摘要：針對單片機系列課程在傳統(tǒng)教學中存在的弊端，本文引入了Proteus和Keil軟件對教育教學實踐進行改革。隨著近幾年不斷增長的擴招及新上專業(yè)的需求，實驗室對多種實驗儀表的更新和維護需求也不斷增長，除了各種成套實驗箱外還需配置多種的實驗儀器。這樣一來不僅儀器的種類和數(shù)量增加很多，而且對實驗經(jīng)費和實驗室的使用面積也提出了更高的要求。在這樣的環(huán)境下，虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢就得到了體現(xiàn)，它不僅能夠節(jié)約大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入，而且具有更新速度快，更新方式簡便等優(yōu)點，能夠很大程度地提高單片機系列課程的教學科研質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：教學改革；虛擬仿真；Proteus；Keil

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 21-0000-02

1 引言

“單片機原理及其應(yīng)用”系列課程在大學多個專業(yè)中都被列入主干專業(yè)基礎(chǔ)課程，如電氣工程及其自動化、生物醫(yī)學工程、機械專業(yè)以及通信工程等專業(yè)，單片機原理及其應(yīng)用者們課程的教學任務(wù)是讓學生掌握關(guān)于單片機的基本工作原理，并掌握單片機的硬件結(jié)構(gòu)及軟件應(yīng)用技術(shù)。單片機原理及其應(yīng)用也是一門非常具有實踐性的課程，學生在學習過程中需要對其硬件電路進行設(shè)計、編制軟件程序以及仿真調(diào)試等，這樣是為了加深學生對所學知識的理解，并提高他們的分析問題和實際動手解決問題的能力。除此之外，還對學生的思維和創(chuàng)新能力起到拓展作用。使用虛擬仿真技術(shù)不僅能給教學工作提供更好的服務(wù)，還能對傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題進行改革，對新的實驗模式進行探索，實現(xiàn)多種途徑的單片機教學和電子設(shè)計大賽的創(chuàng)新。

2 Proteus和Keil虛擬仿真技術(shù)在單片機系列課程中的應(yīng)用

用軟件仿真設(shè)計出基于單片機的液體點滴速度監(jiān)控系統(tǒng)，顧名思義，該系統(tǒng)就是一個以單片機為載體的智能化系統(tǒng)，它能實現(xiàn)代替醫(yī)務(wù)人員監(jiān)控病人點滴速度的功能。該系統(tǒng)采用了AT89C51作為核心處理單元，以光敏傳感器對液體的滴數(shù)進行監(jiān)測，通過按鍵控制點利用步進電機對當前點滴的速度進行調(diào)整，當藥液低于一定標準可通過蜂鳴器報警。

本文主要對基于AT89C51單片機制作而成智能化的液體點滴速度檢測與控制裝置進行系統(tǒng)設(shè)計的分析，首先我們對該裝置的基本組成結(jié)構(gòu)進行分析，其主要組成系統(tǒng)包括液滴速度測試系統(tǒng)、液體滴速控制系統(tǒng)、顯示裝置與鍵盤輸入控制系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)。本裝置實現(xiàn)藥液調(diào)整的功能是通過單片機控制步進電機實現(xiàn)的，當壓強與高度所成的比例被單片機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)反饋回來時，單片機便能通過驅(qū)動減速電機對螺旋機構(gòu)實現(xiàn)壓緊操作從而完成對不步進電機的控制。點滴速度的設(shè)定是通過鍵盤來操作的，設(shè)定有效范圍40-100滴/分，對相應(yīng)誤差范圍進行控制，并且當點滴液體到達所設(shè)置的警戒線數(shù)值后，便會驅(qū)動單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)處理程序發(fā)出報警信號。以單片機為主要控制系統(tǒng)對液體點滴速度監(jiān)控裝置進行設(shè)計，并利用Proteus和Keil軟件結(jié)合進行仿真過程，實現(xiàn)將理論應(yīng)用于實際的教學目標。對系統(tǒng)硬件的設(shè)計進行分析，我們發(fā)現(xiàn)整個設(shè)計系統(tǒng)中包含以下幾個組成部分：液滴速度檢測電路，滴速顯示電路，滴速控制電路以及報警電路等。

在液滴速度檢測電路中，系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集方法為光敏感應(yīng)法，發(fā)射光源為紅外光源GS系列管，光源發(fā)出高頻光脈沖，為一束平行光，通過紅外光敏接收管進行接收。信號接收完成后需要經(jīng)過信號放大器將光信號進行放大，進而轉(zhuǎn)化為電脈沖信號。此系統(tǒng)的應(yīng)用原理為，當光路上出現(xiàn)遮擋時，光信號的強弱便會出現(xiàn)改變，而這個變化正是整個系統(tǒng)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)來源，對這個變化需要進行同步介調(diào)和放大后才能轉(zhuǎn)化為標準模擬信號，最終輸出。

滴速顯示電路的控制主體為單片機AT89C51，進行串行通信的部件為P2口和LED模塊。該系統(tǒng)的設(shè)計思路為，將GPS8-2作為液滴速度檢測傳感元件，液滴的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號處理后傳送給AT89C51進行計算，再由AT89C51將對信號進行程序運算的結(jié)果進行轉(zhuǎn)換后發(fā)給LED顯示系統(tǒng)。在LED顯示系統(tǒng)中進行顯示設(shè)置時，要求為能在LED上實時顯示點滴液滴速，具體顯示方式為從低位開始顯示，依次往上十進制，可顯示從0到100以內(nèi)滴速。使用者通過對所顯示的當前的點滴液滴速實況，對滴速進行實時的調(diào)整和控制。首先使用者利用鍵盤接口對所需要的點滴滴速進行設(shè)定，而整個系統(tǒng)會在整個監(jiān)控過程中將實際滴速與設(shè)定值進行實時比較，并判斷當前的滴速是否符合設(shè)定的速度。如果超出或低于所需求的滴速則使用液滴控制電路對其進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對點滴液速度的控制。

對滴速進行控制和調(diào)節(jié)這一功能的實心是通過控制步進電動機實現(xiàn)的。點滴監(jiān)測電路會時刻對監(jiān)測到的信號進行軟件系統(tǒng)內(nèi)部的對比，并根據(jù)具體對比結(jié)果向步進電機發(fā)出對應(yīng)的脈沖信號以實現(xiàn)控制。當點滴液速度高于要求的速度時，軟件系統(tǒng)內(nèi)部會對步進電機發(fā)出電脈沖信號，進行降低儲液瓶高度的命令從而降低點滴液速度。同理，當點滴液速度低于要求的速度時，系統(tǒng)也會根據(jù)分析結(jié)果向步進電機發(fā)出對應(yīng)的脈沖信號，通過升高儲液瓶高度來提高點滴液速度。在這一系列過程中，光電傳感器GPS8-2會連續(xù)不斷地對點滴液的速度進行實時數(shù)據(jù)采集，并能夠根據(jù)具體反饋回來的信息進行對速度值的校驗和調(diào)整，進而達到控制點滴液速度的目的。

報警點路同樣采用GPS8-2光電傳感器，將光電傳感器固定于儲液瓶上的警戒線處，當儲液瓶中的藥液低于警戒線時，便會出現(xiàn)采集信號變化的情況，軟件系統(tǒng)收到該變化時便會發(fā)出報警信號，通過發(fā)光二極管來顯示報警

在利用C語言對單片機程序進行設(shè)計時，需要我們注意的是加強結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想的應(yīng)用：在整體設(shè)計過程中需要采用“自頂而下”（TOP2DOWN）的方法，并且在程序編寫設(shè)計時應(yīng)采用模塊化編程。對單片機控制點滴這個系統(tǒng)的程序編寫，具體包含了4個子程序的調(diào)用，這四個子程序分別是LED顯示程序、按鍵掃描及處理程序、點滴液速度采集程序、低液量報警程序。他們分別具有的功能為：顯示實時點滴液速度；保證按鍵識別、按鍵輸入及相關(guān)處理應(yīng)用功能的實現(xiàn)；把GPS8-2所采集的點滴速度讀入到指定的數(shù)組中；利用GPS8-2對儲液瓶內(nèi)的藥液量進行檢測，并在液面低于警戒線時實現(xiàn)自動報警。

在進行程序編寫時，首先要對各初始值進行設(shè)定，之后再啟動傳感器程序?qū)崿F(xiàn)對滴速的測量。在滴速檢測系統(tǒng)的設(shè)計部分，需要設(shè)計的有讀字節(jié)程序、寫字節(jié)程序、讀取點滴液速度程序等3個子程序。對LED顯示進行初始化程序設(shè)計，需要將單片機各口狀態(tài)和設(shè)初始閾值進行初始化設(shè)計。

整個系統(tǒng)在調(diào)試時需要將Proteus和Keil兩個軟件進行簡單的配置，進行運行后會出現(xiàn)電路仿真圖的出現(xiàn)，編輯好的C工程文件也會需要被保存在整個工程文件中。Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，使用KeilC+ProteusS可以像使用仿真器一樣調(diào)試程序。

設(shè)計將自動化液體點低速度監(jiān)控裝置添加在目前的液體點滴裝置上。此系統(tǒng)主要是以AT89C51單片機作為主控制芯片的，將光電傳感器、LED數(shù)碼管顯示器以及步進式電動機組成的滴速控制電路與單片機系統(tǒng)進行連接。設(shè)計中使用的光電傳感器為GPS8-2，數(shù)據(jù)采集裝置采用的是兩塊光電傳感器，這兩塊光電傳感器分別用于檢測點滴液滴數(shù)和監(jiān)控儲液瓶內(nèi)剩余的藥液量。使用GPS8-2光電傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)電路具有簡單、方便、靈活等特點，整個系統(tǒng)的原理為通過光電傳感器將滴數(shù)信號傳遞到單片機控制系統(tǒng)[2]。單片機在對信號進行簡單地計算處理后，會將處理后的信號通過接口傳遞給LED數(shù)碼管顯示器并顯示出來，在這一過程中多花費的時間是很短的，因此就保證了顯示速度的準確、快速和及時的特性，使用者能夠通過數(shù)碼管顯示出來的滴速對滴速現(xiàn)況有一個直觀的了解，為實際操作提供了依據(jù)。

液體點滴裝置在我國醫(yī)用衛(wèi)生領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，但是其目前還存在許多技術(shù)上的問題，例如無法精確地控制輸液速度。因此論文設(shè)計了一種設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單成本較低的液體點低速度監(jiān)控裝置。設(shè)計基本完成了基于單片機的液體點滴速度監(jiān)控裝置的滴速控制。同時設(shè)計完成了Proteus和Keil結(jié)合的仿真過程。

參考文獻：

[1]張毅剛.新編MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計.2008.

[2]張學軍，回文靜.基于虛擬儀器的實驗教學研究.儀器儀表用戶，2011（18）：57-59.

[科研項目]2012年度佳木斯大學教育科研課題，項目編號：JKB2012-044

[作者簡介]陳玨曉（1983.8-），學歷：本科，黑龍江省佳木斯大學信息電子技術(shù)學院，研究方向：生物醫(yī)學工程。