仿真軟件，這樣有利于加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，但更重要的一點(diǎn)在于要強(qiáng)調(diào)所學(xué)的知識(shí)在電類專業(yè)的其他課程中會(huì)用到，并且還可以使用Proteus仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真測(cè)試，這樣學(xué)生心理就會(huì)明白Proteus仿真軟件不僅能幫助自己理解現(xiàn)在所學(xué)的課程，還能幫助自己學(xué)習(xí)電類專業(yè)的其他課程。
實(shí)踐證明：本項(xiàng)目的研究不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課程的教學(xué)質(zhì)量，還讓學(xué)生對(duì)電類專業(yè)的課程有了一個(gè)更高層次的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也解決了電類專業(yè)課程相對(duì)獨(dú)立的現(xiàn)象，使之成為一個(gè)有機(jī)高效的整體。
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