电路仿真软件在“机电一体化技术”课程教学中的应用研究

2019-09-05 版权声明 举报文章

电路仿真软件在“机电一体化技术”课程教学中的应用研究

摘 要:“机电一体化技术”课程是机械工程及其自动化专业的核心专业课程,本文是对仿真软件在该课程教学中实践应用的研究总结,并重点指出如何利用电路仿真软件PROTEUS来解决人机接口和机电接口学习环节中的一些问题。将PROTEUS软件仿真特点与Keil C开发工具进行有机结合,详细分析了PROTEUS在“机电一体化技术”课程的课堂教学、课程设计和毕业设计中的应用模式与方法,为学生在PROTEUS电路仿真分析能力和实际的控制系统软硬件设计综合能力提升打下良好基础。

关键词:机电一体化 教学 仿真 PROTEUS

中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2013)08(a)-0135-02

“机电一体化技术”课程是机械制造及其自动化和机械电子工程等专业的一门专业必修课,因此,学好该课程能为学生毕业后择业打下良好基础。而该课程的微机控制部分和检测部分是以单片微机(MCU)接口技术为核心的实践性很强的学习环节,因此,本课程需重点强化人机、机电、计测等环节的实践教学内容,结合仿真软件能够使学生充分掌握单片微机接口系统的电路设计和仿真方法,是提高机电专业教学质量和培养机电工程开发型人才的一个重要内容。

1 课程教学环节中存在的问题

目前,涉及“机电一体化技术”课程中微机接口控制方面的核心教学环节是接口电路设计与程序设计,微机控制系统设计内容贯穿于课堂教学、课程实验、课程设计及毕业设计等教学环节中。而在这几个方面都不同程度存在一些问题。

1.1 课堂理论教学

在课堂教学中,主要介绍微机系统中的片内资源及典型接口电路。传统教学中,机电专业学生一开始接触这些知识点时,知识体系抽象,学习起来不好理解、费力,而且单片微机内部资源的应用、接口和程序运行过程等没有有效直观的展示和表现,仍然停留在云里雾里的阶段,甚至有些学生在学习完该内容后,还不知道各类中断服务程序是如何被执行,其主要原因是缺乏有效的演示方法。

1.2 课程实验与课程设计

在课程实验和课程设计中实践环节,大多数学校都会采用单片机实验箱(台)来完成实验内容,并且主要完成一些验证性实验,实验过程单一,主要的硬件连接以及主程序都是现成的,学生要完成的任务就是:上电后做一些简单连线,下载固件程序,记录实现结果。学生完成若干实验后,对电路实验中所使用的硬件电路,芯片间的关系以及程序流程内容并不怎么了解,并没深入掌握其本质内容,所以当学生初次接触实验箱(台)时,一旦接错线或电路出现问题时,非常容易造成实验设备的损坏。另外,在使用单片机实验箱(台)时,一旦出现不能远行的实验问题,原因查找更为困难。由于实验箱(台)系统比较复杂,维护也很困难,难以对损坏的部件维修,只能更换设备,会带来费用上的增加。

1.3 毕业设计

常规的毕业设计流程是:对机电系统进行总体规划和设计,并按照自己的设计方向(如机械结构部分、电控系统部分、系统控制软件部分)细化设计内容。对于电控系统设计方向题目,一般根据机电系统的各个功能模块,首先设计出整体理论电路原理图,并以该电路为参考,购买元器件;其次,按照电路原理图在面包板上进行电路搭建,最后,把写好的程序用编程器下载到单片微机实验板上运行调试。在实际操作过程中,由于学生电路设计和实践经验很少,会出现各种各样的问题,如电路设计的缺陷、电路搭建过程中出现的漏焊、错焊以及元器件的故障问题,都会给设计过程带来很大的麻烦,因此,有必要寻找一种简单有效的工具来解决这些问题,PROTEUS仿真软件的出现能够为毕业设计过程带来有效的帮助。

2 PROTEUS仿真软件

伴随着计算机软、硬件技术的发展,各种仿真系统为实际应用系统的设计与开发提供了有力的保证,极大的节约了人力和物力。在以往的MCS51系列、PIC系列、ARM系列单片微机学习、单片微机系统的设计开发中,常用的软件主要有Keil C51、Wave 等相应的专用开发软件。对于Keil C51软件来说,主要是进行MCS51单片微机控制软件的编译调试,Wave可以进行软件仿真,也可以在系统板上调试,并需要有相应的仿真器而且需要先设计出系统目标板才行。而能仿真微处理器的软件PROTEUS,是目前能够很好的进行单片微机及器件仿真的工具。

PROTEUS仿真软件的功能特点如下:

(1)符合单片微机软件仿真系统的标准,可以仿真的单片微机包括目前常见的MCS51系列、MicroChip PIC系列、AVR系列和ARM7等。并支持微机系统开发过程中所使用的大量存储器件和和接口芯片。

(2)仿真基于PROTEUS,能进行模拟电路分析、数字电路仿真、混合信号分析及频率信号分析等电路分析。

(3)提供虚拟示波器、逻辑分析仪、信号发生器、计数器、电表及虚拟终端等虚拟仪器仪表供选用,方便对仿真电路的虚拟测试分析。

(4)利用该软件还可以方便的进行电路原理图(SCH)的绘制和印刷电路板(PCB)的设计。

(5)PROTEUS能和Keil C51无缝集成,实现直接联调,在程序设计的过程中将程序虚拟下载到仿真电路中进行运行状态的测试和结果分析。

3 PROTEUS在单片微机教学中的应用[2]

3.1 仿真工具在机电一体化课程微机控制教学环节的意义

针对以往教学环节中的各类问题,仿真工具为实践教学提供了一个有效的辅助手段。借助PROTEUS可以对MCU和其电路进行有效的功能及过程仿真,并带有丰富的资源库,学生可以实现更多的实验项目,改变传统实验项目的局限性。并且PROTEUS能够替代硬件实验板和仿真器实现“软硬件联机”调试,到仿真结果与预期设计结果一致时,便可以购置硬件,进行硬件电路搭建调试。采用这种设计和开发方式效率高,控制电路调整便捷,不需要购置额外大量的实验材料,就能够完成前期大量的预实验过程和测试过程,可以极大的拓展学生的设计创新能力。

3.2 PROTEUS虚拟实验室引入机电课程的课堂教学

在机电一体化技术课程的接口设计环节中:

第一,应先采用PROTEUS进行实例演示,增强教学生动性和直观性。教师可以提前制作好一些典型的应用系统,如流水灯电路(对应户外建筑物的霓虹灯控制电路)、交通信号灯控制电路及户外LED显示屏控制电路、LCD显示电路(对应各类智能仪器仪表中的显示控制电路)、步进电机控制电路等,并进行现场实验演示。让学生对微机及接口系统有一个直观认识,明白局部系统和完整的控制系统的含义,清楚微机在机电系统中的作用和应用情况。

第二,利用PROTEUS快速明确微机系统中的基本概念,并掌握微机系统控制体系的难点,例如:MCS51系列单片微机中的P3口作为准双向口的概念,如何应用是较难掌握的一个问题;中断如何产生并进行终端响应的概念;八段LED显示器的位选和线选如何区别;串行通信如何实现等接口设计过程中的重点和难点,均可借助PROTEUS进行演示,并且在演示过程中,可以用不同(红蓝)颜色显示芯片引脚状态变化的功能,可以通过单步调试的方法观察微机接口各引脚电平变化情况,通过改变程序内容或指令,观察运行效果,从而掌握各程序语句含义,最终实现学生的有效快速掌握。

第三,实验过程中也可借助信号发生器、波形发生器、虚拟示波器、虚拟分析仪、发光管、电压电流表、LCD与LED显示器、虚拟串口、虚拟计数器对实验进行控制信号的输入、运行过程中的实时检测和状态显示,很直观判断和了解不同电路的作用。

第四,在机电一体化课程接口设计的实验环节,借助PROTEUS仿真软件提供的丰富仿真器件资源,打破学生每次实验时只能用到实验箱(台)的固定模块、实验项目简单、实验过程单调且实验内容少的局面,使学生深入了解接口电路的硬件原理及设计步骤,创造了更多的分析问题、解决问题的机会,提高了学生做实验的兴趣,并且学生的机电一体化系统控制系统设计能力得到很好的锻炼。

3.3 机电专业学生的课程设计和毕业设计环节综合能力提升

学生的课程设计环节,学生应根据实验室现有硬件实验条件,利用PROTEUS进行电路原理图的设计与仿真,并在相应的硬件电路上进行进一步实验,仿真程序在现有实验环境下运行,验证实物效果;借助此环节,系统和熟练掌握PROTEUS各个功能。在进行毕业设计时,导师可以让学生根据毕业设计题目,规划和设计机电系统或微机控制的总体结构,在师生之间共同讨论方案可行性之后,由学生进行后期的详细设计,这将最大限度的培养学生的自主创新意识。在详细设计环节,学生采用PROTEUS进行电路原理图设计,编制测试程序、系统控制程序并调试,等各项仿真目标实现后再购置器件进行电路焊接和系统调试。采用这种形式可以降低因方案不正确或电路搭接错误而造成硬件投入,提高学生实验能力和开发能力。

4 结语

将PROTEUS软件引入机电一体化技术课程的各个实践教学环节中,提高了学生的实验兴趣和创新能力,提高了教学效率,对学生实践能力的培养具有现实意义。而且由于其仿真过程直观,操作灵活,必将收到良好的教学效果,为机电一体化技术接口设计教学环节提供了良好的实验平台。

参考文献

[1] 代启化.基于PROTEUS的电路设计与仿真[J].现代电子技术,2006,234(19):82-84.

[2] 熊刚,刘元刚,胡启迪.PROTEUS在单片微机教学中的应用[J].柳州职业技术学院学报,2011,11(3):82-85.

[3] 廖效果.数控技术[M].湖北科学技术出版社.

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