基于STC15單片機的項目仿真開發(fā)平臺

1、PAGE PAGE - 8 -基于STC15單片機的項目仿真開發(fā)平臺摘要：本論述介紹了一款以STC15W4K32S4為核心處理器，利用Proteus仿真軟件實現(xiàn)單片機項目預(yù)演、開發(fā)的平臺。仿真平臺借助Proteus+KeilC51+STC-ISP軟件，設(shè)計功能豐富多樣兼容性強且操作更便捷，降低開發(fā)人員單片機項目仿真、實操的難度和成本，也更適用于疫情期間項目的線上調(diào)試和開發(fā)人員應(yīng)用型學習的開展。關(guān)鍵詞：單片機；Proteus仿真；STC15W4K32S4；藍橋杯中圖分類號：TP3文獻標志碼：A0引言隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人與人之間的通信，物與物之間的協(xié)同，都離不開單片機技術(shù)，單片機技術(shù)廣泛

2、應(yīng)用到軍事、工業(yè)、醫(yī)療、通信、運輸、金融等生產(chǎn)生活的方方面面1。單片機開發(fā)與應(yīng)用逐漸成為智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的核心技術(shù)，其包括硬件電路設(shè)計、軟件電路設(shè)計，以及需要考慮與實際應(yīng)用的結(jié)合2。在單片機相關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計程中，一款能打破硬件與時間等限制，又適應(yīng)當下碎片化調(diào)試方式的開發(fā)平臺對工程開發(fā)人員及項目質(zhì)量至關(guān)重要。本論述將Proteus、KeilC51與STC-ISP軟件聯(lián)合使用，可以使單片機項目設(shè)計工程師在架構(gòu)搭建之初就能分模塊進行項目預(yù)演操作，降低了項目開發(fā)成本，提高了項目預(yù)演效率和質(zhì)量，避免項目開發(fā)過程中軟硬件的相互牽制。該平臺不受硬件設(shè)備限制，開發(fā)人員可以在自己電腦

3、上操作，增加了操作的便捷性和靈活性，降低了項目預(yù)演與測試的成本。本平臺部分設(shè)計，兼容藍橋杯大賽單片機設(shè)計與開發(fā)指定電路，不僅適用于項目的仿真預(yù)演，同時也可以同步進行該競賽的學習訓(xùn)練，體現(xiàn)了“工學一體、產(chǎn)教融合”的理念。1系統(tǒng)設(shè)計及主要組成目前STC15單片機已廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)，成為當下主流的微控制芯片3。工程人員在項目的開發(fā)和學習中，往往受硬件設(shè)備及成本限制無法高效低成本完成項目仿真及效果測試。受疫情影響，硬件平臺和特定環(huán)境限制下測試仿真問題也亟待解決。本論述所設(shè)計的項目仿真開發(fā)平臺不僅可進行多樣化實驗預(yù)演，也提升了學習的趣味性，且用戶僅需一臺電腦便可完成項目相關(guān)的實操實驗與仿真。該平臺

4、組成部分使用Proteus軟件、以國產(chǎn)8位單片機領(lǐng)導(dǎo)廠商宏晶科技STC15系列的STC15W4K32S4為核心處理器，設(shè)計了一款功能較為完善、操作更為便捷的項目仿真開發(fā)平臺。平臺基礎(chǔ)部分設(shè)計有8位LED燈、4位獨立按鍵+16位矩陣按鍵、兩組四位一體的數(shù)碼管組組成8位數(shù)碼管、1路蜂鳴器、1路繼電器；平臺總線通信及傳感器部分設(shè)計有單總線通信協(xié)議（溫度傳感器DS18B20）、IIC通信協(xié)議（EEPROM存儲器AT24C02、A/DD/A轉(zhuǎn)換器PCF8591）、三線通信協(xié)議（實時時鐘DS1302）；擴展部分設(shè)計有1路串行通信接口、1路PWM輸入接口、1路PWM輸出接口、步進電機、LCD1602、OLE

5、D12864、超聲波等接口，以及擴展引腳便于開發(fā)者外接其他外設(shè)模塊進行項目仿真和創(chuàng)作。2STC15系列綜合仿真平臺基礎(chǔ)部分硬件電路設(shè)計2.1燈光輸出電路設(shè)計LED燈是生產(chǎn)生活中最為常用的光源，工程師們對于單片機的學習基本均是從點亮一個LED燈的控制開始4。對LED的控制不僅是單片機項目開發(fā)中最常見的經(jīng)典模塊，也是學習單片機I/O輸出功能的最簡單直接的外設(shè)器件。本論述仿真平臺采用8路LED燈共陽極設(shè)計，8個LED燈負極連接SN74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出引腳，SN74HC573鎖存器的輸入引腳連接單片機的P00P07管腳，鎖存器的使能引腳與組合邏輯電路主控的SN74HC02的輸出管腳連接，通過

6、單片機P0引腳及組合邏輯電路操作SN74HC573鎖存器進而控制LED亮滅，電路設(shè)計如圖1（a）所示。2.2數(shù)字顯示輸出電路設(shè)計LED數(shù)碼管是單片機控制中常用的數(shù)字顯示器件和人際交互界面。對于靜態(tài)數(shù)碼管顯示內(nèi)容等控制是I/O輸出功能的延伸，對于動態(tài)數(shù)碼管的控制可以加深開發(fā)者對I/O口高速刷新輸出等相關(guān)知識的理解5。本仿真平臺設(shè)計兩個四位一體的共陽極數(shù)碼管構(gòu)成8位數(shù)碼管，供開發(fā)者進行數(shù)字顯示使用及學習。8位數(shù)碼管的共陽極公共端連接一個SN74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出引腳，數(shù)碼管的8個段選控制端連接一個SN74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出引腳，通過單片機P0引腳及組合邏輯電路控制兩個SN74HC5

7、73鎖存器，進而控制數(shù)碼管的位選及段選，便于項目中數(shù)碼管的靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示功能的仿真與調(diào)試，電路設(shè)計如圖1（b）所示。2.3按鍵電路設(shè)計作為人機交互的關(guān)鍵部分，按鍵是幾乎是各類產(chǎn)品設(shè)計中不可缺少的輸入器件，也是單片機開發(fā)過程中對I/O口輸入功能學習最為常用的外設(shè)器件6。本仿真平臺設(shè)計16位按鍵組成矩陣按鍵，并將行線連接的單片機的P30、P31、P32、P33口作為輸出端，列線接接的單片機的P34、P35、P42、P44口作為輸入端。為了便于開發(fā)者在項目初期對獨立按鍵的操作，其中第一列按鍵通過一個跳線帽可以選擇直接與系統(tǒng)GND連接作為獨立按鍵使用，或者是與單片機的P44口連接配合作為矩陣鍵盤使

8、用。獨立鍵盤模式的S4，S5按鍵也可以進行單片機的外部中斷實驗。2.4蜂鳴器、繼電器電路設(shè)計蜂鳴器是一種電子訊響器件，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中作警示器件。繼電器是一種電控制器件，是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。廣泛應(yīng)用在自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等電路設(shè)計中。本項目仿真開發(fā)平臺采用有源蜂鳴器設(shè)計，負極輸入端連接電路板的系統(tǒng)VCC，蜂鳴器的負極端是接ULN2022達林頓管的Q7輸出端。繼電器電路設(shè)計，通過繼電器線圈一端接系統(tǒng)VCC，另外一端接的ULN2022的Q5輸出端，繼電器的輸出端控制一個LED燈來表示繼電器的工作狀態(tài)。其中ULN2022的輸入端與一個SN74HC573連接，通過

9、單片機P0引腳及組合邏輯電路操作SN74HC573鎖存器進而控制蜂鳴器或繼電器，ULN2022其他輸出引腳亦可以連接步進電機、直流電機等器件，電路設(shè)計如圖2（a）所示。2.5組合邏輯電路設(shè)計通過以上論述可知，本仿真平臺設(shè)計的LED、數(shù)碼管、繼電器、蜂鳴器燈外設(shè)均是通過SN74HC573鎖存器控制的，參考藍橋杯單片機比賽的電路設(shè)計，所有SN74HC573的數(shù)據(jù)輸入端采用單片機P0端口，鎖存器的使能端采用組合邏輯電路進行控制，這也是大多數(shù)單片機項目中最常用的外設(shè)控制方法。本仿真平臺采用SN74HC138譯碼器、SN74HC02四通道或非門組成組合邏輯電路，聯(lián)合單片機寫外部存儲器信號引腳WR進行控制

10、。設(shè)計使用單片機的P25、P26、P27引腳控制SN74HC138譯碼器，譯碼器的輸出端與WR引腳聯(lián)合控制SN74HC02或非門，SN74HC02的輸出端控制分別控制LED的鎖存器、數(shù)碼管段鎖存器、數(shù)碼管位選鎖存器、繼電器和蜂鳴器的鎖存器，進而控制對應(yīng)的外部設(shè)備。其中控制WR引腳的連接方式，可以使開發(fā)者通過內(nèi)部存儲器映射方式操作各個鎖存器，或者使用普通的寄存器開發(fā)方式編寫程序，電路設(shè)計如圖2（b）所示。3STC15系列綜合仿真平臺總線協(xié)議模塊電路設(shè)計3.1Onewie總線通訊協(xié)議One-Wire總線是DALLAS公司研制開發(fā)的一種協(xié)議，也是項目開發(fā)中最簡單、常用的一種協(xié)議。一線總線獨特而且經(jīng)濟

11、的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品的設(shè)計中7。本仿真平臺設(shè)計使用生產(chǎn)生活中廣泛使用的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20作為溫度傳感器的實訓(xùn)學習，同時也作為OneWire總線通信協(xié)議的實訓(xùn)練習。電路設(shè)計溫度傳感器的OneWire通信引腳與單片機的P14引腳相連接進行數(shù)據(jù)傳輸。為了方便分析單總線的通訊協(xié)議過程，設(shè)計加載Proteus軟件提供的LogicAnalys？er對單總線通訊協(xié)議進行視圖化分析和解析，電路設(shè)計如圖3（a）所示。3.2IIC總線通訊協(xié)議IIC通訊協(xié)議是Phiilps公司開發(fā)的通訊協(xié)議，由于它引腳少，硬件實現(xiàn)簡單，可擴展性強，被廣泛地使用在系統(tǒng)內(nèi)多個集成電路（I

12、C）間的通訊，也是單片機開發(fā)過程中不可或缺的通信協(xié)議8。本綜合仿真平臺設(shè)計IIC總線通訊引腳SDA、SCL分別為單片機的P20、P21引腳。設(shè)計一個EEPROM存儲設(shè)備AT24C02掛載在IIC總線上，方便開發(fā)者對常用存儲設(shè)備的應(yīng)用也有利于對IIC通信協(xié)議的學習與深入理解。本仿真平臺設(shè)計一個A/D、D/A轉(zhuǎn)換器PCF8591芯片，同樣掛載在IIC通信總線上，能實現(xiàn)一個IIC通信總線掛載多個IIC設(shè)備并進行聯(lián)合通信等功能的實現(xiàn)，為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的硬件工程師提供了開發(fā)捷徑，同時能保證單片機進行A/D采集、D/A輸出的相關(guān)基本應(yīng)用。其中，A/D采集設(shè)計使用PCF8591芯片的AIN1通道檢測一個光敏電阻

13、，AIN3通道檢測一個滑動變阻器，D/A輸出通道連接一個電壓表直接觀測模擬電壓輸出值，電路設(shè)計如圖3（b）所示。3.3SPI總線通訊協(xié)議實時時鐘芯片出現(xiàn)在日常生活中大多數(shù)消費類電子產(chǎn)品中，也是幾乎所有單片機項目都要涉及的功能。實時時鐘為人們提供精確的時間，也為電子系統(tǒng)提供精確的時間基準。本綜合仿真平臺設(shè)計采用是一款低功耗，具有56字節(jié)非失性RAM的全BCD碼時鐘日歷實時時鐘的SPI通信協(xié)議器件DS1302芯片，這也是目前市面上應(yīng)用最廣泛的實時時鐘方案。不僅能實現(xiàn)常用的實時時鐘芯片的應(yīng)用，也能方便開發(fā)者調(diào)試SPI通信協(xié)議，設(shè)計SPI通信協(xié)議的RST、SCLK、IO引腳的連接方案，比如依次連接單片

14、機的P13、P17、P23引腳進行控制及數(shù)據(jù)的傳輸。3.4PWM輸出及檢測脈沖寬度可調(diào)制簡稱“PWM”，廣泛應(yīng)用在燈光控制、電機控制，測量、通信、工控等方面。對PWM的仿真調(diào)試，是對于單片機定時器等相關(guān)知識進行充分的應(yīng)用。本仿真平臺設(shè)計使用P34引腳加跳線帽設(shè)計，如果跳線帽短接，則使用Proteus的信號源PLUSE作為輸入信號，開發(fā)者可使用定時器進行PWM檢測實踐訓(xùn)練。如果跳線帽斷開，P34引腳連接Proteus提供的虛擬示波器Oscilloscope，開發(fā)者可使用定時器進行PWM的輸出，通過Oscilloscope進行驗證輸出結(jié)果。4結(jié)束語本論述開發(fā)了一款以Proteus仿真軟件為載體，基

15、于STC15單片機的項目仿真開發(fā)平臺，能實現(xiàn)LED、數(shù)碼管、獨立/矩陣按鍵等單片機項目基礎(chǔ)部分的交互功能，同時支持單總線、IIC總線、SPI總線等通訊協(xié)議及多種傳感器的開發(fā)需求，預(yù)留擴展接口可方便不同項目對各種外設(shè)模塊的多樣性開發(fā)。本平臺提高了單片機項目仿真預(yù)演操作的便捷性，可滿足開發(fā)者隨時測試調(diào)整仿真的需求，效果顯著。本平臺已應(yīng)用到了“藍橋杯大賽”單片機設(shè)計與開發(fā)組的學習和訓(xùn)練中，不僅方便工程師對項目的仿真、預(yù)演，也有助于開發(fā)者的學習與技能的提高。參考文獻：1李向玉.分析單片機在電子技術(shù)中的應(yīng)用和技術(shù)開發(fā)J.電子測試，2022（Z1）：41-42.2趙博巖.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)研究與設(shè)計D.成都：電子科技大學，2022.3黃鑫磊，譚艷，趙鑫虎，等.基于STC15系列單片機的智能垃圾桶的設(shè)計J.工業(yè)控制計算機，2022，33（12）：139-140.4趙汝和，李三雁.基于Proteus的單