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、實物仿真系統(tǒng)，是一款電子設(shè)計的教學(xué)平臺、實驗平臺和創(chuàng)新平臺，涵蓋了電工電子實驗室、電子技術(shù)實驗、單片機應(yīng)用實驗室等的主要功能，其組合了高級原理布圖、混合模式Spice仿真、PCB設(shè)計以及自動布線來實現(xiàn)一個完整的電子設(shè)計系統(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，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)計目標(biāo)實時交互；它具備強大的調(diào)試工具，包括寄存器和存儲器數(shù)據(jù)查詢、斷點和單步模式，并可以利用IAR C—SPY，KeilμVision和Matlab等軟件進行源代碼級聯(lián)合調(diào)試，以求達到最好的仿真效果。本文利用嵌入式系統(tǒng)仿真軟件Proteus實現(xiàn)了基于AT89C51單片機的自動撥號報警器仿真設(shè)計，具有開發(fā)周期短，成本低等特點，對于單片機應(yīng)用系統(tǒng)、電子電路的開發(fā)和教學(xué)等都有較大的實用價值，且設(shè)計的電路及驅(qū)動程序?qū)ο鄳?yīng)的實際應(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
基于AT89C51單片機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)計原理：
(1)單片機最小系統(tǒng)模塊。主要包括51系列單片機一塊(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I／0口P2，用以判斷產(chǎn)生中斷的報警類型。在實際應(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)計中直接用開關(guān)來模擬。
(3)LCD顯示模塊。使用16×2的點陣字符型液晶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)計采用并連方式控制，LCD與單片機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。在摘機狀態(tài)時，電話機處于低阻態(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
2．1 主程序設(shè)計
系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖如圖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“#”重新進入號碼輸入狀態(tài)，當(dāng)警報開關(guān)打開時會自動跳進監(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
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、寫單字數(shù)據(jù)均是按照LCD原理命令字進行操作。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
在撥號程序設(shè)計中關(guān)鍵要控制好定時器以實現(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)計是通過設(shè)定特定頻率的正負脈沖序列，驅(qū)動擴音器播放出相應(yīng)音調(diào)的聲音，例如若設(shè)置單片機定時器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)試與運行
在Proteus和Keil中進行相關(guān)的設(shè)置，可以讓兩者進行聯(lián)調(diào)，聯(lián)調(diào)可以在同一臺計算機上進行，也可以在不同的計算機之間進行。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行實時仿真，對于系統(tǒng)的調(diào)試具有很大意義。實時仿真能降低調(diào)試的難度，更有利于設(shè)計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行結(jié)果的系統(tǒng)來說，聯(lián)調(diào)可以大大提高設(shè)計制作的效率。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“*”則進入等待狀態(tài)，若報警開關(guān)未打開，則進入空閑狀態(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入，則進入中斷程序，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驗的具體設(shè)計過程，采用模塊程序設(shè)計，利用仿真軟件Proteus及Keil C51聯(lián)合調(diào)試程序。程序設(shè)計過程對每個模塊先進行獨立編程，調(diào)試通過之后再一起合并進行系統(tǒng)程序總調(diào)試。通過上述方式，學(xué)生完全可以通過Proteus軟件實現(xiàn)單片機實驗的仿真，并在較短的時間內(nèi)完成單片機系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，形象生動地理解并掌握單片機技術(shù)。不僅彌補了硬件資源投入不足的弊端，還明顯克服了實驗箱教學(xué)中固定硬件資源導(dǎo)致實驗內(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。