張安東，林開司，張 露

（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 銅陵244000）

“單片機應(yīng)用技術(shù)”課程是應(yīng)用電子技術(shù)、電子信息工程技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的核心課程，幾乎所有高校電子信息類專業(yè)都開設(shè)了該課程。因為“單片機”廣泛應(yīng)用于各生產(chǎn)、生活領(lǐng)域，如工業(yè)生產(chǎn)、家用電氣、消費電子等等。正由于“單片機”在應(yīng)用電子技術(shù)、電子信息工程技術(shù)等專業(yè)中的核心地位以及它的實踐性，很多學(xué)校在開設(shè)“單片機應(yīng)用技術(shù)”課程后又開設(shè)了一門后續(xù)課程，叫“單片機課程設(shè)計”。這是一門集單片機、電子技術(shù)、電子測量等綜合性的課程，作者所在的學(xué)校就開設(shè)了該課程。

作者所在的學(xué)校“單片機課程設(shè)計”這門課程采用項目教學(xué)法。系統(tǒng)設(shè)計中的硬件部分可以通過在萬能板上焊接或者制作印制電路板（PCB板）等獲得真實硬件，在萬能板上焊接電路所耗費的課時較多，受課時數(shù)的限制不能所有的項目都采取此種方法。制作PCB板的設(shè)備一般高校都不具備，如果代工生產(chǎn)一般要批量化，很難針對每個同學(xué)都能定制他們自己設(shè)計的PCB，因為受教學(xué)成本的限制。所以采用Proteus軟件進行硬件仿真即可達到了教學(xué)效果，又能克服上述困難。

串口通信是單片機的重要內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容一般包括單片機間的通信，單片機與上位機的通信。單片機與上位機通信的教學(xué)中，上位機一般采用串口調(diào)試助手，該軟件是通用的上位機串口通信軟件。在實際的工程應(yīng)用中，針對不同應(yīng)用場景，上位機與單片機間的通信信息，串口調(diào)試助手不能全部反映，此時必須定制上位機通信軟件。在某些情況下，要求上位機對單片機采集的各種信息進行遠程實時監(jiān)控，此時也需要上位機通信軟件。VB6.0是基于對象的程序設(shè)計語言，主要開發(fā)基于Windows的應(yīng)用程序，應(yīng)用十分廣泛，是一個成熟穩(wěn)定的開發(fā)工具，使用VB6.0作為上位機軟件開發(fā)工具是個很好的選擇。

對于一些理論知識較扎實、實踐能力較強的學(xué)生設(shè)計的教學(xué)項目要體現(xiàn)一定的難度，針對串口通信，設(shè)計的項目包括單片機的軟硬件設(shè)計，還包括上位機通信軟件的設(shè)計。設(shè)計的項目更貼近工程實踐，使得學(xué)生對單片機于上位機通信的理解更深刻，且進一步理解單片機工程開發(fā)的步驟與提高解決實際問題的能力。下面以具體任務(wù)闡述Proteus和VB6.0聯(lián)合仿真在單片機課程設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用。

一、教學(xué)任務(wù)與要求

設(shè)計一個對水塔水位進行檢測與控制的系統(tǒng)，如圖1所示，在水塔不同高度安裝3根金屬棒，感知水位變化。其中，B棒處于下限水位，C棒處于水位上限水位，A棒接地，B、C通過電阻接5V電源。同時該系統(tǒng)通過串口與上位機通信，上位機軟件能實時顯示水位高度。

圖1 水位控制示意圖

二、任務(wù)分析與系統(tǒng)總體設(shè)計

教師根據(jù)任務(wù)要求分析如何進行系統(tǒng)設(shè)計，首先系統(tǒng)包括單片機控制部分和上位機軟件部分，這里的系統(tǒng)設(shè)計主要是單片機硬件系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)采用51單片機為主控芯片，系統(tǒng)包括傳感器水位檢測電路，由于是采用仿真，所以使用撥碼開關(guān)模擬液位傳感器檢測水位高度，模擬檢查值通過LED數(shù)碼管顯示，所以系統(tǒng)還包括數(shù)碼管顯示電路；系統(tǒng)有啟動和停止電機加水及單片機與上位機通信的功能，所以系統(tǒng)還包括繼電器驅(qū)動和電機控制電路及串口通信電路。為了對上下水位和電機啟停有指示還包括LED指示電路。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

教學(xué)過程中，教師提供設(shè)計方案，具體實現(xiàn)電路由學(xué)生自己根據(jù)自身的知識與經(jīng)驗自行設(shè)計。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括單片機最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)包括時鐘和復(fù)位電路構(gòu)成。數(shù)碼管顯示模擬水位值，使用3位共陽極數(shù)碼管構(gòu)成顯示電路，對應(yīng)數(shù)碼管的驅(qū)動使用OC門驅(qū)動芯片74HC07，對繼電器的驅(qū)動也采用74HC07。實際單片機與上位機通信要進行電平轉(zhuǎn)換，如果上位機使用RS232串口，由于單片機是TTL電平，所以要使用電平轉(zhuǎn)換芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)成RS232串口電平。為了更接近工程實踐，電路中設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換芯片為MAX232。使用Proteus中的虛擬元件COMPIM實現(xiàn)單片機與上位機通信，COMPIM是把仿真電路中的數(shù)字量映射到計算機的物理端口。單片機的TXD和RXD與COMPIM相連接，就可以直接操作映射到物理端口。需要注意的是，TXD和RXD兩根信號線是直通方式連接，而非交叉。學(xué)生根據(jù)教師講解后自行設(shè)Proteus仿真電路圖，整體電路如圖3所示。

圖3 數(shù)碼管顯示電路

圖4 繼電器控制電機電路

圖5 單片機最小系統(tǒng)及驅(qū)動和水位模擬電路

圖6 單片機與上位機通信電路

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括單片機驅(qū)動程序設(shè)計和基于VB6.0的上位機通信軟件設(shè)計。單片機驅(qū)動程序主要包括數(shù)碼管顯示程序、撥碼開關(guān)水位模擬程序、電機驅(qū)動程序、水位報警程序及單片機與上位機通信程序等。上位機通信軟件主要包括軟件界面設(shè)計及對數(shù)據(jù)的接收與處理。

（一）單片機驅(qū)動程序設(shè)計

單片機驅(qū)動程序這里主要給出主程序流程圖，流程圖如圖5所示。教學(xué)過程中，教師和學(xué)生共同設(shè)計程序流程圖，包括主程序流程圖和各功能函數(shù)的流程圖，學(xué)生在給出流程圖的基礎(chǔ)上自行設(shè)計程序。當然這里的流程圖只是參考，學(xué)生自己也可自行設(shè)計程序，能達到功能要求即可，不做限制。

圖7 主程序流程圖

（二）上位機程序設(shè)計

利用VB6.0中的MSComm控件實現(xiàn)上位機與單片機之間的通信。波特率設(shè)置為19200，數(shù)據(jù)位8位，沒有奇偶校驗位，1位停止位。初始化代碼如下所示：

MSComm1.CommPort=3’通信端口位

‘COM3

MSComm1.Settings="9600，n，8，1"’設(shè)置通信格式

MSComm1.InputMode=

comInputModeText

'接收文本型數(shù)據(jù)，如果設(shè)置為1則以二進制的形式取回傳入的數(shù)據(jù).

MSComm1.PortOpen=True’打開端口

MSComm1.InputLen=1

MSComm1.SThreshold=1

利用定時器控件的時間間隔屬性（Interval屬性），每隔一定時間執(zhí)行一次Timer事件中的相應(yīng)代碼，接收一次單片機發(fā)來是數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對水位的實時監(jiān)測，這里設(shè)置位每500ms接收一次串口數(shù)據(jù)。

五、系統(tǒng)測試

波特率是在單片機時鐘頻率為11.0592MHz時計算得到的，所以設(shè)置單片機和COMPIM的時鐘頻率為11.0592MHz。使用虛擬串口軟件創(chuàng)建一對虛擬串口，這里為COM3和COM4口，波特率設(shè)為19200。使用開關(guān)模擬液位傳感器檢測到的水位，最低水位設(shè)為3，最高水位設(shè)為100，模擬的實時水位為撥碼開關(guān)的值乘以100/255。模擬的水位值在數(shù)碼管上顯示，同時通過串口發(fā)送給上位機，上位機能檢測到水位控制的情況，仿真結(jié)果如圖所示。

圖8 上位機運行結(jié)果

總結(jié)

在實際的教學(xué)過程中，使用Proteus可以使每個學(xué)生都能獨立設(shè)計基于單片機的硬件電路，且對于同一問題不同的學(xué)生可能采用不同的方法，因此可以提高學(xué)生的硬件電路設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。設(shè)計完硬件電路之后每個學(xué)生設(shè)計針對該硬件的驅(qū)動程序，使學(xué)生對單片機軟硬件的結(jié)合理解更深。為了某些情況下實現(xiàn)遠程監(jiān)測，可以使用串口將采集的信息發(fā)送給上位機，因此要編寫上位機程序。由于VB6.0上手容易，所以在實施任務(wù)之前要求學(xué)生利用課余時間自學(xué)VB6.0編程軟件，教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)與本系統(tǒng)開發(fā)有關(guān)的VB知識，在學(xué)生自學(xué)的過程中，提高學(xué)生的自學(xué)能力，實踐證明在這過程中學(xué)生的自學(xué)能力和學(xué)習(xí)自覺性都得到很大的提高。并且當學(xué)生通過自己的努力完成教學(xué)任務(wù)后，有了很大的成就感，最后使得一部分學(xué)生，在仿真的基礎(chǔ)上自己設(shè)計PCB然后在網(wǎng)上找商家打樣，最后做成實際的硬件系統(tǒng)。所以通過Proteus和VB6.0聯(lián)合仿真在提高一定難度的基礎(chǔ)上