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仿真軟件實現(xiàn)單片機項目預演、開發(fā)的平臺。仿真平臺借助Proteus +Keil C51+STC-ISP軟件，設計功能豐富多樣兼容性強且操作更便捷，降低開發(fā)人員單片機項目仿真、實操的難度和成本，也更適用于疫情期間項目的線上調試和開發(fā)人員應用型學習的開展。

關鍵詞：單片機；Proteus仿真；STC15W4K32S4；藍橋杯

中圖分類號：TP3文獻標志碼：A

0引言

隨著5G、物聯(lián)網技術的發(fā)展，人與人之間的通信，物與物之間的協(xié)同，都離不開單片機技術，單片機技術廣泛應用到軍事、工業(yè)、醫(yī)療、通信、運輸、金融等生產生活的方方面面[1]。單片機開發(fā)與應用逐漸成為智能家居、物聯(lián)網、汽車電子、醫(yī)療設備等領域的核心技術，其包括硬件電路設計、軟件電路設計，以及需要考慮與實際應用的結合[2]。在單片機相關控制系統(tǒng)的設計程中，一款能打破硬件與時間等限制，又適應當下碎片化調試方式的開發(fā)平臺對工程開發(fā)人員及項目質量至關重要。

本論述將Proteus、Keil C51與STC-ISP軟件聯(lián)合使用，可以使單片機項目設計工程師在架構搭建之初就能分模塊進行項目預演操作，降低了項目開發(fā)成本，提高了項目預演效率和質量，避免項目開發(fā)過程中軟硬件的相互牽制。該平臺不受硬件設備限制，開發(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，降低了項目預演與測試的成本。本平臺部分設計，兼容藍橋杯大賽—單片機設計與開發(fā)指定電路，不僅適用于項目的仿真預演，同時也可以同步進行該競賽的學習訓練，體現(xiàn)了“工學一體、產教融合”的理念。

1系統(tǒng)設計及主要組成

目前STC15單片機已廣泛應用于各種控制系統(tǒng)，成為當下主流的微控制芯片[3]。工程人員在項目的開發(fā)和學習中，往往受硬件設備及成本限制無法高效低成本完成項目仿真及效果測試。受疫情影響，硬件平臺和特定環(huán)境限制下測試仿真問題也亟待解決。本論述所設計的項目仿真開發(fā)平臺不僅可進行多樣化實驗預演，也提升了學習的趣味性，且用戶僅需一臺電腦便可完成項目相關的實操實驗與仿真。

該平臺組成部分使用Proteus軟件、以國產8位單片機領導廠商宏晶科技STC15系列的STC15W4K32S4為核心處理器，設計了一款功能較為完善、操作更為便捷的項目仿真開發(fā)平臺。平臺基礎部分設計有8位LED燈、4位獨立按鍵+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；平臺總線通信及傳感器部分設計有單總線通信協(xié)議（溫度傳感器DS18B20）、IIC通信協(xié)議（EEPROM存儲器AT24C02、A/D D/A轉換器PCF8591）、三線通信協(xié)議（實時時鐘DS1302）；擴展部分設計有1路串行通信接口、1路PWM輸入接口、1路PWM輸出接口、步進電機、LCD1602、OLED12864、超聲波等接口，以及擴展引腳便于開發(fā)者外接其他外設模塊進行項目仿真和創(chuàng)作。

2STC15系列綜合仿真平臺基礎部分硬件電路設計

2.1燈光輸出電路設計

LED燈是生產生活中最為常用的光源，工程師們對于單片機的學習基本均是從點亮一個LED燈的控制開始[4]。對LED的控制不僅是單片機項目開發(fā)中最常見的經典模塊，也是學習單片機I/O輸出功能的最簡單直接的外設器件。

本論述仿真平臺采用8路LED燈共陽極設計，8個LED燈負極連接SN74HC573鎖存器的數(shù)據輸出引腳，SN74HC573鎖存器的輸入引腳連接單片機的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，通過單片機P0引腳及組合邏輯電路操作SN74HC573鎖存器進而控制LED亮滅，電路設計如圖1（a）所示。

2.2數(shù)字顯示輸出電路設計

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

本仿真平臺設計兩個四位一體的共陽極數(shù)碼管構成8位數(shù)碼管，供開發(fā)者進行數(shù)字顯示使用及學習。8位數(shù)碼管的共陽極公共端連接一個SN74HC573鎖存器的數(shù)據輸出引腳，數(shù)碼管的8個段選控制端連接一個SN74HC573鎖存器的數(shù)據輸出引腳，通過單片機P0引腳及組合邏輯電路控制兩個SN74HC573鎖存器，進而控制數(shù)碼管的位選及段選，便于項目中數(shù)碼管的靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示功能的仿真與調試，電路設計如圖1（b）所示。

2.3按鍵電路設計

作為人機交互的關鍵部分，按鍵是幾乎是各類產品設計中不可缺少的輸入器件，也是單片機開發(fā)過程中對I/O口輸入功能學習最為常用的外設器件[6]。

本仿真平臺設計16位按鍵組成矩陣按鍵，并將行線連接的單片機的P30、P31、P32、P33口作為輸出端，列線接接的單片機的P34、P35、P42、P44口作為輸入端。為了便于開發(fā)者在項目初期對獨立按鍵的操作，其中第一列按鍵通過一個跳線帽可以選擇直接與系統(tǒng)GND連接作為獨立按鍵使用，或者是與單片機的P44口連接配合作為矩陣鍵盤使用。獨立鍵盤模式的S4，S5按鍵也可以進行單片機的外部中斷實驗。

2.4蜂鳴器、繼電器電路設計

蜂鳴器是一種電子訊響器件，廣泛應用在電子產品中作警示器件。繼電器是一種電控制器件，是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。廣泛應用在自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等電路設計中。

本項目仿真開發(fā)平臺采用有源蜂鳴器設計，負極輸入端連接電路板的系統(tǒng)VCC，蜂鳴器的負極端是接ULN2003達林頓管的Q7輸出端。繼電器電路設計，通過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LED燈來表示繼電器的工作狀態(tài)。其中ULN2003的輸入端與一個SN74HC573連接，通過單片機P0引腳及組合邏輯電路操作SN74HC573鎖存器進而控制蜂鳴器或繼電器，ULN2003其他輸出引腳亦可以連接步進電機、直流電機等器件，電路設計如圖2（a）所示。

2.5組合邏輯電路設計

通過以上論述可知，本仿真平臺設計的LED、數(shù)碼管、繼電器、蜂鳴器燈外設均是通過SN74HC573鎖存器控制的，參考藍橋杯單片機比賽的電路設計，所有SN74HC573的數(shù)據輸入端采用單片機P0端口，鎖存器的使能端采用組合邏輯電路進行控制，這也是大多數(shù)單片機項目中最常用的外設控制方法。

本仿真平臺采用SN74HC138譯碼器、SN74HC02四通道或非門組成組合邏輯電路，聯(lián)合單片機寫外部存儲器信號引腳WR進行控制。設計使用單片機的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，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，進而控制對應的外部設備。其中控制WR引腳的連接方式，可以使開發(fā)者通過內部存儲器映射方式操作各個鎖存器，或者使用普通的寄存器開發(fā)方式編寫程序，電路設計如圖2（b）所示。

3STC15系列綜合仿真平臺總線協(xié)議模塊電路設計

3.1Onewie總線通訊協(xié)議

One-Wire總線是DALLAS公司研制開發(fā)的一種協(xié)議，也是項目開發(fā)中最簡單、常用的一種協(xié)議。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，廣泛應用在電子產品的設計中[7]。

本仿真平臺設計使用生產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訓學習，同時也作為OneWire總線通信協(xié)議的實訓練習。電路設計溫度傳感器的OneWire通信引腳與單片機的P14引腳相連接進行數(shù)據傳輸。為了方便分析單總線的通訊協(xié)議過程，設計加載Proteus軟件提供的Logic Analys？ er對單總線通訊協(xié)議進行視圖化分析和解析，電路設計如圖3（a）所示。

3.2IIC總線通訊協(xié)議

IIC通訊協(xié)議是Phiilps公司開發(fā)的通訊協(xié)議，由于它引腳少，硬件實現(xiàn)簡單，可擴展性強，被廣泛地使用在系統(tǒng)內多個集成電路（IC）間的通訊，也是單片機開發(fā)過程中不可或缺的通信協(xié)議[8]。

本綜合仿真平臺設計IIC總線通訊引腳SDA、SCL分別為單片機的P20、P21引腳。設計一個EEPROM存儲設備AT24C02掛載在IIC總線上，方便開發(fā)者對常用存儲設備的應用也有利于對IIC通信協(xié)議的學習與深入理解。

本仿真平臺設計一個A/D、D/A轉換器PCF8591芯片，同樣掛載在IIC通信總線上，能實現(xiàn)一個IIC通信總線掛載多個IIC設備并進行聯(lián)合通信等功能的實現(xiàn)，為物聯(lián)網領域的硬件工程師提供了開發(fā)捷徑，同時能保證單片機進行A/D采集、D/A輸出的相關基本應用。其中，A/D采集設計使用PCF8591芯片的AIN1通道檢測一個光敏電阻，AIN3通道檢測一個滑動變阻器，D/A輸出通道連接一個電壓表直接觀測模擬電壓輸出值，電路設計如圖3（b）所示。

3.3SPI總線通訊協(xié)議

實時時鐘芯片出現(xiàn)在日常生活中大多數(shù)消費類電子產品中，也是幾乎所有單片機項目都要涉及的功能。實時時鐘為人們提供精確的時間，也為電子系統(tǒng)提供精確的時間基準。

本綜合仿真平臺設計采用是一款低功耗，具有56字節(jié)非失性RAM的全BCD碼時鐘日歷實時時鐘的SPI通信協(xié)議器件DS1302芯片，這也是目前市面上應用最廣泛的實時時鐘方案。不僅能實現(xiàn)常用的實時時鐘芯片的應用，也能方便開發(fā)者調試SPI通信協(xié)議，設計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的P13、P17、P23引腳進行控制及數(shù)據的傳輸。

3.4PWM輸出及檢測

脈沖寬度可調制簡稱“PWM”，廣泛應用在燈光控制、電機控制，測量、通信、工控等方面。對PWM的仿真調試，是對于單片機定時器等相關知識進行充分的應用。

本仿真平臺設計使用P34引腳加跳線帽設計，如果跳線帽短接，則使用Proteus的信號源PLUSE作為輸入信號，開發(fā)者可使用定時器進行PWM檢測實踐訓練。如果跳線帽斷開，P34引腳連接Proteus提供的虛擬示波器Oscilloscope，開發(fā)者可使用定時器進行PWM的輸出，通過Oscilloscope進行驗證輸出結果。

4結束語

本論述開發(fā)了一款以Proteus仿真軟件為載體，基于STC15單片機的項目仿真開發(fā)平臺，能實現(xiàn)LED、數(shù)碼管、獨立/矩陣按鍵等單片機項目基礎部分的交互功能，同時支持單總線、IIC總線、SPI總線等通訊協(xié)議及多種傳感器的開發(fā)需求，預留擴展接口可方便不同項目對各種外設模塊的多樣性開發(fā)。本平臺提高了單片機項目仿真預演操作的便捷性，可滿足開發(fā)者隨時測試調整仿真的需求，效果顯著。本平臺已應用到了“藍橋杯大賽”單片機設計與開發(fā)組的學習和訓練中，不僅方便工程師對項目的仿真、預演，也有助于開發(fā)者的學習與技能的提高。

參考文獻：

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[8]俞俊銘.基于云平臺的機器人監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2020.