張倩 陳新兵

摘要：介紹了一個基于proteus和arduino的軟硬件協(xié)同仿真的電工電子實習(xí)教學(xué)項目。該項目可以幫助學(xué)生熟悉軟硬件協(xié)同仿真的基本流程，同時也有助于實現(xiàn)實踐課程的線上教學(xué)。

關(guān)鍵詞：軟硬件協(xié)同仿真;proteus;arduino

智能小車的開發(fā)，包括硬件設(shè)計與軟件編程。通過電工電子實習(xí)中智能小車項目的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生掌握使用主流開發(fā)軟件，熟悉軟硬件協(xié)同仿真的基本流程，掌握智能設(shè)備的調(diào)試方法，形成軟硬件一體化設(shè)計的系統(tǒng)觀，從而提升創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為作品的工程能力。

一、實習(xí)目的

1、了解Proteus軟件的基本功能;

2、掌握硬件電路的仿真設(shè)計;

3、熟悉Proteus虛擬儀器的使用;

4、完成Arduino編程與協(xié)同仿真;

5、了解智能設(shè)備的基本調(diào)試方法。

二、實習(xí)所用軟硬件工具

1、Proteus是英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，不僅具有其它EDA工具軟件的仿 真功能，還能仿真各類控制核心及其外圍器件，是理想的軟硬件協(xié)同開發(fā)平臺，廣泛應(yīng)用于工程實踐與課外創(chuàng)新。

2、Arduino是最簡單好用的的開源單片機平臺，強大的資源庫，可以快速實現(xiàn)創(chuàng)意。Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，燒錄進微控制器。Arduino Nano是基于ATmega328芯片的迷你Arduino開發(fā)板。

三、智能車主板控制原理

實習(xí)車轉(zhuǎn)向控制采用兩輪差速方式，左轉(zhuǎn)時左側(cè)電機停轉(zhuǎn)，右側(cè)電機前進，

右轉(zhuǎn)時情況則相反，電子控制系統(tǒng)如上圖。整個系統(tǒng)由光敏傳感器、微控制器、電機執(zhí)行器三個環(huán)節(jié)構(gòu)成，本次實習(xí)先仿真外圍電路，再熟悉控制核心編程，最后完成協(xié)同仿真。

四、實習(xí)步驟

1、外圍電路仿真

小車行于跑道，靠傳感器Vi檢測路面信息，控制器U1進行數(shù)據(jù)處理與分類決策，LED指示工作狀態(tài)。遇到白色時，傳感器Vi輸出低電平0，控制器U1A進行比較運算后，輸出信號0，開啟三極管Q1，電機得電轉(zhuǎn)動;遇黑線時，傳感器Vi輸出高電平1，U1A進行比較運算后，輸出信號1，關(guān)斷三極管Q1，導(dǎo)致電機斷電停轉(zhuǎn)。

電路中，以脈沖源模擬紅外傳感器輸出信號變化;以PNP代替實際的8550三極管，控制電機的通電斷電。采用比較器U1A作為控制器，通過電位器RW1，調(diào)節(jié)比較器參考值。

2、Arduino Nano仿真

（1）在proteus中建立Arduino Nano仿真工程

（2）arduino編程

首先，變量初始化，包含啟停按鍵，左右傳感器，左右電機驅(qū)動以及傳感線陣，跑車狀態(tài);然后硬件初始化，包括按鍵-傳感輸入，LED輸出，電機驅(qū)動輸出和電機驅(qū)動輸出初態(tài);最后是主程序，按鍵按下時，切換啟停標(biāo)志，當(dāng)GoState為High時，進入跑車狀態(tài)。循跡控制算法，采用有限狀態(tài)機框架，用Switch語句實現(xiàn)，以傳感器狀態(tài)做為觸發(fā)條件。

3、軟硬件協(xié)同仿真

將之前畫好的左路外圍電路，復(fù)制進Nano仿真工程，脈沖源輸入換成SPDT開關(guān)，并將傳感信號接至arduino輸入接口、驅(qū)動信號接至arduino輸出接口;然后復(fù)制上述電路，作為右路仿真電路，并將傳感信號接至arduino相應(yīng)的接口。如下圖所示。

五、實習(xí)效果

基于proteus和arduino的軟硬件協(xié)同仿真教學(xué)項目可以解決課程的線上實踐教學(xué)的難題。另外在缺少硬件實驗平臺的條件下，也有助于初學(xué)者提高基于Arduino的智能設(shè)備相關(guān)技術(shù)的學(xué)習(xí)效果。

作者簡介：張倩（1984.2—），女，漢族，山西省臨汾市人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士，廣州大學(xué)實驗中心，實驗師。研究方向：實驗室管理與實驗教學(xué)。

課題信息：2021年度校級教育教學(xué)改革類項目，智慧型實踐課程的探索研究