宋連偉， 孔祥洪， 錢衛(wèi)國， 郭陽雪， 周 華， 王偉杰， 陳 功

(1.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海201306;2.上海海洋大學(xué)物理實驗中心，上海201306;3.國家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201306)

0 引言

電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation，EDA)［1］技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)和信息技術(shù)發(fā)展的杰出成果，它的發(fā)展與應(yīng)用正引領(lǐng)著一場工業(yè)設(shè)計和制作領(lǐng)域的革命。EDA技術(shù)為電子工程師提供了理想的設(shè)計工具。EDA的工具軟件很多，應(yīng)用的設(shè)計領(lǐng)域也不同，Proteus是一個用于電路設(shè)計和仿真的EDA工具軟件，它是最流行的電子仿真軟件之一，被稱為虛擬電子實驗室。Proteus電子電路仿真軟件提供了從分立元件到集成元件，從無源器件到有源器件，從模擬器件到數(shù)字器件甚至高頻類元器件及機(jī)電類元器件等龐大的元器件庫，并且提供了功能強大、設(shè)備齊全的虛擬儀器和能滿足各種分析需求的分析方法［2-4］。利用這些儀器和分析方法，不僅可以清楚地了解電路的工作狀態(tài)，還可以測量電路的穩(wěn)定性和靈敏度。Proteus不僅可以作為專業(yè)軟件真實地仿真分析電路的工作，將設(shè)計錯誤盡可能地消滅在制作樣機(jī)之前，而且還可以在“電路基礎(chǔ)”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”等電子實驗課中充當(dāng)模擬實驗平臺［5］，將電子實驗搬到計算機(jī)屏幕上來做。

魷魚釣機(jī)是魷釣漁業(yè)中最基本的生產(chǎn)工具［6-7］，而其中電機(jī)控制部分是關(guān)鍵所在。如果要在速度控制模式下實現(xiàn)釣繩的位置監(jiān)測，則需要一個準(zhǔn)確的計時器。本文以時鐘程序的設(shè)計為例，使用 Proteus［8-9］中的AT89S51芯片［10］、LCD1602 芯片、DS1302 芯片、電壓表以及示波器等虛擬電子元件和虛擬儀器，完成魷魚釣機(jī)計時器的程序和硬件電路設(shè)計與仿真。不僅大大提高可操作性，而且降低成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 基于Proteus的時鐘程序設(shè)計與仿真

1.1 設(shè)計要求

(1)時鐘可以正確顯示時間。

(2)時鐘時間可以修改調(diào)整。

1.2 功能框圖

如圖1所示為所設(shè)計時鐘的系統(tǒng)功能框圖，本系統(tǒng)由AT89S51模塊、DS1302模塊、LCD1602模塊、鍵盤模塊和供電模塊共五大模塊組成。

圖1 功能框圖

①AT89S51模塊。根據(jù)用戶通過鍵盤輸入的控制命令完成DS1302時鐘芯片的讀寫操作，并將時間數(shù)據(jù)送往LCD1602模塊進(jìn)行實時顯示。②DS1302模塊。進(jìn)行時間計數(shù)，為AT89S51模塊提供時間源數(shù)據(jù)。③LCD1602模塊。人機(jī)交互，完成時間數(shù)據(jù)的顯示。④鍵盤模塊。人機(jī)交互，完成用戶命令的輸入。⑤供電模塊。為整套系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行供電。

1.3 硬件設(shè)計

1.3.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計

圖2為基于AT89S51的最小系統(tǒng)電路設(shè)計。

圖2 系統(tǒng)電路

1.3.2 晶振模塊電路設(shè)計

圖3為晶振模塊電路，該模塊電路為AT89S51模塊提供系統(tǒng)時鐘源。

圖3 晶體模塊電路

1.3.3 復(fù)位模塊電路設(shè)計

圖4為復(fù)位模塊電路［11-13］，該模塊電路為AT89S51模塊提供復(fù)位信號，使系統(tǒng)復(fù)位。

圖4 復(fù)位模塊電路

1.3.4 DS1302時鐘芯片模塊電路設(shè)計

圖5為DS1302時鐘芯片模塊電路［14］，該模塊電路完成時間計數(shù)，為AT89S51模塊提供時間源數(shù)據(jù)。

圖5 時鐘芯片模塊電路

1.3.5 LCD1602 模塊電路設(shè)計

圖6為LCD1602模塊電路［15］，該模塊電路完成時間數(shù)據(jù)的顯示。

圖6 時間顯示模塊電路

1.3.6 鍵盤模塊電路設(shè)計

圖7為鍵盤模塊電路設(shè)計，該模塊電路由MENU和UP 2個按鍵組成，完成人機(jī)交互，實現(xiàn)用戶命令的輸入。

圖7 鍵盤模塊電路

1.3.7 系統(tǒng)電路的設(shè)計

圖8為系統(tǒng)電路DS1302模塊的RST、SCLK、IO 3個引腳分別與 AT89S51 模塊的 P2.5、P2.6、P2.7 連接;LCD1602模塊的數(shù)據(jù)/命令端口與AT89S51模塊的P0端口連接，其控制端E和R/W分別于AT89S51模塊的P2.0和P2.1相連接;鍵盤模塊的MENU按鍵與AT89S51模塊的P3.2(即外部中斷0)連接，UP按鍵與AT89S51模塊的P3.3(即外部中斷1)連接;系統(tǒng)各個模塊電路共地。

圖8 系統(tǒng)模塊電路

1.4 軟件設(shè)計

圖9 為系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)一上電，程序便運行各外設(shè)的初始化程序?qū)τ布O(shè)備進(jìn)行初始化。然后，時鐘進(jìn)入正常顯示狀態(tài)并開始等待用戶從鍵盤輸入的命令。當(dāng)時鐘系統(tǒng)接收到用戶輸入的命令，如果時鐘處于年調(diào)整狀態(tài)，則通過點擊UP按鍵使年數(shù)據(jù)加加;如果時鐘處于月調(diào)整狀態(tài)，則通過點擊UP按鍵使月數(shù)據(jù)加加;如果時鐘處于日調(diào)整狀態(tài)，則通過點擊UP按鍵使日數(shù)據(jù)加加;如果時鐘處于時調(diào)整狀態(tài)，則通過點擊UP按鍵使時數(shù)據(jù)加加;如果時鐘處于分調(diào)整狀態(tài)，則通過點擊UP按鍵使分?jǐn)?shù)據(jù)加加;如果時鐘處于秒調(diào)整狀態(tài)，則通過點擊UP按鍵使秒數(shù)據(jù)加加，如此循環(huán)，實現(xiàn)時間數(shù)據(jù)的調(diào)整與正確顯示。

圖9 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)圖

1.5 仿真測試

DS1302之BCD碼到十進(jìn)制時間數(shù)值的轉(zhuǎn)換公式，定義時間數(shù)值的一位為 X，從DS1302讀取的1 Byte 數(shù)據(jù)為 Val，則:

圖10為系統(tǒng)仿真圖，所設(shè)計時鐘程序要求能夠滿足:①時間數(shù)據(jù)的讀取并正確顯示;② 時間數(shù)據(jù)可以修改調(diào)整。經(jīng)測試，該程序設(shè)計滿足要求。

圖10 系統(tǒng)仿真圖

2 結(jié)語

本文設(shè)計的魷魚釣機(jī)計時器程序和電路，將基本的AT89S51、DS1302、LCD1602和鍵盤模塊電路有機(jī)的結(jié)合起來。將計算機(jī)仿真軟件Proteus引入到電路設(shè)計與程序設(shè)計中，給魷魚釣機(jī)計時裝置的程序及電路設(shè)計、調(diào)試、仿真帶來了極大的方便。以本文設(shè)計的魷魚釣機(jī)計時器程序和電路為例，設(shè)計仿真過程中使用到了 Proteus中的 AT89S51芯片、LCD1602芯片、DS1302芯片、電壓表以及示波器等虛擬電子元件和虛擬儀器。Proteus虛擬電子元件和儀器的使用可以突破實驗室元器件短缺和實驗經(jīng)費有限的限制，讓學(xué)生學(xué)會從不同角度思考同一問題，提出不同的解決方案，從而提高解決實際問題的能力。與此同時，仿真軟件Proteus的利用使電子系統(tǒng)的設(shè)計變得輕而易舉，增強了可操作性，縮短了開發(fā)周期，利于推廣和利用。

［1］ 王建新，姜 萍.電子線路實踐教程［M］.北京:科學(xué)出版社，2005:11-12.

［2］ 張靖武.單片機(jī)系統(tǒng)的PROTUES設(shè)計與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:21-26.

［3］ 郭天祥.51單片機(jī)C語言教程:入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.1:323-331.

［4］ 寇 戈，蔣立平.模擬電路與數(shù)字電路［M］.北京:電子工業(yè)出版社.2008.7:36-45.

［5］ 張俊濤.電路仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)實踐中的應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2007(6):117-118.

［6］ 奈須敬二，奧谷喬司，小倉通男.イカその生物から消費で［M］.東京:成山堂書店，1991:67-69.

［7］ 小倉通男.ィカ釣漁業(yè)と火光［J］.日本水產(chǎn)學(xué)會誌，1992，38(8):881-889.

［8］ 林 立，張俊亮，曹旭東，等.單片機(jī)原理及應(yīng)用——基于Proteus和 Keil C［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:9-16.

［9］ 彭偉.單片機(jī) C語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例——基于8051+Proteus仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:13-21.

［10］ 李 華，孫曉民，李紅青，等.MCS-51系列單片機(jī)實用接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993:2-30.

［11］ 孔祥洪，孟 健，王令群.凌陽16位單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:2-17.

［12］ 顧 濱，孔祥洪，董昌春，等.凌陽16位單片機(jī)實訓(xùn)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:34-36.

［13］ 孔祥洪，顧 濱，董昌春，等.基于SPMC75F2413A的感應(yīng)電機(jī)開環(huán)V/F控制［J］.實驗室研究與探索，2008(4):31-35.

［14］ 孔祥洪，郭陽雪.微機(jī)原理與匯編語言的可視化教學(xué)［J］.計算機(jī)教育，2011(12):76-78.

［15］ 鄭 峰，王巧芝，陳繪兵，等.51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)典型模塊開發(fā)大全［M］.北京:中國鐵道出版社，2010:273-293.