專利名稱：單片機課程仿真教學系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及仿真教學系統，特別是涉及到一種單片機課程仿真教學系統。
背景技術：
目前社會上非常需要掌握單片機技能的人才，只要掌握單片機技能就不愁找不到工作，這是毋庸置疑的事實，在高校每年都有大型的全國范圍的電子競賽或智能車大賽，這些競賽的題目幾乎都涉及到單片機，很多企業都認可全國電子競賽或智能車大賽的獲獎證書，為此理工科高等院校都開設了單片機課程或微機原理課程，但是同學們普遍反映單片機課程不好掌握，主要原因有幾點，第一是單片機課程要和C語言結合才是企業需要的，而 C語言是單片機課程的前期課程，如果C語言不過關，單片機編程這一關就很難通過；第二是單片機課程要和電子技術課程相結合，單片機不是孤立的，要和電子電路連接以后才能發揮作用，而電子技術課程又是前期課程；第三是目前的教學方法主要還是照本宣科，沒有和實際項目相結合，同學們感覺還是很抽象；第四是沒有好的仿真教學手段。在申請號為 CN200710026430.0的中國專利申請中，提出了一種基于可編程邏輯器件的教學實驗裝置， 微控制器采用51系列單片機，內嵌仿真調試軟件，通過串行通信方式或以太網方式與微控制器連接。在申請號為CN200620169001. X的中國專利申請中，提出了一種USB型單片機仿真實驗儀，該USB型單片機仿真實驗儀上具有USB接口電路，該USB接口電路將USB總線轉換成串行口與單片機相連，實驗儀與PC機USB接口相連后，可直接在PC機的KEIL環境下對實驗儀上的實驗電路和程序進行實時仿真調試。在上述兩篇專利申請中，都是使用內嵌仿真調試軟件，在仿真調試時必須連接被仿真的實驗儀器或實驗板，給教學帶來了諸多不便。為此我們發明了一種新的單片機課程仿真教學系統，解決了以上問題，同時采用項目教學法，使同學們很快掌握了單片機技能，提高了學生的就業率，同時又能起到很好的教學效^ ο

發明內容
本發明的目的是提供一種單片機課程仿真教學系統，其采用與具體項目相結合的方式，先是在系統上進行軟件仿真，再軟硬結合仿真，最后再硬件仿真的，并在進行軟件仿真時，將功能電路板的總程序劃分成許多程序模塊，便于學生理解掌握。
本發明的目的可通過如下技術措施來實現
單片機課程仿真教學系統，包括至少一塊功能電路板，該功能電路板包括單片機，并在該單片機的控制下實現該功能電路板的功能，該單片機課程仿真教學系統還包括教師機、 學生機、RS485通信線路和通信轉換模塊，該教師機是一臺講課用的電腦，并執行軟件仿真、 軟硬件仿真和純硬件仿真，所述學生機為一臺或者多臺電腦，執行軟件仿真和軟硬結合仿真，所述通信轉換模塊連接于所述教師機和所述學生機，將RS232接口轉換成RS485接口， 并通過所述RS485通信線路與所述功能電路板相連。本發明的目的還可通過如下技術措施來實現所述教師機在所述軟件仿真成功的基礎上通過所述通信轉換模塊與所述RS485通信線路相連實現與所述功能電路板相同的所述軟硬件仿真，所述教師機向所述功能電路板發出調試信息來檢測和驗證所述功能電路板的功能，所述純硬件仿真為將所述軟硬結合仿真調試成功后的可執行代碼從所述教師機下載到所述單片機里執行。優選的是，所述功能電路板還包括RS485轉換電路、RS485接口電路、地址電路、功能模塊和程序下載接口，所述RS485轉換電路將所述單片機的串行收發信號轉換成RS485 信號并與所述RS485接口電路相連，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路與所述RS485通信線路相連，所述地址電路與所述單片機相連實現所述功能電路板的地址設定，所述功能模塊在所述單片機的控制下實現所述功能電路板的功能，所述程序下載接口為將編譯好的可執行代碼下載到所述單片機的接口。優選的是，所述功能電路板為監控板、檢測板和聯動板，該檢測板檢測可燃氣體的濃度并將檢測到的濃度值通過所述RS485通信線路傳到所述監控板，所述監控板執行實時監控，并顯示所述檢測板傳過來的所述濃度值，顯示時鐘信息，顯示系統運行狀態，處理鍵盤信息，并在發現所述檢測板發過來的所述濃度值超過低限值時，所述監控板通過所述 RS485通信線路向所述聯動板發送啟動風機指令，風機在所述聯動板的控制下啟動，在發現所述檢測板發過來的所述濃度值超過高限值時，所述監控板通過所述RS485通信線路向所述聯動板發送切斷閥門指令和啟動風機指令，所述風機在所述聯動板的控制下啟動，閥門在所述聯動板的控制下切斷。優選的是，所述檢測板還包括RS485轉換電路、RS485接口電路、地址電路和程序下載接口，所述RS485轉換電路將所述單片機的串行收發信號轉換成RS485信號并與所述 RS485接口電路相連，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路與所述 RS485通信線路相連，所述地址電路與所述單片機相連實現所述檢測板的地址設定，所述程序下載接口為將編譯好的可執行代碼下載到所述單片機的接口。優選的是，所述檢測板還包括氣體探頭和信號轉換電路，該信號轉換電路將該氣體探頭的濃度信息轉換成O到5伏信號的所述濃度值傳送給所述單片機，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路將所述濃度值傳到所述監控板。優選的是，所述檢測板還包括電源模塊和秒定指示燈，該電源模塊將直流48伏信號轉換成直流5伏信號，該直流5伏為所述檢測板提供電源，所述秒定時指示燈每隔1秒鐘閃爍一次表示所述檢測板工作正常。優選的是，所述聯動板還包括RS485轉換電路、RS485接口電路、地址電路和程序下載接口，所述RS485轉換電路將所述單片機的串行收發信號轉換成RS485信號并與所述 RS485接口電路相連，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路與所述 RS485通信線路相連，所述地址電路與所述單片機相連實現所述聯動板的地址設定，所述程序下載接口為將編譯好的可執行代碼下載到所述單片機的接口。 優選的是，所述聯動板還包括閥門控制電路和風機控制電路，該閥門控制電路和該風機控制電路連接于所述單片機，所述該單片機接收到所述風機啟動指令時，將所述風機啟動指令傳到所述風機控制電路，所述風機控制電路控制所述風機啟動，所述單片機接收到所述切斷閥門指令時，將所述切斷閥門指令傳到所述閥門控制電路，所述閥門控制電路切斷所述閥門。
優選的是，所述聯動板還包含電源模塊、秒定指示燈、風機指示燈和閥門指示燈， 該電源模塊將直流48伏信號轉換成直流5伏信號，該直流5伏為所述聯動板提供電源，所述秒定時指示燈每隔1秒鐘閃爍一次表示所述檢測板工作正常，所述風機指示燈點亮表示所述風機啟動而指示燈熄滅表示所述風機停止，所述的閥門指示燈點亮表示所述閥門切斷而指示燈熄滅表示所述閥門接通。優選的是，所述監控板還包括RS485轉換電路、RS485接口電路、地址電路和程序下載接口，所述RS485轉換電路將所述單片機的串行收發信號轉換成RS485信號并與所述 RS485接口電路相連，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路與所述 RS485通信線路相連，所述地址電路與所述單片機相連實現所述監控板的地址設定，所述程序下載接口為將編譯好的可執行代碼下載到所述單片機的接口。優選的是，所述監控板還包括數碼管顯示，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路向所述檢測板發送查詢命令數據包，該查詢命令數據包中包括地址字節和查詢命令字節，所述檢測板接收到該查詢命令數據包并解析，如果該查詢命令數據包中的該地址字節與所述檢測板的設定地址相同就上傳包含有濃度字節的濃度信息包，所述監控板將從所述檢測板接收的所述濃度值顯示在所述數碼管顯示上。優選的是，所述監控板還包括狀態指示燈和報警電路，如果所述濃度值超過所述低限值或所述高限值，所述濃度值超過所述低限值或超過所述高限值時的故障信息將顯示在所述數碼管顯示和所述狀態指示燈上，并存儲在所述單片機的內部存儲器里，啟動所述報警電路通知維護人員到現場處理故障。優選的是，如果所述濃度值超過所述低限值或所述高限值，所述單片機通過所述 RS485轉換電路和所述RS485接口電路向所述聯動板發送聯動命令數據包，該聯動命令數據包中包含地址字節、風機動作字節和閥門動作字節，所述聯動板接收到所述聯動命令數據包并解析，如果聯動命令數據包中的地址字節和所述聯動板的設定地址相同就上傳聯動反饋信息包，并根據所述風機動作字節的數值控制所述風機和根據所述閥門動作字節的數值控制所述閥門，該聯動反饋信息包中包括返回碼字節，該返回碼字節的值為0表示聯動正常，為1表示聯動異常，所述監控板接收來自所述聯動板的反饋信息包，并將反饋信息顯示在所述狀態指示燈和所述數碼管顯示上，當所述反饋信息異常說明聯動板出現故障，所述監控板啟動所述報警電路通知維修人員修理所述聯動板。優選的是，所述監控板還包含鍵盤電路、時鐘電路，所述單片機與所述時鐘電路相連接收時鐘信號并在所述數碼管顯示上顯示當前日期和時間，所述鍵盤電路用于信息或命令的設置、修改和查詢。優選的是，所述監控板還包含電源模塊，該電源模塊將直流48伏信號轉換成直流 5伏信號，該直流5伏為所述監控板提供電源。技術人員不難看出，上述各優選方案的任意組合所構成的方案都是本發明的一部分。本發明中的單片機課程仿真教學系統先是軟件仿真，再軟硬結合仿真，最后再硬件仿真；在進行軟件仿真時，要讓學生們由淺入深的掌握單片機的編程技能，我們將功能電路板的總程序劃分成許多程序模塊，一個一個模塊的講解和仿真，最終完成整個系統。在申請號為CN200710026430. 0的中國專利申請和申請號為CN200620169001. X的中國專利申請中，使用的是對51系列單片機進行仿真，而51系列單片機是淘汰品種，它的性價比遠不如 AVR系列單片機，本發明中的單片機課程仿真教學系統正是對AVR系列單片機進行仿真，上述兩個專利的均是用到內嵌仿真調試軟件，在仿真調試時必須連接被仿真的實驗儀器或實驗板，本發明中的單片機課程仿真教學系統可以實現純軟件仿真，不必連接實驗儀器或實驗板，通過電腦進行軟件仿真，電腦上要裝ftOtues 7. 5的仿真軟件、ACCAVR的C語言編程軟件，串口調試助手軟件以及其它相關軟件，同學們用ftx)tUes 7. 5仿真軟件畫出被仿真的功能電路板原理圖，在這個仿真軟件界面里就可以執行仿真功能了，在這個仿真軟件里還有仿真示波器、仿真萬用表以及信號發生器等仿真儀器，使仿真效果一目了然，每個同學不但在教室里可以仿真功能電路板，還可以在家里仿真功能電路板。此外，本發明中的單片機課程仿真教學系統是基于在智能樓宇中成功運行多年的系統，幾乎包含了 AVR系列單片機的所有接口電路，通過教學，同學們不但學習了單片機的知識還能理論結合實際。并且， 本發明中的單片機課程仿真教學系統解決了在串行通信教學方面很難講解的難題，主要原因是沒有真實的和功能全的系統，而本發明中采用了在工業上被廣泛采用的RS485通信網絡，通過教學，同學們不但學習了單片機的串行通信知識還能理論結合實際。在本發明中還采用了軟硬結合仿真，也就是電腦外配一個通信轉換模塊就可以模擬出一個真實的功能電路板。軟件仿真成功完成后可以采用軟硬結合仿真來模擬真實的功能電路板。本發明中的單片機課程仿真教學系統既可以在實驗室教學又可以在多媒體教室里教學，因為采用了通信網絡是RS485通信網絡，采用雙絞線連接電腦和各個功能電路板，所以布線比較簡單，實施起來比較容易，使學生很快掌握了單片機技能同時又達到了很好的教學效果。


圖1為本發明的單片機課程仿真教學系統的一優選實施例的結構圖； 圖2為本發明的單片機課程仿真教學系統的另一優選實施例的結構圖； 圖3為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的檢測板的仿真原理圖； 圖4為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的聯動板的仿真原理圖； 圖5為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的監控板的仿真原理圖
圖6為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的查詢命令通信格式； 圖7為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的聯動命令通信格式。
具體實施例方式為使本發明的上述和其他目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。如圖1所示，圖1為本發明的單片機課程仿真教學系統的一優選實施例的結構圖。 為了使單片機課程具有很好的教學效果，同時又能提高同學們的分析問題和解決問題的能力，我們設計了單片機課程仿真教學系統，該系統框圖如圖1所示，單片機課程仿真教學系統由教師機101、學生機102、RS485通信線路103、通信轉換模塊104和功能電路板105組成。教師機101是一臺講課用的電腦，可以是普通臺式機也可以是筆記本電腦，教師機101 通過通信轉換模塊104與RS485通信線路103相連。教師機101有五個功能第一是講課用；第二是軟件仿真，可以軟件仿真功能電路板105 ；第三是軟硬結合仿真，在軟件仿真成功的基礎上通過通信轉換模塊104與RS485通信線路103相連就可以實現與硬件功能相同的仿真，這樣一臺電腦配上通信轉換模塊104就能代替上述真實的一塊功能電路板105 ；第四是可以向功能電路板105發出調試信息來檢測和驗證功能電路板105的功能；第五是純硬件仿真，將軟硬結合仿真調試成功后的可執行代碼下載到真實板的單片機里就可以看到真實的效果了。學生機102可以完成軟件仿真、軟硬結合仿真和純硬件仿真，但學生機不能發出調試信息來檢測和驗證功能電路板的功能，因為教師不提供這方面的通信協議。學生機102可以為一臺或者多臺電腦，如果在實驗室講課，每個學生配置一臺電腦，如果不在實驗室講課，有條件的學生可以自帶筆記本電腦，由于筆記本電腦沒有RS232串行通信接口所以還需要配一個USB轉串口的模塊，也是通過通信轉換模塊104與RS485通信線路103相連。功能電路板105可以為一塊或者多塊，在如圖1所示的結構圖中，僅以一塊功能電路板 105為例。通信轉換模塊104用于將電腦輸出的RS232接口(9根線的接口)轉換成RS485 接口(是2根線的接口)，這樣就能將電腦接入到RS485通信線路。功能電路板105通過兩根線連接于RS485通信線路103。功能電路板105由單片機106、RS485轉換電路107、RS485 接口電路108、地址電路109、程序下載接口 110和功能模塊111組成。RS485轉換電路107 用于將單片機106的串行收發信號轉換成RS485信號并與所述RS485接口電路108相連，單片機106通過RS485轉換電路107和RS485接口電路108與RS485通信線路103相連，地址電路109與單片機106相連實現功能電路板105的地址設定，通過程序下載接口 110可以將編譯好的可執行代碼下載到單片機106，功能模塊111在單片機106的控制下實現該功能電路板105的功能。該功能電路板105的具體實例，將在圖2的實施例中進行描述。功能電路板105通過程序下載接口 110可以將編好的可執行程序代碼下載到單片機106里，這樣就可以實現硬件仿真。功能電路板105都可以通過電腦進行軟件仿真，電腦上要裝ftOtues 7. 5的仿真軟件、ACCAVR的C語言編程軟件，串口調試助手軟件以及其它相關軟件，這樣每個同學不但在教室里可以仿真功能電路板105，還可以在家里仿真功能電路板105。軟件仿真成功完成后可以采用軟硬結合仿真來模擬真實的電路板。 如圖2所示，圖2為本發明的單片機課程仿真教學系統的另一優選實施例的結構圖。該系統是我們為企業設計并運行多年的真實系統，該系統完成智能大廈可燃氣體監控的目的，為了教學方便，我們把外殼和不必要的電路去掉只保留主要電路板而不影響系統的功能，把這些主要電路板平攤在講臺上或桌面上，在講課之前根據課程需要可以把電路板的原理圖和實際運行的可執行程序代碼發給大家，通過講解使同學們能夠近距離感受到真實的系統。系統由教師機201、學生機202、RS485通信線路203、通信轉換模塊204、監控板205、檢測板206以及聯動板207組成，實際系統要連接很多檢測板206和聯動板207，為了教學方便，我們只連接一塊檢測板206和一塊聯動板207。通信轉換模塊204的功能是將 RS232接口轉換成RS485接口，教師機201是一臺講課用的電腦，可以是普通臺式機也可以是筆記本電腦，教師機201通過通信轉換模塊204與RS485通信線路203連相連。教師機 201有五個功能第一是講課用；第二是軟件仿真，可以軟件仿真上述三塊板；第三是軟硬結合仿真，在軟件仿真成功的基礎上通過通信轉換模塊204與RS485通信線路203連相連就可以實現與硬件功能相同的仿真，這樣一臺電腦配上通信轉換模塊204就能代替上述真實的三塊板之一；第四是可以向三塊板發出調試信息來檢測和驗證三塊板的功能；第五是純硬件仿真，將軟硬結合仿真調試成功后的可執行代碼下載到真實板的單片機里就可以看到真實的效果了。學生機202只能完成軟件仿真和軟硬結合仿真。通信轉換模塊204用于將電腦輸出的RS232接口( 9根線的接口)轉換成RS485接口(是2根線的接口)，這樣就能將電腦接入到RS485通信線路。監控板205、檢測板206以及聯動板207都是通過兩根線就能與RS485通信線路203連相連。檢測板206的功能是檢測可燃氣體的濃度同時將檢測到的濃度值通過RS485通信線路203傳到監控板205 ；監控板205完成實時監控的目的，可以顯示檢測板206發過來的濃度信息，顯示時鐘信息，顯示系統運行狀態，處理鍵盤信息，如果發現某個檢測板206發過來的濃度信息超過低限值就通過RS485通信線路203向聯動板 207發送啟動風機指令，風機在聯動板207的控制下啟動，把氣味排到室外，如果發現某個檢測板206發過來的濃度信息超過高限值就通過RS485通信線路203向聯動板207發送切斷閥門指令和啟動風機指令，風機在聯動板207的控制下啟動，閥門在聯動板207的控制下切斷，在排除氣味同時切斷氣體源，防止火災發生及災情進一步惡化。三塊板都有下載線， 通過下載線可以將編好的可執行程序代碼下載到三塊板的單片機里，這樣就可以實現硬件仿真。三塊板都可以通過電腦進行軟件仿真，電腦上要裝I^rotues 7. 5的仿真軟件、ACCAVR 的C語言編程軟件，串口調試助手軟件以及其它相關軟件，這樣每個同學不但在教室里可以仿真這三塊板，還可以在家里仿真這三塊板。軟件仿真成功完成后可以采用軟硬結合仿真來模擬真實的電路板。我們使用這樣的單片機課程仿真教學系統，同時采用項目教學法， 使同學們很快掌握了單片機技能，起到很好的教學效果。檢測板206上有氣體探頭11、信號轉換電路12、單片機13、RS485轉換電路14、 RS485接口電路15、地址電路16、電源模塊17、程序下載接口 18以及指示燈19。RS485轉換電路14將單片機13的串行收發信號轉換成RS485信號并與RS485接口電路15相連，單片機13通過RS485轉換電路14和RS485接口電路15與RS485通信線路203相連。信號轉換電路12是將氣體探頭11的濃度信息轉換成0到5伏信號的濃度值送給單片機13，單片機13的型號是MEGA8，通過RS485轉換電路14和RS485接口電路15將濃度值傳到監控板205，地址電路16采用撥碼開關與單片機13相連實現檢測板206的地址設定，系統中可以連接多個檢測板，但是地址設定不能相同。電源模塊17是將直流48伏信號轉換成直流 5伏信號，直流5伏為檢測板206提供電源，實際系統直流48伏信號來自智能大廈，本仿真系統使用直流48伏穩壓電源為檢測板206供電。檢測板206上的秒定時指示燈19每隔1 秒鐘閃爍一次表示該板工作正常。通過程序下載接口 18可以將編譯好的可執行代碼下載到單片機13。聯動板207上有閥門控制電路21、風機控制電路22、單片機23、RS485轉換電路 M、RS485接口電路25、地址電路沈、電源模塊27、程序下載接口 28以及指示燈四。RS485 轉換電路M將單片機23的串行收發信號轉換成RS485信號并與RS485接口電路25相連， 單片機23通過RS485轉換電路M和RS485接口電路25與RS485通信線路203相連。閥門控制電路21連接于單片機23，是個繼電器控制電路，受單片機23控制，輸出觸點信號。 單片機23接收到切斷閥門指令時，將切斷閥門指令傳到閥門控制電路21，閥門控制電路21 切斷閥門。風機控制電路22連接于單片機23，也是個繼電器控制電路，受單片機23控制， 輸出觸點信號。單片機23接收到所述風機啟動指令時，將風機啟動指令傳到風機控制電路 22，風機控制電路22控制所述風機啟動。單片機23的型號是MEGA48，它通過RS485轉換電路M和RS485接口電路25接收來自監控板205的閥門控制命令和風機控制命令，經過分析來確定如何控制風機和閥門。地址電路沈采用撥碼開關與單片機23相連實現聯動板 207的地址設定。電源模塊27是將直流48伏信號轉換成直流5伏信號，直流5伏為聯動板 207提供電源，實際系統直流48伏信號來自智能大廈，本仿真系統使用直流48伏穩壓電源為聯動板207供電。聯動板207上的指示燈四包括秒定時指示燈、風機指示燈和閥門指示燈。秒定時指示燈每隔1秒鐘閃爍一次表示該板工作正常。聯動板207上的風機指示燈點亮表示風機啟動而指示燈熄滅表示風機停止。聯動板207上的閥門指示燈點亮表示閥門切斷而指示燈熄滅表示閥門接通。通過程序下載接口觀可以將編譯好的可執行代碼下載到單片機23。 監控板205上有數碼管顯示31、狀態指示燈32、單片機33、RS485轉換電路34、 RS485接口電路35、地址電路36、電源模塊37、鍵盤電路38、時鐘電路39、報警電路40以及程序下載接口 41。RS485轉換電路34將單片機33的串行收發信號轉換成RS485信號并與 RS485接口電路35相連，單片機33通過RS485轉換電路34和RS485接口電路35與RS485 通信線路203相連。單片機33的型號是MEGA16，它通過RS485轉換電路；34和RS485接口電路35每隔50毫秒主動向所有檢測板206發送向所述檢測板發送查詢命令數據包(如圖6 所示)，該查詢命令數據包中包括地址字節和查詢命令字節，檢測板206接收到該查詢命令數據包并解析，如果該查詢命令數據包中的該地址字節與檢測板206的設定地址相同就上傳包含有濃度字節的濃度信息包(如圖6所示)，如果該查詢命令數據包中的地址字節與檢測板206的設定地址不相同，則繼續執行其它程序，監控板205將從檢測板206接收的濃度值顯示在數碼管顯示31上，如果濃度值超過低限值或高限值，濃度值超過低限值或超過高限值的故障信息將顯示在數碼管顯示31和所述狀態指示燈32上，并存儲在單片機33的內部存儲器里，啟動報警電路40通知維護人員到現場處理故障，同時單片機33通過RS485轉換電路；34和RS485接口電路35向聯動板207發送聯動命令數據包(如圖7所示)，該聯動命令數據包中包含地址字節、風機動作字節和閥門動作字節，聯動板207接收到聯動命令數據包并解析，如果聯動命令數據包中的地址字節和聯動板207的設定地址相同就上傳聯動反饋信息包(如圖7所示)，并根據風機動作字節的數值控制風機和根據閥門動作字節的數值控制閥門，該聯動反饋信息包中包括返回碼字節，該返回碼字節的值為0表示聯動正常，為1表示聯動異常，如果所述聯動命令數據包中的地址字節和聯動板207的設定地址不相同，則繼續執行其它程序，監控板205接收來自聯動板207的反饋信息包，并將反饋信息顯示在狀態指示燈32和數碼管顯示31上，當反饋信息異常說明聯動板207出現故障就立刻啟動所述報警電路通知維修人員修理聯動板207。單片機33與時鐘電路39相連接收時鐘信號并在數碼管顯示31上顯示當前日期和時間。鍵盤電路38用于信息或命令的設置、 修改和查詢，通過鍵盤可以查詢故障發生的日期和濃度值以及哪個檢測板206檢測到的故障。通過程序下載接口 41可以將編譯好的可執行代碼下載到單片機33。系統中最多只能連接一個監控板205。監控板205還包含電源模塊37，該電源模塊37將直流48伏信號轉換成直流5伏信號，該直流5伏為監控板205提供電源。地址電路36與單片機33相連實現監控板205的地址設定
如圖3到圖5所示，圖3為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的檢測板的仿真原理圖，圖4為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的聯動板的仿真原理圖，圖5為圖2所示的單片機課程仿真教學系統中的監控板的仿真原理圖。仿真原理圖完成的功能與實際功能板的功能完全相同，首先把編好的程序加載到仿真原理圖的單片機里，在仿真界面里有一個執行按鈕，在仿真界面里還有各種仿真測試儀器，把仿真測試儀器連接到仿真原理圖的對應測試位置，然后按下執行按鈕就可以看到顯示數據和波形數據，這樣就能看到仿真效果，如果不合格就修改程序。而實際系統是監控板掛在監控中心的墻上，通過RS485通信網絡發送查詢命令數據包定時巡檢各個廚房的可燃氣體濃度信息，如果發現濃度信息超標就通過通信網絡向聯動板發送聯動命令數據包啟動風機或切斷閥門防止災情發生或惡化。監控板上顯示各個廚房的可燃氣體濃度信息，還要顯示可燃氣體故障信息和聯動狀態。每個廚房里安裝多個檢測板，來檢測可燃氣體濃度信息，每個檢測板通過RS485 接口電路并聯到RS485通信網絡，每個廚房里安裝一個聯動板用來控制風機和閥門的動作，每個聯動板通過RS485接口電路并聯到RS485通信網絡。本系統最大并聯的功能電路板的數量是1 個。為了對上面三塊板實現軟件仿真，我們在計算機上用ftOtues 7. 5的仿真軟件分別畫出三塊板的仿真原理圖如圖3、圖4和圖5所示。我們用ACCAVR的C語言編程軟件進行編程和編譯，沒有語法錯誤以后形成可執行代碼，然后將這個可執行代碼下載到仿真原理圖的單片機里，運行仿真程序就可以在仿真原理圖上看到數碼管和指示燈的顯示信息， 通過這些顯示信息就可以判斷自己編的程序是否合格，如果不合格重新修改程序。在仿真原理圖上實現的功能與真實系統相同。為了能讓學生們由淺入深的掌握單片機的編程技能，我們將三塊板的總程序劃分成許多程序模塊，一個一個模塊的講解和仿真，最終完成整個系統。參考圖3，對于檢測板，我們將它的程序劃分成四個程序模塊。模塊1的功能是檢測濃度值并在數碼管上顯示，電位器RVl的滑動端是0到5伏的可變信號與單片機的22腳相連，通過點擊鼠標就可以調節電位器RVl的滑動端，這個模塊的完成使學生掌握了模擬量和數碼管的編程技巧；模塊2的功能是讓發光二極管每隔1秒鐘閃爍一次，表示單片機工作正常，這個模塊的完成使學生掌握了定時中斷和發光二極管閃爍的編程技巧；模塊3的功能是讀撥碼開關數值并在數碼管上顯示，撥碼開關同時也是為該檢測板設定通信地址， 通過點擊鼠標就可以調節撥碼開關DSWl的數值，這個模塊的完成使學生掌握了開關量輸入和輸出的編程技巧；模塊4的功能是模擬實現RS485通信的功能，圖中Pl是仿真串行通信接口，實際系統是通過串行通信接口接收監控板的查詢命令信息包，該信息包由多個字節組成，如圖6所示，檢測板接收這個信息包，經過解析，如果信息包中的地址不是自己的地址不予理睬，如果是自己的地址就上傳自己的地址和濃度值，而做仿真實驗的時候，通過串口調試助手軟件發送查詢命令信息包，如果地址信息匹配在串口調試助手軟件的界面上就可以收到地址和濃度值，這個模塊的完成使學生掌握了串行通信的編程技巧。參考圖4，對于聯動板，我們將它的程序劃分成三個程序模塊。模塊1的功能是讀撥碼開關數值，撥碼開關同時也是為該檢測板設定通信地址，通過點擊鼠標就可以調節撥碼開關DSWl的數值，這個模塊的完成使學生掌握了開關量輸入的編程技巧；模塊2的功能是讓發光二極管每隔1秒鐘閃爍一次，表示單片機工作正常，這個模塊的完成使學生掌握了定時中斷和發光二極管閃爍的編程技巧；模塊3的功能是模擬實現RS485通信的功能， Pl是仿真串行通信接口，實際系統是通過串行通信接口接收監控板的聯動命令信息包，該信息包由多個字節組成，如圖7所示，聯動板接收這個信息包，經過解析，如果信息包中的地址不是自己的地址不予理睬，如果是自己的地址就上傳確認信息包同時根據控制命令內容分別控制風機和閥門動作，返回碼為0表示聯動板工作正常，返回碼為1表示聯動板工作異常，而做仿真實驗的時候，通過串口調試助手軟件發送聯動命令信息包，如果地址信息匹配在串口調試助手軟件的界面上就可以收到確認信息包同時根據控制命令內容分別控制兩個發光二極管的亮或者滅，兩個發光二極管分別代表風機和閥門，這個模塊的完成使學生掌握了串行通信和遠程控制的編程技巧。參考圖5，對于監控板，我們將它的程序劃分成四個程序模塊。模塊1的功能是從時鐘芯片U2讀取當前日期和時間值并在數碼管Sl的后四位上顯示，時鐘芯片型號是 DS1302，這個模塊的完成使學生掌握了從時鐘芯片U2讀取當前日期和時間值的編程技巧； 模塊2的功能是讓發光二極管D9每隔1秒鐘閃爍一次，表示單片機工作正常，這個模塊的完成使學生掌握了定時中斷和發光二極管閃爍的編程技巧；模塊3的功能是讀鍵盤值，通過點擊鼠標就可以調節鍵盤值的數值，鍵盤電路用于信息或命令的設置、修改和查詢，這個模塊的完成使學生掌握了鍵盤輸入的編程技巧；模塊4的功能是模擬實現RS485通信的功能，是系統中最為全面的功能，圖中Pl是仿真串行通信接口，實際系統是通過串行通信接口向檢測板發送查詢命令信息包，該信息包由多個字節組成，如圖6所示，檢測板接收這個信息包，經過解析，如果信息包中的地址不是自己的地址不予理睬，如果是自己的地址就上傳自己的地址和濃度值并在監控板的數碼管Sl的前四位上顯示，濃度超限故障信息顯示在狀態指示燈Dl或D2上，還能存儲在單片機的內部存儲器里，同時啟動報警電路LSl通知維護人員趕快到現場處理故障，如果發生濃度超限故障同時還要向聯動板發送風機和閥門控制命令及時抑制火災的發生。通過鍵盤可以查詢故障發生的日期和濃度值以及哪個檢測板檢測到的故障，聯動板反饋的信息在數碼管S2的前四位上顯示。而做監控板仿真通信實驗的時候，首先通過鍵盤手動發送查詢命令和聯動命令，在串口調試助手軟件的界面上應當可以看到這些命令，說明手動控制功能正常，自動情況下最好采用軟硬結合的方法，通過連接通信轉換模塊將電腦連到RS485通信線路里，這個模塊的完成使學生掌握了串行通信的編程技巧和綜合分析能力。使用本系統的思路是先是軟件仿真，再軟硬結合仿真，最后再硬件仿真；在進行軟件仿真時，要讓學生們由淺入深的掌握單片機的編程技能，我們將三塊板的總程序劃分成許多程序模塊，一個一個模塊的講解和仿真，最終完成整個系統，學生很快掌握了單片機技能同時又達到了很好的教學效果。本領域技術人員在閱讀了本說明書后不難理解，本發明的單片機課程仿真教學系統來實現RS485通訊的裝置由現有技術結合而構成，這些現有技術雖然并沒有事無巨細地全部一一描述，但在閱讀了本說明書后本領域技術人員會知其所云。本說明書中描述了上述現有技術的結合而構成本發明的各個方案，本領域技術人員可以理解，這些方案的各種結合，以及構成這些方案的各個部分和/或特征的結合都屬于本發明的方案的范疇。本領域技術人員顯然可以理解的是，將上述現有技術結合起來構成本發明，這需要大量創造性勞動付出，是多年理論研究和大量實驗的結晶。
權利要求
1.單片機課程仿真教學系統，其包括至少一塊功能電路板，該功能電路板包括單片機， 并在該單片機的控制下實現該功能電路板的功能，其特征在于，該單片機課程仿真教學系統還包括教師機、學生機、RS485通信線路和通信轉換模塊，該教師機是一臺講課用的電腦， 并執行軟件仿真、軟硬件仿真和純硬件仿真，所述學生機為一臺或者多臺電腦，執行軟件仿真和軟硬結合仿真，所述通信轉換模塊連接于所述教師機和所述學生機，將RS232接口轉換成RS485接口，并通過所述RS485通信線路與所述功能電路板相連。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述教師機在所述軟件仿真成功的基礎上通過所述通信轉換模塊與所述RS485通信線路相連實現與所述功能電路板相同的所述軟硬件仿真，所述教師機向所述功能電路板發出調試信息來檢測和驗證所述功能電路板的功能，所述純硬件仿真為將所述軟硬結合仿真調試成功后的可執行代碼從所述教師機下載到所述單片機里執行。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述功能電路板還包括RS485轉換電路、 RS485接口電路、地址電路、功能模塊和程序下載接口，所述RS485轉換電路將所述單片機的串行收發信號轉換成RS485信號并與所述RS485接口電路相連，所述單片機通過所述 RS485轉換電路和所述RS485接口電路與所述RS485通信線路相連，所述地址電路與所述單片機相連實現所述功能電路板的地址設定，所述功能模塊在所述單片機的控制下實現所述功能電路板的功能，所述程序下載接口為將編譯好的可執行代碼下載到所述單片機的接
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述功能電路板為一塊監控板、至少一塊檢測板和至少一塊聯動板，該檢測板檢測可燃氣體的濃度并將檢測到的濃度值通過所述 RS485通信線路傳到所述監控板，所述監控板執行實時監控，并顯示所述檢測板傳過來的所述濃度值，顯示時鐘信息，顯示系統運行狀態，處理鍵盤信息，并在發現所述檢測板發過來的所述濃度值超過低限值時，所述監控板通過所述RS485通信線路向所述聯動板發送啟動風機指令，風機在所述聯動板的控制下啟動，在發現所述檢測板發過來的所述濃度值超過高限值時，所述監控板通過所述RS485通信線路向所述聯動板發送切斷閥門指令和啟動風機指令，所述風機在所述聯動板的控制下啟動，閥門在所述聯動板的控制下切斷。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述檢測板還包括RS485轉換電路、RS485 接口電路、地址電路和程序下載接口，所述RS485轉換電路將所述單片機的串行收發信號轉換成RS485信號并與所述RS485接口電路相連，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路與所述RS485通信線路相連，所述地址電路與所述單片機相連實現所述檢測板的地址設定，所述程序下載接口為將編譯好的可執行代碼下載到所述單片機的接
6.根據權利要求4或5所述的系統，其特征在于，所述檢測板還包括氣體探頭和信號轉換電路，該信號轉換電路將該氣體探頭的濃度信息轉換成0到5伏信號的所述濃度值傳送給所述單片機，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路將所述濃度值傳到所述監控板。
7.根據權利要求4或5所述的系統，其特征在于，所述檢測板還包括電源模塊和秒定指示燈，該電源模塊將直流48伏信號轉換成直流5伏信號，該直流5伏為所述檢測板提供電源，所述秒定時指示燈每隔1秒鐘閃爍一次表示所述檢測板工作正常。
8.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述聯動板還包括RS485轉換電路、RS485 接口電路、地址電路和程序下載接口，所述RS485轉換電路將所述單片機的串行收發信號轉換成RS485信號并與所述RS485接口電路相連，所述單片機通過所述RS485轉換電路和所述RS485接口電路與所述RS485通信線路相連，所述地址電路與所述單片機相連實現所述聯動板的地址設定，所述程序下載接口為將編譯好的可執行代碼下載到所述單片機的接
9.根據權利要求4或8所述的系統，其特征在于，所述聯動板還包括閥門控制電路和風機控制電路，該閥門控制電路和該風機控制電路連接于所述單片機，所述該單片機接收到所述風機啟動指令時，將所述風機啟動指令傳到所述風機控制電路，所述風機控制電路控制所述風機啟動，所述單片機接收到所述切斷閥門指令時，將所述切斷閥門指令傳到所述閥門控制電路，所述閥門控制電路切斷所述閥門。
10.根據權利要求4或8所述的系統，其特征在于，所述聯動板還包含電源模塊、秒定指示燈、風機指示燈和閥門指示燈，該電源模塊將直流48伏信號轉換成直流5伏信號，該直流5伏為所述聯動板提供電源，所述秒定時指示燈每隔1秒鐘閃爍一次表示所述聯動板工作正常，所述風機指示燈點亮表示所述風機啟動而指示燈熄滅表示所述風機停止，所述的閥門指示燈點亮表示所述閥門切斷而指示燈熄滅表示所述閥門接通。
全文摘要
本發明提供一種單片機課程仿真教學系統，包括至少一塊功能電路板，該功能電路板包括單片機，并在該單片機的控制下實現該功能電路板的功能，該單片機課程仿真教學系統還包括教師機、學生機、RS485通信線路和通信轉換模塊，該教師機是一臺講課用的電腦，并執行軟件仿真、軟硬件仿真和純硬件仿真，所述學生機為一臺或者多臺電腦，執行軟件仿真和軟硬結合仿真，所述通信轉換模塊連接于所述教師機和所述學生機，將RS232接口轉換成RS485接口，并通過所述RS485通信線路與所述功能電路板相連。本發明的單片機課程仿真教學系統解決了現有單片機課程教學比較抽象，沒有好的仿真教學手段的問題，采用與具體項目相結合的方式，便于學生理解掌握。
文檔編號G09B19/00GK102306462SQ20111026306
公開日2012年1月4日 申請日期2011年9月7日 優先權日2011年9月7日
發明者田文杰 申請人:北京聯合大學