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(shí)驗(yàn)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(jì)自動(dòng)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(jì)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(jì)工具。EDA的工具軟件很多，應(yīng)用的設(shè)計(jì)領(lǐng)域也不同，Proteus是一個(gè)用于電路設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)地仿真分析電路的工作，將設(shè)計(jì)錯(cuò)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(shí)驗(yàn)課中充當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺［5］，將電子實(shí)驗(yàn)搬到計(jì)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(shí)現(xiàn)釣繩的位置監(jiān)測，則需要一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)器。本文以時(shí)鐘程序的設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)器的程序和硬件電路設(shè)計(jì)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(shí)鐘程序設(shè)計(jì)與仿真

1.1 設(shè)計(jì)要求

(1)時(shí)鐘可以正確顯示時(shí)間。

(2)時(shí)鐘時(shí)間可以修改調(diào)整。

1.2 功能框圖

如圖1所示為所設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)鐘芯片的讀寫操作，并將時(shí)間數(shù)據(jù)送往LCD1602模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。②DS1302模塊。進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)，為AT89S51模塊提供時(shí)間源數(shù)據(jù)。③LCD1602模塊。人機(jī)交互，完成時(shí)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(gè)模塊進(jìn)行供電。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖2為基于AT89S51的最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)電路

1.3.2 晶振模塊電路設(shè)計(jì)

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

圖3 晶體模塊電路

1.3.3 復(fù)位模塊電路設(shè)計(jì)

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(shí)鐘芯片模塊電路設(shè)計(jì)

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

圖5 時(shí)鐘芯片模塊電路

1.3.5 LCD1602 模塊電路設(shè)計(jì)

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

圖6 時(shí)間顯示模塊電路

1.3.6 鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)

圖7為鍵盤模塊電路設(shè)計(jì)，該模塊電路由MENU和UP 2個(gè)按鍵組成，完成人機(jī)交互，實(shí)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(jì)

圖8為系統(tǒng)電路DS1302模塊的RST、SCLK、IO 3個(gè)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(gè)模塊電路共地。

圖8 系統(tǒng)模塊電路

1.4 軟件設(shè)計(jì)

圖9 為系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)一上電，程序便運(yùn)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(shí)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(shí)鐘系統(tǒng)接收到用戶輸入的命令，如果時(shí)鐘處于年調(diào)整狀態(tài)，則通過點(diǎn)擊UP按鍵使年數(shù)據(jù)加加;如果時(shí)鐘處于月調(diào)整狀態(tài)，則通過點(diǎn)擊UP按鍵使月數(shù)據(jù)加加;如果時(shí)鐘處于日調(diào)整狀態(tài)，則通過點(diǎn)擊UP按鍵使日數(shù)據(jù)加加;如果時(shí)鐘處于時(shí)調(diào)整狀態(tài)，則通過點(diǎn)擊UP按鍵使時(shí)數(shù)據(jù)加加;如果時(shí)鐘處于分調(diào)整狀態(tài)，則通過點(diǎn)擊UP按鍵使分?jǐn)?shù)據(jù)加加;如果時(shí)鐘處于秒調(diào)整狀態(tài)，則通過點(diǎn)擊UP按鍵使秒數(shù)據(jù)加加，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)時(shí)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(shí)間數(shù)值的轉(zhuǎn)換公式，定義時(shí)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(jì)時(shí)鐘程序要求能夠滿足:①時(shí)間數(shù)據(jù)的讀取并正確顯示;② 時(shí)間數(shù)據(jù)可以修改調(diào)整。經(jīng)測試，該程序設(shè)計(jì)滿足要求。

圖10 系統(tǒng)仿真圖

2 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的魷魚釣機(jī)計(jì)時(shí)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(jì)算機(jī)仿真軟件Proteus引入到電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)中，給魷魚釣機(jī)計(jì)時(shí)裝置的程序及電路設(shè)計(jì)、調(diào)試、仿真帶來了極大的方便。以本文設(shè)計(jì)的魷魚釣機(jī)計(jì)時(shí)器程序和電路為例，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室元器件短缺和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)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(shí)際問題的能力。與此同時(shí)，仿真軟件Proteus的利用使電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得輕而易舉，增強(qiáng)了可操作性，縮短了開發(fā)周期，利于推廣和利用。

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