機電一體化教學中仿真軟件的應用分析

劉東利

（東營職業學院,東營,257091）

機電一體化教學中仿真軟件的應用分析

劉東利

（東營職業學院,東營,257091）

機電一體化教學中存在很多問題，主要是學生的實踐能力太低，為了解決這一問題，在機電一體化教學中引入了仿真軟件。本文對Proteus仿真軟件進行了簡單介紹，并以其在機電一體化電路設計中的實例應用，闡述了仿真軟件Proteus的電路設計全過程。

機電一體化；Proteus仿真軟件；應用

0 引言

“機電一體化”是工業發展的必然趨勢，它是結合了信息技術、電子技術及機械技術，是一種高新技術，實現了生產過程和產品的最優。機電一體化的飛快發展，促進了工業的飛速發展。企業要想生存，必須發展機電一體化，搶占技術的制高點。因此，在機械制造和機械電子工程中，機電一體化是十分重要的課程。

機電一體化的教學實踐性非常強，所以在教學過程中必須結合仿真軟件，比如，單片機接口技術的設計，只有利用仿真軟件，才能充分掌握單片機接口系統的仿真方法及電路設計。仿真軟件的種類繁多，仿真軟件PROTEUS在機電一體化的設計中存在明顯優勢，因此，本文分析了仿真軟件PROTEUS在機電一體化教學中的應用。

1 機電一體化設計

機電一體化的設計包括機械結構部分、電控系統部分、系統控制軟件部分，比如電控系統設計，其設計步驟是根據機電系統的功能模塊設計出整體的電路圖，根據電路圖，購買元器件；然后在面包板上搭建電路，最后，下載程序編輯器在單片機實驗板上運行、調試。但是學生缺少電路設計的實踐經驗，會出現各種問題，如電路設計存在缺陷、在搭建電路時出現的錯焊、元器件、漏焊的故障問題，造成麻煩，因此，機電一體化的教學中采用仿真軟件會解決這些問題，提高課堂的教學效果。

2 Proteus仿真軟件

仿真軟件Proteus是實物和電路分析仿真軟件，它是EDA工具軟件的一種。Proteus軟件安裝完成后，主要由ARES、ISIS兩個程序組成。ISIS程序繪制電路采用原理布圖的方法，繪制好之后進行相應的仿真。ARES程序用于電路設計、人工布線、PCB自動及它們的仿真，采用Proteus仿真軟件進行的互動的電路仿真。針對微處理器的應用，可以直接以原理圖的虛擬原型為基礎進行編程，調試時可以達到軟件代碼級，可以直接實現按鈕、鍵盤的輸入的實時動態模擬，LED、液晶顯示的輸出，同時配合虛擬工具等進行相應的測量、觀測。

仿真軟件Proteus的主要特點有兩個：一是對動態元件的實時仿真，模擬“人機對話”，提高了系統的真實性；二是虛擬工具箱的功能，它可以和仿真同時進行，測量十分簡單方便又精確。

仿真軟件Proteus元件庫的數量龐大。在元庫件的支持下，原理布圖時只要進行相應的調用和連線，完成繪圖并可進行仿真和虛擬測量。在于Proteus對ARM、PIC、AVR等微處理器進行仿真。在使用仿真軟件Proteus仿真的過程中你可以用鼠標去點擊開關和按鈕，微處理器根據輸入的信號做出相應的中斷響應，同時輸出運算的結果到示終端。

3 仿真軟件Proteus機電一體化電路設計中的應用實例分析

電控系統設計時采用仿真軟件Proteus的元庫件進行，以溫度數據采集系統的電路設計為例，論述使用仿真軟件Proteus進行仿真及設計的詳細過程。

3.1 確立實驗方案

本文對溫度采集系統進行了設計，其系統的整體框圖如圖1所示。由圖1可知，該數據采集系統由4個模塊組成，分別為IED數碼顯示、單片機、模數轉換、溫度傳感器模塊組成。

溫度傳感器模塊采集溫度數據通過集成傳感器AD592進行，模數轉換器由單片機控制，溫度傳感器采集的數據通過模數轉換器進行轉換，溫度數據采集模塊由模數轉換模塊及溫度傳感器模塊構成。數據通過單片機進行處理后，在LED數碼管通過動態掃描的方式顯示溫度數據。

圖1 溫度數據采集系統的整體框圖

3.2 設計溫度數據采集模塊

在該模塊的實際電路中采用AD592集成傳感器，它是一種新型的集成溫度傳感器并采用電流輸出的方式。當采集溫度為0℃時，AD592的電流為273A，溫度升高1℃，電流增加1A。為了說明使用仿真軟件Proteus設計電子系統的詳細過程，因為仿真軟件Proteus中不存在AD592溫度傳感器，所以使用電流源替代AD592傳感器，溫度數據采集模塊的電路圖如圖2所示。在溫度是0℃時，電源電流是273μA，A點的電壓是0V；在溫度是100℃時，電源電流是373μA，A點的電壓是1V。所以，溫度在0-100℃之間，對應的電流源的電流值在273-373μA內，A點的電壓在0-1V范圍內。A點的電壓的跟隨器由運放U4組成，當VB=VA，跟隨器就能夠起到阻抗匹配的功用，后一級的放大電路就能夠更好地進行工作。B點信號的放大器由運放U5及電阻組成，放大B點的信號。A/D轉換器的信號輸入通道IN0和C點相連接。A/D采用ADC0808，它的工作電壓和基準電壓都是5V。為了保證溫度數據采集系統的精確性，B點的信號放大最大達到5V，其變化的范圍是0-5V，所以，ADC0808數據輸出在0-255范圍內。

3.3 設計單片機模塊

由圖2可知，溫度數據采集系統的主控單片機是AT89C51，單片機的P2.3接ADC0808的Start管腳，單片機的P2.4接ADC0808的EOC管腳，單片機的P2.5接ADC0808的OE管腳，由此可控制ADC0808進行工作。單片機的P1.7-P1.0接ADC0808數據的輸出OUT1-OUT8。

3.4 設計LED數碼顯示模塊

溫度數據采集系統的溫度數據顯示采用LED數碼管，通過動態掃描的方式獲取溫度數據信息，LED數碼管的位選輸入端通過反相器連接單片機的P2.0-P2.2，LED數碼管的A、C、B、E、D、G、F及DP段連接單片機的P0.0-P0.7，向數碼管輸入溫度數據。

3.5 仿真軟件Proteus的應用和系統調試

采用Keil C51工具對仿真系統的微控制器程序進行編譯及編寫，編寫LED數碼管顯示子程序、A/D采集子程序、初始化函數等主要程序。

圖2 溫度數據系統的電路圖

使用仿真軟件Proteus仿真的步驟如下：①啟動軟件Proteus，仿真元件放置在原理圖編輯窗口，連接電路，繪制系統原理圖；②單片機AT89C51通過鼠標右鍵進行點擊，再點擊左鍵，彈出元件屬性對話框，對話框有編譯好的仿真文件（．Hex），將其到窗口中的Program File內；③采用鼠標左鍵點擊Play按鈕，開始動態仿真，查看輸出的仿真結果。如果仿真結果和預期的實驗結果不一樣，可以進一步進行分析和調試程序，直到達到預期的實驗結果。

4 結束語

隨著科學技術的發展，計算機仿真技術的應用也越來越廣泛，仿真技術的設計十分方便，可以對其進行更改，大大縮短了設計的時間，降低了設計的成本。本文中分析了仿真軟件在機電一體化教學中的應用，提高了機電一體化的教學效果。采用現代的先進的教學設備和實驗設備及功能強大的仿真軟件，可以讓學生在教學的過程中參與實踐的操作，總結實踐的經驗，在實踐中不斷進步和提高。教師通過采用仿真軟件進行教學，掌握了機電一體化的最新發展的專業趨勢，提高了軟件的使用技能，提高了機電一體化的教學水平！

[1] 武文佳.基于SolidWorks&LabVIEW的虛擬原型機電一體化設計技術研究[D].西安電子科技大學,2012.

[2] 佘新平.PROTEUS仿真軟件在《數字電子技術》課程教學中的應用[J].長江大學學報(自科版),2013,28:124-126.

[3] 汪嘯.淺析職校機電一體化教學現狀與策略[J].考試周刊,2013,A5:129.

Application of mechatronic simulation software for teaching

Liu Dongli
(Dongying Vocational College,Dongying,257091)

Teaching Mechatronics exist many problems,mainly students practical ability is too low,in order to solve this problem,the introduction of teaching mechatronics simulation software.In this paper, Proteus simulation software for a simple introduction,and its circuit design in mechatronics application instance,describes the circuit design simulation software Proteus whole process.

mechatronics;Proteus simulation software;application