摘 要：“機(jī)電一體化技術(shù)”課程是機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)的核心專業(yè)課程，本文是對(duì)仿真軟件在該課程教學(xué)中實(shí)踐應(yīng)用的研究總結(jié)，并重點(diǎn)指出如何利用電路仿真軟件PROTEUS來(lái)解決人機(jī)接口和機(jī)電接口學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中的一些問(wèn)題。將PROTEUS軟件仿真特點(diǎn)與Keil C開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，詳細(xì)分析了PROTEUS在“機(jī)電一體化技術(shù)”課程的課堂教學(xué)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用模式與方法，為學(xué)生在PROTEUS電路仿真分析能力和實(shí)際的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)綜合能力提升打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化 教學(xué) 仿真 PROTEUS

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）08（a）-0135-02

“機(jī)電一體化技術(shù)”課程是機(jī)械制造及其自動(dòng)化和機(jī)械電子工程等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，因此，學(xué)好該課程能為學(xué)生畢業(yè)后擇業(yè)打下良好基礎(chǔ)。而該課程的微機(jī)控制部分和檢測(cè)部分是以單片微機(jī)（MCU）接口技術(shù)為核心的實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，因此，本課程需重點(diǎn)強(qiáng)化人機(jī)、機(jī)電、計(jì)測(cè)等環(huán)節(jié)的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合仿真軟件能夠使學(xué)生充分掌握單片微機(jī)接口系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和仿真方法，是提高機(jī)電專業(yè)教學(xué)質(zhì)量和培養(yǎng)機(jī)電工程開(kāi)發(fā)型人才的一個(gè)重要內(nèi)容。

1 課程教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題

目前，涉及“機(jī)電一體化技術(shù)”課程中微機(jī)接口控制方面的核心教學(xué)環(huán)節(jié)是接口電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)，微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容貫穿于課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)中。而在這幾個(gè)方面都不同程度存在一些問(wèn)題。

1.1 課堂理論教學(xué)

在課堂教學(xué)中，主要介紹微機(jī)系統(tǒng)中的片內(nèi)資源及典型接口電路。傳統(tǒng)教學(xué)中，機(jī)電專業(yè)學(xué)生一開(kāi)始接觸這些知識(shí)點(diǎn)時(shí)，知識(shí)體系抽象，學(xué)習(xí)起來(lái)不好理解、費(fèi)力，而且單片微機(jī)內(nèi)部資源的應(yīng)用、接口和程序運(yùn)行過(guò)程等沒(méi)有有效直觀的展示和表現(xiàn)，仍然停留在云里霧里的階段，甚至有些學(xué)生在學(xué)習(xí)完該內(nèi)容后，還不知道各類中斷服務(wù)程序是如何被執(zhí)行，其主要原因是缺乏有效的演示方法。

1.2 課程實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)

在課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中實(shí)踐環(huán)節(jié)，大多數(shù)學(xué)校都會(huì)采用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱（臺(tái)）來(lái)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并且主要完成一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程單一，主要的硬件連接以及主程序都是現(xiàn)成的，學(xué)生要完成的任務(wù)就是：上電后做一些簡(jiǎn)單連線，下載固件程序，記錄實(shí)現(xiàn)結(jié)果。學(xué)生完成若干實(shí)驗(yàn)后，對(duì)電路實(shí)驗(yàn)中所使用的硬件電路，芯片間的關(guān)系以及程序流程內(nèi)容并不怎么了解，并沒(méi)深入掌握其本質(zhì)內(nèi)容，所以當(dāng)學(xué)生初次接觸實(shí)驗(yàn)箱（臺(tái)）時(shí)，一旦接錯(cuò)線或電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，非常容易造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞。另外，在使用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱（臺(tái)）時(shí)，一旦出現(xiàn)不能遠(yuǎn)行的實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，原因查找更為困難。由于實(shí)驗(yàn)箱（臺(tái)）系統(tǒng)比較復(fù)雜，維護(hù)也很困難，難以對(duì)損壞的部件維修，只能更換設(shè)備，會(huì)帶來(lái)費(fèi)用上的增加。

1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)

常規(guī)的畢業(yè)設(shè)計(jì)流程是：對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并按照自己的設(shè)計(jì)方向（如機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、電控系統(tǒng)部分、系統(tǒng)控制軟件部分）細(xì)化設(shè)計(jì)內(nèi)容。對(duì)于電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向題目，一般根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，首先設(shè)計(jì)出整體理論電路原理圖，并以該電路為參考，購(gòu)買元器件；其次，按照電路原理圖在面包板上進(jìn)行電路搭建，最后，把寫好的程序用編程器下載到單片微機(jī)實(shí)驗(yàn)板上運(yùn)行調(diào)試。在實(shí)際操作過(guò)程中，由于學(xué)生電路設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)很少，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，如電路設(shè)計(jì)的缺陷、電路搭建過(guò)程中出現(xiàn)的漏焊、錯(cuò)焊以及元器件的故障問(wèn)題，都會(huì)給設(shè)計(jì)過(guò)程帶來(lái)很大的麻煩，因此，有必要尋找一種簡(jiǎn)單有效的工具來(lái)解決這些問(wèn)題，PROTEUS仿真軟件的出現(xiàn)能夠?yàn)楫厴I(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程帶來(lái)有效的幫助。

2 PROTEUS仿真軟件

伴隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，各種仿真系統(tǒng)為實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了有力的保證，極大的節(jié)約了人力和物力。在以往的MCS51系列、PIC系列、ARM系列單片微機(jī)學(xué)習(xí)、單片微機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，常用的軟件主要有Keil C51、Wave 等相應(yīng)的專用開(kāi)發(fā)軟件。對(duì)于Keil C51軟件來(lái)說(shuō)，主要是進(jìn)行MCS51單片微機(jī)控制軟件的編譯調(diào)試，Wave可以進(jìn)行軟件仿真，也可以在系統(tǒng)板上調(diào)試，并需要有相應(yīng)的仿真器而且需要先設(shè)計(jì)出系統(tǒng)目標(biāo)板才行。而能仿真微處理器的軟件PROTEUS，是目前能夠很好的進(jìn)行單片微機(jī)及外圍器件仿真的工具。

PROTEUS仿真軟件的功能特點(diǎn)如下：

（1）符合單片微機(jī)軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，可以仿真的單片微機(jī)包括目前常見(jiàn)的MCS51系列、MicroChip PIC系列、AVR系列和ARM7等。并支持微機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所使用的大量存儲(chǔ)器件和和外圍接口芯片。

（2）仿真基于PROTEUS，能進(jìn)行模擬電路分析、數(shù)字電路仿真、混合信號(hào)分析及頻率信號(hào)分析等電路分析。

（3）提供虛擬示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、電表及虛擬終端等虛擬儀器儀表供選用，方便對(duì)仿真電路的虛擬測(cè)試分析。

（4）利用該軟件還可以方便的進(jìn)行電路原理圖（SCH）的繪制和印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)。

（5）PROTEUS能和Keil C51無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)直接聯(lián)調(diào)，在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中將程序虛擬下載到仿真電路中進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)試和結(jié)果分析。

3 PROTEUS在單片微機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[2]

3.1 仿真工具在機(jī)電一體化課程微機(jī)控制教學(xué)環(huán)節(jié)的意義

針對(duì)以往教學(xué)環(huán)節(jié)中的各類問(wèn)題，仿真工具為實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)有效的輔助手段。借助PROTEUS可以對(duì)MCU和其外圍電路進(jìn)行有效的功能及過(guò)程仿真，并帶有豐富的資源庫(kù)，學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的局限性。并且PROTEUS能夠替代硬件實(shí)驗(yàn)板和仿真器實(shí)現(xiàn)“軟硬件聯(lián)機(jī)”調(diào)試，到仿真結(jié)果與預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果一致時(shí)，便可以購(gòu)置硬件，進(jìn)行硬件電路搭建調(diào)試。采用這種設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方式效率高，控制電路調(diào)整便捷，不需要購(gòu)置額外大量的實(shí)驗(yàn)材料，就能夠完成前期大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和測(cè)試過(guò)程，可以極大的拓展學(xué)生的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力。

3.2 PROTEUS虛擬實(shí)驗(yàn)室引入機(jī)電課程的課堂教學(xué)

在機(jī)電一體化技術(shù)課程的接口設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中：

第一，應(yīng)先采用PROTEUS進(jìn)行實(shí)例演示，增強(qiáng)教學(xué)生動(dòng)性和直觀性。教師可以提前制作好一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，如流水燈電路（對(duì)應(yīng)戶外建筑物的霓虹燈控制電路）、交通信號(hào)燈控制電路及戶外LED顯示屏控制電路、LCD顯示電路（對(duì)應(yīng)各類智能儀器儀表中的顯示控制電路）、步進(jìn)電機(jī)控制電路等，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)演示。讓學(xué)生對(duì)微機(jī)及接口系統(tǒng)有一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)，明白局部系統(tǒng)和完整的控制系統(tǒng)的含義，清楚微機(jī)在機(jī)電系統(tǒng)中的作用和應(yīng)用情況。

第二，利用PROTEUS快速明確微機(jī)系統(tǒng)中的基本概念，并掌握微機(jī)系統(tǒng)控制體系的難點(diǎn)，例如：MCS51系列單片微機(jī)中的P3口作為準(zhǔn)雙向口的概念，如何應(yīng)用是較難掌握的一個(gè)問(wèn)題；中斷如何產(chǎn)生并進(jìn)行終端響應(yīng)的概念；八段LED顯示器的位選和線選如何區(qū)別；串行通信如何實(shí)現(xiàn)等接口設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，均可借助PROTEUS進(jìn)行演示，并且在演示過(guò)程中，可以用不同（紅藍(lán)）顏色顯示芯片引腳狀態(tài)變化的功能，可以通過(guò)單步調(diào)試的方法觀察微機(jī)接口各引腳電平變化情況，通過(guò)改變程序內(nèi)容或指令，觀察運(yùn)行效果，從而掌握各程序語(yǔ)句含義，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生的有效快速掌握。

第三，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也可借助信號(hào)發(fā)生器、波形發(fā)生器、虛擬示波器、虛擬分析儀、發(fā)光管、電壓電流表、LCD與LED顯示器、虛擬串口、虛擬計(jì)數(shù)器對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行控制信號(hào)的輸入、運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)檢測(cè)和狀態(tài)顯示，很直觀判斷和了解不同電路的作用。

第四，在機(jī)電一體化課程接口設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，借助PROTEUS仿真軟件提供的豐富仿真器件資源，打破學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)時(shí)只能用到實(shí)驗(yàn)箱（臺(tái)）的固定模塊、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)過(guò)程單調(diào)且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少的局面，使學(xué)生深入了解接口電路的硬件原理及設(shè)計(jì)步驟，創(chuàng)造了更多的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)，提高了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，并且學(xué)生的機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力得到很好的鍛煉。

3.3 機(jī)電專業(yè)學(xué)生的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)綜合能力提升

學(xué)生的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件實(shí)驗(yàn)條件，利用PROTEUS進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)與仿真，并在相應(yīng)的硬件電路上進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，仿真程序在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)環(huán)境下運(yùn)行，驗(yàn)證實(shí)物效果；借助此環(huán)節(jié)，系統(tǒng)和熟練掌握PROTEUS各個(gè)功能。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)師可以讓學(xué)生根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，規(guī)劃和設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)或微機(jī)控制的總體結(jié)構(gòu)，在師生之間共同討論方案可行性之后，由學(xué)生進(jìn)行后期的詳細(xì)設(shè)計(jì)，這將最大限度的培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，學(xué)生采用PROTEUS進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，編制測(cè)試程序、系統(tǒng)控制程序并調(diào)試，等各項(xiàng)仿真目標(biāo)實(shí)現(xiàn)后再購(gòu)置器件進(jìn)行電路焊接和系統(tǒng)調(diào)試。采用這種形式可以降低因方案不正確或電路搭接錯(cuò)誤而造成硬件投入，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰烷_(kāi)發(fā)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

將PROTEUS軟件引入機(jī)電一體化技術(shù)課程的各個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和創(chuàng)新能力，提高了教學(xué)效率，對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有現(xiàn)實(shí)意義。而且由于其仿真過(guò)程直觀，操作靈活，必將收到良好的教學(xué)效果，為機(jī)電一體化技術(shù)接口設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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