Proteus VSM是英國Labcenter Electronics公司推出的一款基于標(biāo)準(zhǔn)仿真引擎Spice3F5的電路分析、實(shí)物仿真系統(tǒng)，是一款電子設(shè)計(jì)的教學(xué)平臺、實(shí)驗(yàn)平臺和創(chuàng)新平臺，涵蓋了電工電子實(shí)驗(yàn)室、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室等的主要功能，其組合了高級原理布圖、混合模式Spice仿真、PCB設(shè)計(jì)以及自動布線來實(shí)現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Proteus軟件可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，可以支持不同系列的單片機(jī)仿真，如51系列、PIC系列、AVR系列、摩托羅拉的68MH11系列等；Proteus提供了虛擬示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、電表、Virtual Terminal等虛擬儀器儀表供選擇用，其虛擬系統(tǒng)建模(VSM)技術(shù)可以仿真基于微控制器的設(shè)計(jì)，包括其周邊電路，甚至可以使用動畫演示的外設(shè)模型(如LED／LCD顯示、開關(guān)、按鈕、RS 232終端、鍵盤等)與設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)時交互；它具備強(qiáng)大的調(diào)試工具，包括寄存器和存儲器數(shù)據(jù)查詢、斷點(diǎn)和單步模式，并可以利用IAR C—SPY，KeilμVision和Matlab等軟件進(jìn)行源代碼級聯(lián)合調(diào)試，以求達(dá)到最好的仿真效果。本文利用嵌入式系統(tǒng)仿真軟件Proteus實(shí)現(xiàn)了基于AT89C51單片機(jī)的自動撥號報警器仿真設(shè)計(jì)，具有開發(fā)周期短，成本低等特點(diǎn)，對于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)、電子電路的開發(fā)和教學(xué)等都有較大的實(shí)用價值，且設(shè)計(jì)的電路及驅(qū)動程序?qū)ο鄳?yīng)的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)具有一定的借鑒作用。
1 Proteus中自動撥號報警器設(shè)計(jì)
基于AT89C51單片機(jī)的自動撥號報警器硬件系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該報警器由6個子模塊組成，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、功率放大電路與模擬報警信號模塊、LCD顯示模塊、鍵盤輸入模塊、I2C存儲模塊和撥號音頻模塊。
下面分析各個模塊的設(shè)計(jì)原理：
(1)單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊。主要包括51系列單片機(jī)一塊(AT89C51)、時鐘電路(12 MHz晶振)與復(fù)位電路(包括上電復(fù)位與手動復(fù)位兩種)。
(2)功率放大電路與模擬報警信號模塊。由于單片機(jī)本身I／O口的驅(qū)動能力有限，直接接入電話網(wǎng)絡(luò)會因驅(qū)動電流太小而使得信息無法傳輸出去，因此需通過功率放大電路增強(qiáng)其輸出驅(qū)動力。功率放大電路采用一個NPN三極管與兩個PNP三極管組成多級放大電路，其中NPN管采用的是共射放大，而兩個PNP管則采用了共基放大的方式。模擬報警信號模塊以8個開關(guān)模擬8路不同類型的報警輸入，通過一個8路與非門后再接一個非門，當(dāng)有任何一個按鍵按下時，INT0口均可獲得產(chǎn)生中斷的低電平，以此啟動中斷程序。同時8個開關(guān)再分別接入單片機(jī)I／0口P2，用以判斷產(chǎn)生中斷的報警類型。在實(shí)際應(yīng)用中，模擬報警信號模塊可以用8路不同的傳感器電路代替，如：溫度傳感器探測火警、氣體傳感器探測有毒氣體等。在仿真平臺下，傳感器較難應(yīng)用，因此在設(shè)計(jì)中直接用開關(guān)來模擬。
(3)LCD顯示模塊。使用16×2的點(diǎn)陣字符型液晶LM016L，用以顯示操作提示信息。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用符號和日文假名等，每1個字符都有1個固定的代碼。用戶在模塊中寫入適當(dāng)?shù)目刂泼睿纯赏瓿汕迤痢@示、地址設(shè)置等操作。設(shè)計(jì)采用并連方式控制，LCD與單片機(jī)的通信接口電路采用直連方法。
(4)鍵盤輸入模塊：鍵盤采用Proteus自帶的3×4電話機(jī)鍵盤模塊，主要用來編輯修改電話號碼與功能控制選擇。
(5)I2C存儲模塊：該模塊用于存儲撥號的電話號碼，數(shù)據(jù)量小。為節(jié)省I／O口，采用24CXX系列存儲芯片，僅需占用2個I／O口(SDA，SCL)。
(6)撥號音頻模塊：電話撥號脈沖以及聲音脈沖由單片機(jī)軟件設(shè)置生成，由定時器控制脈沖的頻率和占空比。電話機(jī)脈沖撥號的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，脈沖斷續(xù)比為(1．6+0．2)：1或(2．0+0．2)：1，當(dāng)脈沖撥號速度(脈沖數(shù)／s)為10+1時，相鄰兩脈沖串的時間間隔大于等于500 ms。由此可以計(jì)算得出，脈沖撥號斷、續(xù)時間間隔分別為：100×1．6／(1．6+1)≈61．5 ms和100-61．5=38．5 ms。在摘機(jī)狀態(tài)時，電話機(jī)處于低阻態(tài)，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的直流阻值小于等于300 Ω。
2 軟件程序設(shè)計(jì)
2．1 主程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，主程序流程分為3個狀態(tài)：號碼輸入狀態(tài)，在存儲器中已存有電話號碼的情況下此步驟可手動跳過；等待狀態(tài)，該狀態(tài)是在警報開關(guān)關(guān)閉的時候系統(tǒng)所處的空閑狀態(tài)，可按“#”重新進(jìn)入號碼輸入狀態(tài)，當(dāng)警報開關(guān)打開時會自動跳進(jìn)監(jiān)控狀態(tài)；監(jiān)控狀態(tài)，系統(tǒng)等待外部中斷以做出相關(guān)處理。按“#”可以跳回到號碼輸入狀態(tài)。在號碼輸入狀態(tài)和等待狀態(tài)，系統(tǒng)需要關(guān)閉中斷，以避免中斷信號對系統(tǒng)設(shè)置產(chǎn)生干擾。
2．2 中斷子程序設(shè)計(jì)
中斷子程序基本流程如圖3所示。首先建立一個整形數(shù)組numi[]，將號碼位數(shù)k保存在numi[0]中，而電話號碼則保存在numi[1]～numi[k]中；然后將數(shù)組numi[]的前k+1位一次性發(fā)送至I2C芯片。讀取的時候，從讀取數(shù)據(jù)首地址一次性讀取出16位數(shù)據(jù)(電話號碼最多14位)，將其保存在整形數(shù)組phn[]中，撥號的時候從phn[1]開始，一共讀phn[0]次，這樣不但可以準(zhǔn)確的傳輸電話號碼并進(jìn)行撥號，同時對I2C芯片的讀／寫僅需1次，降低了讀寫過程中未知錯誤發(fā)生的概率。
該設(shè)計(jì)共有8路外部模擬報警信號輸入，其警報信號定義如表1所示。將長音視為1，短音視為0，則警報內(nèi)容可譯為報警信號源代碼的BCD碼低三位，以此作為報警類型標(biāo)識。
2．3 LCD顯示子程序
LCD顯示子程序包含有多個子函數(shù)，包括：讀LCD狀態(tài)指令函數(shù)recom()、測試忙函數(shù)busytest()、寫LCD指令函數(shù)wrcomn()、LCD清屏函數(shù)clrscr()、初始化LCD函數(shù)initled()、光標(biāo)定位函數(shù)setpos()；寫單字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)writedata()；對于某一行的寫入字符串函數(shù)wrll()與wr21()。其中，讀／寫指令、測試忙、清屏、光標(biāo)定位、寫單字?jǐn)?shù)據(jù)均是按照LCD原理命令字進(jìn)行操作。LCD的初始化包括復(fù)位設(shè)置、清除顯示、地址歸位、顯示開關(guān)、游標(biāo)設(shè)置、讀／寫地址設(shè)置等，LCD中所有數(shù)字和字符都可以通過它的ASCII碼來訪問顯示。
2．4 撥號音頻模塊程序設(shè)計(jì)
在撥號程序設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要控制好定時器以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的占空比脈沖，程序編寫中，設(shè)置TMOD=0x11，定時器設(shè)置為操作模式1，當(dāng)生成61.5 ms低電平脈沖時，TC=216-61．5 ms／1μs=4 036=0x0FC4，因此TH0=0x0F，TL0=0xC4；當(dāng)生成38．5ms高電平脈沖時，TC=216-38.5ms／1μs= 27 036=0x699C，所以TH0=0x69，TL0=0x9C；當(dāng)延時500 ms時，由于單片機(jī)定時器最大定時時間為61．5 ms(方式1)，因此采取在一個循環(huán)次數(shù)為10的for循環(huán)中執(zhí)行定時時間為50 ms的程序，TC=216-50 ms／1μs=15 536=0x3CB0，因此TH0=0x3C，TL0=0xB0。
音頻模塊程序設(shè)計(jì)是通過設(shè)定特定頻率的正負(fù)脈沖序列，驅(qū)動擴(kuò)音器播放出相應(yīng)音調(diào)的聲音，例如若設(shè)置單片機(jī)定時器1TH0=0xFB，TL0= 0x44，則脈沖周期約為2．424 ms，所發(fā)出的聲音與音調(diào)“do”相似。在此不妨定義發(fā)長音時間為500 ms，發(fā)短音時間為100 ms。長短音信號相互組合成不同的警報信息可用來定義不同的報警類型。
3 調(diào)試與運(yùn)行
在Proteus和Keil中進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，可以讓兩者進(jìn)行聯(lián)調(diào)，聯(lián)調(diào)可以在同一臺計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，也可以在不同的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行。通過Proteus與Keil的聯(lián)調(diào)可以輕易做到在不使用硬件的前提下直接在仿真平臺上進(jìn)行實(shí)時仿真，對于系統(tǒng)的調(diào)試具有很大意義。實(shí)時仿真能降低調(diào)試的難度，更有利于設(shè)計(jì)中一些問題的解決以及BUG的發(fā)現(xiàn)。相比較于只能觀看運(yùn)行結(jié)果的系統(tǒng)來說，聯(lián)調(diào)可以大大提高設(shè)計(jì)制作的效率。Pro-teus與Keil的聯(lián)調(diào)需要用到Proteus下的一個動態(tài)鏈接庫文件VDM51．DLL，用其作為Keil鏈接到Proteus的接口。
系統(tǒng)運(yùn)行后，首先初始化系統(tǒng)，并顯示系統(tǒng)信息，數(shù)秒鐘的延時之后LCD將顯示提示“是否輸入新號碼?”，若按“#”則進(jìn)入號碼輸入界面。輸入完畢后按“#”結(jié)束輸入，如果輸入錯誤則按“*”重新輸入，若按“*”則進(jìn)入等待狀態(tài)，若報警開關(guān)未打開，則進(jìn)入空閑狀態(tài)，此時按“#”可以修改已存儲的電話號碼。若報警開關(guān)已經(jīng)打開，則進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，此時按“#”依然可以修改之前存儲的電話號碼。若此時有外部報警信號進(jìn)入，則進(jìn)入中斷程序，開始撥號。同時，可用電壓探針探測到輸出的撥號脈沖序列，如圖4所示。根據(jù)脈沖撥號原理，數(shù)字1～9撥號脈沖個數(shù)與撥號數(shù)字相同，0的脈沖個數(shù)是10。
撥號完成會延時10 s，之后將會根據(jù)輸入報警信號類型判斷警報內(nèi)容，若打開第六路報警信號開關(guān)，此時系統(tǒng)發(fā)出了長、長、短的警報信號。若將報警開關(guān)閉合，系統(tǒng)被掛起，解除報警信號，可模擬成報警器被人暫時關(guān)閉，并開始處理報警內(nèi)容，如：火災(zāi)則滅火，毒氣則通風(fēng)，盜竊則檢查門窗物件等。報警信號解除后，程序跳出中斷循環(huán)程序，返回到主程序的監(jiān)控狀態(tài)。
4 結(jié)語
本文給出了使用Proteus軟件仿真自動撥號報警器實(shí)驗(yàn)的具體設(shè)計(jì)過程，采用模塊程序設(shè)計(jì)，利用仿真軟件Proteus及Keil C51聯(lián)合調(diào)試程序。程序設(shè)計(jì)過程對每個模塊先進(jìn)行獨(dú)立編程，調(diào)試通過之后再一起合并進(jìn)行系統(tǒng)程序總調(diào)試。通過上述方式，學(xué)生完全可以通過Proteus軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的仿真，并在較短的時間內(nèi)完成單片機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)，形象生動地理解并掌握單片機(jī)技術(shù)。不僅彌補(bǔ)了硬件資源投入不足的弊端，還明顯克服了實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)中固定硬件資源導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定的缺陷，極大地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性。