资源描述
黑龙江工程学院本科生毕业设计
电子工程系毕业设计(论文)题目审定表
题目名称
基于Proteus的单片机虚拟实验项目的开发
课题适用专业
测控技术与仪器
课题类型
设计
1.课题的目的和意义
单片机原理及应用是测控技术与仪器专业一门重要的技术基础课,本门课程对学生的实践动手能力要求较高。长期以来,由于诸多原因,导致很多的学生只能在有限的时间、有限的设备上进行一些有限的实验。本设计是利用Proteus软件进行单片机虚拟实验项目的开发,试验项目所涉及的单片机及外围电路可以在没有硬件的情况下进行仿真,从而能极大地方便教师的教学和增强学生的学习兴趣。采用Proteus软件进行虚拟单片机实验,涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、实验过程中损耗小,并且学生可以在课外自行的进行实验,具有明显的优势,对于单片机原理及应用课程的教学具有十分重要的意义。
另外通过本次设计能增强学生的创新意识,培养学生综合运用所学知识分析问题、解决问题及信息的获取、文字的表达等能力。
2.课题主要研究或设计的内容
(1)设计单片机虚拟实验项目的总体方案,内容要涵盖片内功能部件和接口两大部分。
(2)其中指令系统、中断系统、常用的I/O接口芯片等内容不设计单独的实验,但要融合到其它的实验中去。
(3)实验项目包括:定时器、串行口、显示器、键盘、BCD码拨盘、ADC、DAC等;
3.技术指标
(1)每个实验项目有相关的实验指导,包括项目的建立过程、软硬件说明、注意事项; (2)每个实验项目要建立完整正确的硬件电路图; (3)每个实验要配有风格良好的软件程序,包括汇编语言版和C语言版两个版本; (4)每个实验项目都要仿真通过。
4.设计方案
设计实验项目(定时器、串行口、显示器、键盘、BCD码拨盘、ADC、DAC)
画出每个实验项目的硬件原理图(必要的解释说明)
编写每个实验项目的源代码(必要的注视)
撰写详细的实验指导说明
PROTEUS仿真实验
5.技术路线或研究方法
在透彻掌握单片机原理及应用课程的基础之上,认真细致的设计实验项目。实验项目包括:定时器、串行口、显示器、键盘、BCD码拨盘、ADC、DAC等。然后画出每个实验项目的电路原理图,并编写相应的源代码。最近在PROTEUS软件的基础上建立单片机仿真实验平台,并在PROTEUS系统上完成对实验项目的仿真。然后撰写详细的实验指导说明,包括PROTEUS软件的使用基础、实验项目的目的、对应的硬件电路图、对应的软件代码,其中代码要求有注释,原理图要求有必要的解释说明。
6.现有条件
仪器仪表实验室;测试传感实验室;电子阅览室、期刊室、开架图书室;
7.背景知识
(1)已学:单片机原理及应用、C语言程序设计、传感器及检测技术、测控电路、EDA技术。
(2)自学:Proteus软件的使用、单片机C语言编程、VISIO软件的使用。
8.预期成果及表现形式
(1)毕业设计说明书一份。
(2)虚拟实验项目软件。
电子系题目审定委员会
意
见
1
选题与专业培养目标的符合度
□好
□较好
□一般
□较差
2
对学生能力培养及全面训练的程度
□好
□较好
□一般
□较差
3
选题与生产、科研、实验室建设等实际的结合程度
□好
□较好
□一般
□较差
4
论文选题的理论意义或实际价值
□好
□较好
□一般
□较差
5
课题预计工作量
□较大
□适中
□较小
6
课题预计难易程度
□较难
□一般
□较易
年 月 日
毕业设计(论文)开题报告
设计(论文)题目: 基于Proteus的单片机
虚拟实验项目的开发
院 系 名 称: 电子工程系
专 业 班 级: 测控技术与仪器07-1班
学 生 姓 名:
导 师 姓 名: 曲贵波
开 题 时 间: 2011年3月26日
指导委员会审查意见:
签字: 年 月 日
一、课题研究的目的和意义
单片机原理及应用是测控技术与仪器专业一门重要的技术基础课,本门课程对学生的实践动手能力要求较高。长期以来,由于诸多原因,导致很多的学生只能在有限的时间、有限的设备上进行一些有限的实验。本设计是利用Proteus软件进行单片机虚拟实验项目的开发,试验项目所涉及的单片机及外围电路可以在没有硬件的情况下进行仿真,从而能极大地方便教师的教学和增强学生的学习兴趣。
近年来, 由于微电子技术的迅猛发展, 在单片机价格降低的同时其性能不断提高, 使得单片机的应用范围得到了极大的扩展, 在汽车、通信、办公自动化、工业控制、高级玩具、家用电器等方面都得到了广泛的应用。单片机作为一种典型的嵌入式系统, 其系统设计包括硬件电路设计和控制程序设计两个方面, 其调试过程一般分为软件调试、硬件测试、系统调试三个过程。软件调试一般比较方便进行, 但如果要进行硬件电路测试和系统调试则比较麻烦, 因为要进行这两个过程必须在电路板制作完成、元器件焊接完毕之后进行。而电路板的制作、元器件的安装、焊接是费时费力的, 如果采用作为单片机系统的仿真工具Proteus , 则不用制作具体的电路板也能够完成以上工作。毫无疑问, 在Proteus进行系统虚拟开发成功之后再进行实际制作, 必然可以提高开发效率、降低开发成本、提高开发速度,而这些因素对于企业来讲是非常重要的。同时Proteus 对于提高学生的实际动手能力、综合设计能力、创新能力具有非常明显的作用。
本课题充分利用了Proteus 软件的功能,对各个电路部分进行仿真。为进行一些简单的单片机实验构建一个虚拟硬件环境。
二、文献综述
1.现阶段大学电子实验主要弊端
电子器件品种繁多,特性各异。在进行实验时,首先就面临如何正确、合理地选择电子器件的问题。如果选用不当,则将难以获得满意的实验结果,甚至造成电子器件的损坏。
电子器件的特性参数分散性大,电子元件的元件值也有较大的偏差。这就使得实际电路性能与设计要求有一定的差异,实验时需要进行调试。
电子电路中的寄生参数和外界的电磁干扰,在一定条件下可能对电路的特性有重大影响,甚至会产生自激而使电路不能工作。这种情况在工作频率高时尤其容易发生。
电子电路各单元电路相互连接时,经常会遇到一个匹配问题。尽管各单元电路都能正常工作,若未能做到很好地匹配,则相互连接后的总体电路也可能不能正常工作[1]。
2.Proteus 软件仿真的优势
采用Proteus 仿真软件进行虚拟实验, 具有比较明显的优势,如涉及到的电子元件丰富、实验内容全面、硬件投入少、实验过程中安全、损耗小、与工程实践最为接近等。
电子元件丰富,内容全面
Proteus软件提供了数千种元器件,它能实验的内容包括软件部分的汇编、C 等语言的调试过程,也包括硬件接口电路中的大部分类型。对同一类功能的接口电路, 可以采用不同的硬件来搭建完成, 可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。该软件可以加快电路系统开发的速度,节约开发成本,提高开发效率。
硬件投入少,经济优势明显
Proteus 所提供的元件库中, 大部分可以直接用于接口电路的搭建, 同时该软件所提供的仪表, 不管在质量还是数量上, 都是可靠和经济的。如果在实验教学中投入这样的真实的仪器仪表, 仅仪表的维护来讲, 其工作量也是比较大的。因此采用软件的方式进行教学, 其经济优势是比较明显的。
接近实践,提高解决实际工程问题的能力
采用仿真软件后, 学习的投入变得比较的小, 而实际工程问题的研究, 也可以先在软件环境中模拟通过, 再进行硬件的投入,这样处理, 不仅省时省力, 也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。最后将仿真调试成功的电路移植到一个具体的硬件电路中进行测试。将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来, 利于对工程实践过程的了解和学习。
实验过程中安全,仪器多、损耗小
采用Proteus 仿真软件进行的实验教学,可以将大量教学信息直接地表现出来,节约大量昂贵的实验仪器费用,调动学生的学习积极性和主动性,为实践性教学设计过程带来了很大的灵活性,并且打破了空间和时间的限制,避免真实实验或操作所带来的各种危险,则不存在因操作不当而造成的元器件和仪器仪表的损毁, 也涉及到仪器仪表等工作时所造成的能源消耗的问题。
采用多媒体教学,丰富了实践性教学的手段
在教学上虚拟实验采用局域网多媒体教学,通过局域网实现教师机对学生机同步演示电路图并讲解其原理,学生根据电路原理图在虚拟实验系统提供的元件库中找到相应的虚拟元件。实验完成后将数据输入到电子实验报告系统中,自动生成实验报告,教师再通过主机将每位学生的实验报告收上来进而完成整个实验教学[2]。
3.Proteus 软件简介
Proteus软件由Labcenter公司开发,是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台,可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能,是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境,可选择Keil C51uVision2 软件。该软件支持众多不同公司的芯片,集编辑、编译和程序仿真等于一体,同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。它的界面友好易学,在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能[3]。
Proteus VSM最主要的特点是它能把微处理器软件作用在处理器上并和连接该微处理器的任何模拟和数字器件协同仿真。微处理器模型和其它器件的模型一道驻留在原理设计中, 它仿真执行目标码, 就像在真正的单片机系统上。如果程序代码向一个外设口写, 电路中逻辑电平会相应变化, 如果电路改变了微处理器管脚的状态, 这些也可以在程序代码中看到,如同真实系统一样[3]。
4.Proteus使用效果分析
Proteus实验室起步于90年代初期,在短短十几年的时间内,就得到了快速的发展。目前其用户已遍布世界各地,这其中既有国际知名的企业,如ST、Motorola、Sony、Philips等,也有国际知名的大学,如Cambridge、Stanford、Oxford、California等。 Proteus实验室于20世纪初期引入我国,目前已在国内的100多所大专院校及一些企业获得使用,国内著名大学如清华大学、上海交大、中山大学、华南理工等。通过对我国企业及大专院校用户的使用情况调查分析可知,企业用户普遍反映Proteus实验室能够非常明显降低产品的开发时间并降低开发成本;国内大专院校用户普遍反映Proteus实验室能够明显提高学生的综合设计能力及创新开发能力,同时也极大地提高了毕业学生适应工作岗位的能力。这可以从这样一个侧面得到反映,已经建立Proteus实验室的学校,其学生均在在全国大学生电子设计竞赛中获得较好的成绩,这从一个方面反映了Proteus实验室的建设对于提高学生的实际动手能力、综合设计能力、创新能力具有非常明显的作用[4]。
4.Keil C简介
单片机开发中除必要的硬件外,同样离不开软件,我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法,一种是手工汇编,另一种是机器汇编,目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码,用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51,随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也在不断发展,Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件,这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的,如果你使用C语言编程,那么Keil几乎就是你的不二之选(目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件),即使不使用C语言而仅用汇编语言编程,其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍[5]。
5结合Proteus和Keil C的教学优势
利用Proteus与Keil整合进行实验,具有比较明显的优势,当然其存在的缺点也是有的。利用仿真实验可以做全部的软件实验和极大多数的硬件系统,虚拟仿真实验室,因极少硬件投入、所以经济优势明显,不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏带来的不足,而且排除了原材料消耗和仪器损坏等因素,可以帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述的内容,加深对概念、原理的理解,弥补课堂理论教学的不足。学生通过仿真实验,可以熟悉单片机系统的开发方法,这对进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力具有重要意义。Proteus大量的范例,可供学生参考处理,实验过程、实验步骤的演示可以在实验室以外的地方完成,实现了跨越了传统教学地域传授知识的局限,还能解决由于学生不懂、不理解,老师重复讲解、演示和重复分析的弊端,使老师有更多的时间进行课堂管理,有更多的时间观察学生的反应,检查课堂教学结果,再作相应的教学调整,增加必要的教学过程,施加必要的教学手段。从而更出色地完成教学任务。
三、基本内容和预期达到的目标
1.选用一款芯片,设计一个简单的硬件环境系统,其主要电路设计模块包括:
1) 定时器:通过累加脉冲到一定值后产生溢出,再由单片机处理,或记录次数来完成定时。
2) 串行口:串口叫做串行接口,也称串行通信接口,按电气标准及协议来分包括RS-232-C、RS-422、RS485、USB等。 RS-232-C、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定,不涉及接外挂程式、电缆或协议。USB是近几年发展起来的新型接口标准,主要应用于高速数据传输领域。
3) 键盘:由一组排列成矩阵方式的按键开关组成。
4) 显示器实验的设计:
LED:LED是一种特别的二极管,当连接最电的时候就会发出光,通常被用在电子器具来显示电路是否关闭或打开的指示灯。
LCD: LCD为英文Liquid Crystal Display的缩写,即液晶显示器,是一种数字显示技术,可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源,在平面面板上产生图象。
5) BCD码拨盘:BCD码十进制拨盘是向单片机应用系统输入数据的设备,并且十分方便,是一种硬件设置数据的设备。使用拨盘输入的数据具有不可变性,却又易于修改。
6) A/D和D/A:真实世界的模拟信号,例如温度、压力、声音或者图像等,被不断转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。但是在很多系统中,数字信息也必须重新转换成模拟信号来实现一些真实世界的功能。数模转换器(DAC)就可以做到这一点,而且它们的输出还可以用来驱动各种设备,例如扩音器、发动机、射频发射器和温度控制器等。
DAC一般被放置在数字系统中。在数字系统中,一些真实世界的信号通过模数转换器(ADC)数字化和处理过后,然后需要重新转化成模拟信号的系统中。这些系统所要求的DAC性能会受到系统其它组件的性能和要求的影响。
2.主要内容为:针对以上模块设计电路图和编写实现其功能的软件程序并结合Proteus和Keil C 进行仿真实验。
3.预期达到的目标:
每个实验项目都要仿真通过并建立完整正确的硬件电路图和相关的实验指导书,包括项目的建立过程、软硬件说明、注意事项。
四、整体方案
本课题共分为键盘、定时器、串行口、显示器、BCD码拨盘以及A/D和D/A转换等多个模块。所有电路都是围绕主芯片来完成的,设计的电路的整体框图,如图所示
图1.整体方案框图
如图1分别对键盘、定时器、串行口、显示器、BCD码拨盘以及A/D和D/A等n个项目进行进行硬件电路和软件程序进设计结合Proteus和Keil C 就行项目仿真,全部仿真通过后编写实验指导书。
五、技术路线或者研究方法
图2.技术路线图
1. 根据要完成的项目合理的选择主芯片。
2. 围绕着主芯片设计键盘、定时器、串行口、显示器、BCD码拨盘以及A/D
D/A等电路模块。并在Porteus上画出相应的电路图并保存。
3. 用C语言编译能够完成相应模块功能的源程序。
4. 运行Proteus进行仿真调试。
5. 如果仿真没有成功则修改电路或源程序后重新进行仿真测试。
6. 全部仿真通过后编写实验项目有相关的实验指导书,包括项目的建立过程、软硬件说明、注意事项。
六、进度安排
1. 第1-2周:查阅资料并准备开题报告。
2. 第3-9周:确定方案。
3. 第10-12周:软件编程及调试。
4. 第12-13周:系统的综合调试与试用。
5. 第14-16周:完成论文的撰写,并做好答辩的有关准备工作。
6. 第17周:准备答辩。
参考文献
[1] 周润景.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].北京:电子工业出版社,2006
[2] 周润景.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2006.5
[3] 王松武,赵旦峰,于蕾,等.常用电路模块分析与设计指导【M】.北京:清华大学出版社,2007:49—51
[4] 葛浩.Proteus在单片机课程教学改革中的应用『J1l滁州学院学报,2009,3
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[10] 匡载华,邓小鹏.电子类学科专业Proteus实验室的建设[J].实验技术与管理,2009,26(1):155~158
[11] 袁锋伟,赵立宏,朱慧玲,等.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索,2007,26(7):75~78
[12] 周润景,张丽娜,刘映群.Prot eus入门实用教程[M].北京:机械工业出版社,2007
[13] 张齐,朱宁西.单片机系统设计与开发[M].北京:机械工业出版社,2008
[14] David Jonassen, et a1.Comtructivism and Computer—Mediated ommunication in Distance Education,The American Journal of Distance Education Vo1.9 N o.2,1995.
毕业设计(论文)任务书
学生姓名
系部
电子工程系
专业、班级
测控技术与仪器测控07-1
指导教师姓名
曲贵波
职称
讲师
从事
专业
测控技术与仪器
是否外聘
□是□否
题目名称
基于Proteus的单片机虚拟实验项目的开发
一.课题的目的和意义
单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术,应用于各种嵌入式系统中。单片机技术的发展和推广极大地推动了电子工业的发展,其在教学和产业界的技术推广仍然是当今业界的一个热点。单片机技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术,掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个基本条件
本门课程对学生的实践动手能力要求较高。长期以来,由于诸多原因,导致很多的学生只能在有限的时间、有限的设备上进行一些有限的实验。本设计是利用Proteus软件进行单片机虚拟实验项目的开发,试验项目所涉及的单片机及外围电路可以在没有硬件的情况下进行仿真,从而能极大地方便教师的教学和增强学生的学习兴趣。采用Proteus软件进行虚拟单片机实验,涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、实验过程中损耗小,并且学生可以在课外自行的进行实验,具有明显的优势,对于单片机原理及应用课程的教学具有十分重要的意义。
另外通过本次设计能增强学生的创新意识,培养学生综合运用所学知识分析问题、解决问题及信息的获取、文字的表达等能力。
二.课题主要研究或设计的内容
(1)设计单片机虚拟实验项目的总体方案,内容要涵盖片内功能部件和接口两大部分。
(2)其中指令系统、中断系统、常用的I/O接口芯片等内容不设计单独的实验,但要融合到其它的实验中去。
(3)实验项目包括:定时器、串行口、显示器、键盘、BCD码拨盘、ADC、DAC等;
三.技术指标
(1)每个实验项目有相关的实验指导,包括项目的建立过程、软硬件说明、注意事项; (2)每个实验项目要建立完整正确的硬件电路图; (3)每个实验要配有风格良好的软件程序,包括汇编语言版和C语言版两个版本; (4)每个实验项目都要仿真通过。
四、设计(论文)完成后应提交的成果
1、毕业论文一份,字数15000左右,按学校要求的统一格式撰写。
2、系统电路原理图(0号图纸)。
3、虚拟实验项目软件
4、其它:
(1)开题报告一份;
(2)指导记录一份;
(3)毕业设计中期检查表一份。
五、设计(论文)进度安排
1、第1-2周:查阅资料并准备开题报告;
2、第3~9周:确定方案。
3、第10~12周:软件编程及调试。
4、第12~13周:系统的综合调试与试用。
5、第14~16周:完成论文的撰写,并做好答辩的有关准备工作。
6、第17周:准备答辩。
六、主要参考资料
[1] 周润景.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].北京:电子工业出版社,2006
[2] 周润景.基于proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2006.5
[3] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.2
[4] 李兰友.单片机开发应用十例[M].北京:电子工业出版社,1994.2
[5] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005,10
[6] 范逸之.陈立元.Visual Basic与RS-232串行通信控制(最新版)[M] .北京:清华大学出版社,2002
[7] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2003
[8] 何立民.单片机应用技术选编5.北京航天航空大学出版社,1997
[9] 韩曦. 基于嵌入式Web服务器的智能温室监控系统[J];单片机与嵌入式系统应用;2009
[10] 刘亚利.敬岚,乔卫民;HIRFL-CSR工程中的智能温度控制系统[J];微计算机信息,2005
[11] 刘百芬.吕涛,基于PIC单片机的温度控制器[,半导体技术,2008
[12] 陈尚松.雷加.郭庆. 电子测量与仪器. 电子工业出版社, 2005
[13] 李强华.张根宝;段力,基于单片机控制的楼宇对讲系统的设计[J];电气应用;2007
[14] 艾学忠.翟玉文;杨潇,基于单片机控制的热处理炉温度控制系统[J];吉林化工学院学报;2006
七、备注
指导教师签字:
年 月 日
教研室主任签字:
年 月 日
摘 要
本文基于Proteus软件,简单设计了一个单片机虚拟硬件环境的实验系统,以便做一些简单的单片机实验。本课题针对Proteus软件和编译软件Keil做了一下简单的介绍。本文重点对单片机虚拟硬件环境各部分电路进行详细介绍,包括键盘、显示、A/D、D/A等人机通道、前向通道、后向通道。重点介绍了4X4键盘的显示功能、串口、定时器、LCD的显示以及A/D和D/A转换器的功能。还介绍了一下Proteus和Keil的联调设置以及各电路的仿真结果。
关键词:Proteus软件;单片机 ;仿真; 虚拟实验;Keil软件
17
ABSTRACT
Widespread application based on the C51 monolithic integrated circuit in the real life. This article based on Proteus software, simply designed a monolithic integrated circuit hypothesized hardware environment experiment system. In order to make some simple MCU experiment.This subject gives a brief introduction to Keil and Proteus.This article main introduce the detail to various part of electric circuits. Include keyboard, display, A/D, D/A, man-machine channel, forward channel, backward channel, the 4X4 keyboard's demonstration function, light emitter diodes by class lantern floated down river's way demonstration, LCD displayed as well as A/D and D/A switch's function. At last, writer also introduced the simulation result by Keil and Proteus in different circuits with the jointing setting.
Key Words: Proteus software ;microcontroller ;simulation ;Virtual experiment ;Keil software
黑龙江工程学院本科生毕业设计
本科学生毕业设计
基于Proteus的单片机虚拟实验项目的开发
系部名称: 电子工程系
专业班级: 测控技术与仪器07-1班
学生姓名:
指导教师: 曲贵波
职 称: 副教授
黑 龙 江 工 程 学 院
二○一一年六月
94
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Development of Single-chip Virtual Experiment Project Based on Proteus
Candidate:Wang Chaofan
Specialty:Measurement & Control Technology
and Instrumentation
Class:07-01
Supervisor:A
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