单片机课程仿真教学系统的制作方法

专利名称：单片机课程仿真教学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿真教学系统，特别是涉及到一种单片机课程仿真教学系统。
背景技术：
目前社会上非常需要掌握单片机技能的人才，只要掌握单片机技能就不愁找不到工作，这是毋庸置疑的事实，在高校每年都有大型的全国范围的电子竞赛或智能车大赛，这些竞赛的题目几乎都涉及到单片机，很多企业都认可全国电子竞赛或智能车大赛的获奖证书，为此理工科高等院校都开设了单片机课程或微机原理课程，但是同学们普遍反映单片机课程不好掌握，主要原因有几点，第一是单片机课程要和C语言结合才是企业需要的，而 C语言是单片机课程的前期课程，如果C语言不过关，单片机编程这一关就很难通过；第二是单片机课程要和电子技术课程相结合，单片机不是孤立的，要和电子电路连接以后才能发挥作用，而电子技术课程又是前期课程；第三是目前的教学方法主要还是照本宣科，没有和实际项目相结合，同学们感觉还是很抽象；第四是没有好的仿真教学手段。在申请号为 CN200710026430.0的中国专利申请中，提出了一种基于可编程逻辑器件的教学实验装置， 微控制器采用51系列单片机，内嵌仿真调试软件，通过串行通信方式或以太网方式与微控制器连接。在申请号为CN200620169001. X的中国专利申请中，提出了一种USB型单片机仿真实验仪，该USB型单片机仿真实验仪上具有USB接口电路，该USB接口电路将USB总线转换成串行口与单片机相连，实验仪与PC机USB接口相连后，可直接在PC机的KEIL环境下对实验仪上的实验电路和程序进行实时仿真调试。在上述两篇专利申请中，都是使用内嵌仿真调试软件，在仿真调试时必须连接被仿真的实验仪器或实验板，给教学带来了诸多不便。为此我们发明了一种新的单片机课程仿真教学系统，解决了以上问题，同时采用项目教学法，使同学们很快掌握了单片机技能，提高了学生的就业率，同时又能起到很好的教学效^ ο

发明内容
本发明的目的是提供一种单片机课程仿真教学系统，其采用与具体项目相结合的方式，先是在系统上进行软件仿真，再软硬结合仿真，最后再硬件仿真的，并在进行软件仿真时，将功能电路板的总程序划分成许多程序模块，便于学生理解掌握。
本发明的目的可通过如下技术措施来实现
单片机课程仿真教学系统，包括至少一块功能电路板，该功能电路板包括单片机，并在该单片机的控制下实现该功能电路板的功能，该单片机课程仿真教学系统还包括教师机、 学生机、RS485通信线路和通信转换模块，该教师机是一台讲课用的电脑，并执行软件仿真、 软硬件仿真和纯硬件仿真，所述学生机为一台或者多台电脑，执行软件仿真和软硬结合仿真，所述通信转换模块连接于所述教师机和所述学生机，将RS232接口转换成RS485接口， 并通过所述RS485通信线路与所述功能电路板相连。本发明的目的还可通过如下技术措施来实现所述教师机在所述软件仿真成功的基础上通过所述通信转换模块与所述RS485通信线路相连实现与所述功能电路板相同的所述软硬件仿真，所述教师机向所述功能电路板发出调试信息来检测和验证所述功能电路板的功能，所述纯硬件仿真为将所述软硬结合仿真调试成功后的可执行代码从所述教师机下载到所述单片机里执行。优选的是，所述功能电路板还包括RS485转换电路、RS485接口电路、地址电路、功能模块和程序下载接口，所述RS485转换电路将所述单片机的串行收发信号转换成RS485 信号并与所述RS485接口电路相连，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路与所述RS485通信线路相连，所述地址电路与所述单片机相连实现所述功能电路板的地址设定，所述功能模块在所述单片机的控制下实现所述功能电路板的功能，所述程序下载接口为将编译好的可执行代码下载到所述单片机的接口。优选的是，所述功能电路板为监控板、检测板和联动板，该检测板检测可燃气体的浓度并将检测到的浓度值通过所述RS485通信线路传到所述监控板，所述监控板执行实时监控，并显示所述检测板传过来的所述浓度值，显示时钟信息，显示系统运行状态，处理键盘信息，并在发现所述检测板发过来的所述浓度值超过低限值时，所述监控板通过所述 RS485通信线路向所述联动板发送启动风机指令，风机在所述联动板的控制下启动，在发现所述检测板发过来的所述浓度值超过高限值时，所述监控板通过所述RS485通信线路向所述联动板发送切断阀门指令和启动风机指令，所述风机在所述联动板的控制下启动，阀门在所述联动板的控制下切断。优选的是，所述检测板还包括RS485转换电路、RS485接口电路、地址电路和程序下载接口，所述RS485转换电路将所述单片机的串行收发信号转换成RS485信号并与所述 RS485接口电路相连，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路与所述 RS485通信线路相连，所述地址电路与所述单片机相连实现所述检测板的地址设定，所述程序下载接口为将编译好的可执行代码下载到所述单片机的接口。优选的是，所述检测板还包括气体探头和信号转换电路，该信号转换电路将该气体探头的浓度信息转换成O到5伏信号的所述浓度值传送给所述单片机，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路将所述浓度值传到所述监控板。优选的是，所述检测板还包括电源模块和秒定指示灯，该电源模块将直流48伏信号转换成直流5伏信号，该直流5伏为所述检测板提供电源，所述秒定时指示灯每隔1秒钟闪烁一次表示所述检测板工作正常。优选的是，所述联动板还包括RS485转换电路、RS485接口电路、地址电路和程序下载接口，所述RS485转换电路将所述单片机的串行收发信号转换成RS485信号并与所述 RS485接口电路相连，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路与所述 RS485通信线路相连，所述地址电路与所述单片机相连实现所述联动板的地址设定，所述程序下载接口为将编译好的可执行代码下载到所述单片机的接口。 优选的是，所述联动板还包括阀门控制电路和风机控制电路，该阀门控制电路和该风机控制电路连接于所述单片机，所述该单片机接收到所述风机启动指令时，将所述风机启动指令传到所述风机控制电路，所述风机控制电路控制所述风机启动，所述单片机接收到所述切断阀门指令时，将所述切断阀门指令传到所述阀门控制电路，所述阀门控制电路切断所述阀门。
优选的是，所述联动板还包含电源模块、秒定指示灯、风机指示灯和阀门指示灯， 该电源模块将直流48伏信号转换成直流5伏信号，该直流5伏为所述联动板提供电源，所述秒定时指示灯每隔1秒钟闪烁一次表示所述检测板工作正常，所述风机指示灯点亮表示所述风机启动而指示灯熄灭表示所述风机停止，所述的阀门指示灯点亮表示所述阀门切断而指示灯熄灭表示所述阀门接通。优选的是，所述监控板还包括RS485转换电路、RS485接口电路、地址电路和程序下载接口，所述RS485转换电路将所述单片机的串行收发信号转换成RS485信号并与所述 RS485接口电路相连，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路与所述 RS485通信线路相连，所述地址电路与所述单片机相连实现所述监控板的地址设定，所述程序下载接口为将编译好的可执行代码下载到所述单片机的接口。优选的是，所述监控板还包括数码管显示，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路向所述检测板发送查询命令数据包，该查询命令数据包中包括地址字节和查询命令字节，所述检测板接收到该查询命令数据包并解析，如果该查询命令数据包中的该地址字节与所述检测板的设定地址相同就上传包含有浓度字节的浓度信息包，所述监控板将从所述检测板接收的所述浓度值显示在所述数码管显示上。优选的是，所述监控板还包括状态指示灯和报警电路，如果所述浓度值超过所述低限值或所述高限值，所述浓度值超过所述低限值或超过所述高限值时的故障信息将显示在所述数码管显示和所述状态指示灯上，并存储在所述单片机的内部存储器里，启动所述报警电路通知维护人员到现场处理故障。优选的是，如果所述浓度值超过所述低限值或所述高限值，所述单片机通过所述 RS485转换电路和所述RS485接口电路向所述联动板发送联动命令数据包，该联动命令数据包中包含地址字节、风机动作字节和阀门动作字节，所述联动板接收到所述联动命令数据包并解析，如果联动命令数据包中的地址字节和所述联动板的设定地址相同就上传联动反馈信息包，并根据所述风机动作字节的数值控制所述风机和根据所述阀门动作字节的数值控制所述阀门，该联动反馈信息包中包括返回码字节，该返回码字节的值为0表示联动正常，为1表示联动异常，所述监控板接收来自所述联动板的反馈信息包，并将反馈信息显示在所述状态指示灯和所述数码管显示上，当所述反馈信息异常说明联动板出现故障，所述监控板启动所述报警电路通知维修人员修理所述联动板。优选的是，所述监控板还包含键盘电路、时钟电路，所述单片机与所述时钟电路相连接收时钟信号并在所述数码管显示上显示当前日期和时间，所述键盘电路用于信息或命令的设置、修改和查询。优选的是，所述监控板还包含电源模块，该电源模块将直流48伏信号转换成直流 5伏信号，该直流5伏为所述监控板提供电源。技术人员不难看出，上述各优选方案的任意组合所构成的方案都是本发明的一部分。本发明中的单片机课程仿真教学系统先是软件仿真，再软硬结合仿真，最后再硬件仿真；在进行软件仿真时，要让学生们由浅入深的掌握单片机的编程技能，我们将功能电路板的总程序划分成许多程序模块，一个一个模块的讲解和仿真，最终完成整个系统。在申请号为CN200710026430. 0的中国专利申请和申请号为CN200620169001. X的中国专利申请中，使用的是对51系列单片机进行仿真，而51系列单片机是淘汰品种，它的性价比远不如 AVR系列单片机，本发明中的单片机课程仿真教学系统正是对AVR系列单片机进行仿真，上述两个专利的均是用到内嵌仿真调试软件，在仿真调试时必须连接被仿真的实验仪器或实验板，本发明中的单片机课程仿真教学系统可以实现纯软件仿真，不必连接实验仪器或实验板，通过电脑进行软件仿真，电脑上要装ftOtues 7. 5的仿真软件、ACCAVR的C语言编程软件，串口调试助手软件以及其它相关软件，同学们用ftx)tUes 7. 5仿真软件画出被仿真的功能电路板原理图，在这个仿真软件界面里就可以执行仿真功能了，在这个仿真软件里还有仿真示波器、仿真万用表以及信号发生器等仿真仪器，使仿真效果一目了然，每个同学不但在教室里可以仿真功能电路板，还可以在家里仿真功能电路板。此外，本发明中的单片机课程仿真教学系统是基于在智能楼宇中成功运行多年的系统，几乎包含了 AVR系列单片机的所有接口电路，通过教学，同学们不但学习了单片机的知识还能理论结合实际。并且， 本发明中的单片机课程仿真教学系统解决了在串行通信教学方面很难讲解的难题，主要原因是没有真实的和功能全的系统，而本发明中采用了在工业上被广泛采用的RS485通信网络，通过教学，同学们不但学习了单片机的串行通信知识还能理论结合实际。在本发明中还采用了软硬结合仿真，也就是电脑外配一个通信转换模块就可以模拟出一个真实的功能电路板。软件仿真成功完成后可以采用软硬结合仿真来模拟真实的功能电路板。本发明中的单片机课程仿真教学系统既可以在实验室教学又可以在多媒体教室里教学，因为采用了通信网络是RS485通信网络，采用双绞线连接电脑和各个功能电路板，所以布线比较简单，实施起来比较容易，使学生很快掌握了单片机技能同时又达到了很好的教学效果。


图1为本发明的单片机课程仿真教学系统的一优选实施例的结构图； 图2为本发明的单片机课程仿真教学系统的另一优选实施例的结构图； 图3为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的检测板的仿真原理图； 图4为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的联动板的仿真原理图； 图5为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的监控板的仿真原理图
图6为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的查询命令通信格式； 图7为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的联动命令通信格式。
具体实施例方式为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。如图1所示，图1为本发明的单片机课程仿真教学系统的一优选实施例的结构图。 为了使单片机课程具有很好的教学效果，同时又能提高同学们的分析问题和解决问题的能力，我们设计了单片机课程仿真教学系统，该系统框图如图1所示，单片机课程仿真教学系统由教师机101、学生机102、RS485通信线路103、通信转换模块104和功能电路板105组成。教师机101是一台讲课用的电脑，可以是普通台式机也可以是笔记本电脑，教师机101 通过通信转换模块104与RS485通信线路103相连。教师机101有五个功能第一是讲课用；第二是软件仿真，可以软件仿真功能电路板105 ；第三是软硬结合仿真，在软件仿真成功的基础上通过通信转换模块104与RS485通信线路103相连就可以实现与硬件功能相同的仿真，这样一台电脑配上通信转换模块104就能代替上述真实的一块功能电路板105 ；第四是可以向功能电路板105发出调试信息来检测和验证功能电路板105的功能；第五是纯硬件仿真，将软硬结合仿真调试成功后的可执行代码下载到真实板的单片机里就可以看到真实的效果了。学生机102可以完成软件仿真、软硬结合仿真和纯硬件仿真，但学生机不能发出调试信息来检测和验证功能电路板的功能，因为教师不提供这方面的通信协议。学生机102可以为一台或者多台电脑，如果在实验室讲课，每个学生配置一台电脑，如果不在实验室讲课，有条件的学生可以自带笔记本电脑，由于笔记本电脑没有RS232串行通信接口所以还需要配一个USB转串口的模块，也是通过通信转换模块104与RS485通信线路103相连。功能电路板105可以为一块或者多块，在如图1所示的结构图中，仅以一块功能电路板 105为例。通信转换模块104用于将电脑输出的RS232接口(9根线的接口)转换成RS485 接口(是2根线的接口)，这样就能将电脑接入到RS485通信线路。功能电路板105通过两根线连接于RS485通信线路103。功能电路板105由单片机106、RS485转换电路107、RS485 接口电路108、地址电路109、程序下载接口 110和功能模块111组成。RS485转换电路107 用于将单片机106的串行收发信号转换成RS485信号并与所述RS485接口电路108相连，单片机106通过RS485转换电路107和RS485接口电路108与RS485通信线路103相连，地址电路109与单片机106相连实现功能电路板105的地址设定，通过程序下载接口 110可以将编译好的可执行代码下载到单片机106，功能模块111在单片机106的控制下实现该功能电路板105的功能。该功能电路板105的具体实例，将在图2的实施例中进行描述。功能电路板105通过程序下载接口 110可以将编好的可执行程序代码下载到单片机106里，这样就可以实现硬件仿真。功能电路板105都可以通过电脑进行软件仿真，电脑上要装ftOtues 7. 5的仿真软件、ACCAVR的C语言编程软件，串口调试助手软件以及其它相关软件，这样每个同学不但在教室里可以仿真功能电路板105，还可以在家里仿真功能电路板105。软件仿真成功完成后可以采用软硬结合仿真来模拟真实的电路板。 如图2所示，图2为本发明的单片机课程仿真教学系统的另一优选实施例的结构图。该系统是我们为企业设计并运行多年的真实系统，该系统完成智能大厦可燃气体监控的目的，为了教学方便，我们把外壳和不必要的电路去掉只保留主要电路板而不影响系统的功能，把这些主要电路板平摊在讲台上或桌面上，在讲课之前根据课程需要可以把电路板的原理图和实际运行的可执行程序代码发给大家，通过讲解使同学们能够近距离感受到真实的系统。系统由教师机201、学生机202、RS485通信线路203、通信转换模块204、监控板205、检测板206以及联动板207组成，实际系统要连接很多检测板206和联动板207，为了教学方便，我们只连接一块检测板206和一块联动板207。通信转换模块204的功能是将 RS232接口转换成RS485接口，教师机201是一台讲课用的电脑，可以是普通台式机也可以是笔记本电脑，教师机201通过通信转换模块204与RS485通信线路203连相连。教师机 201有五个功能第一是讲课用；第二是软件仿真，可以软件仿真上述三块板；第三是软硬结合仿真，在软件仿真成功的基础上通过通信转换模块204与RS485通信线路203连相连就可以实现与硬件功能相同的仿真，这样一台电脑配上通信转换模块204就能代替上述真实的三块板之一；第四是可以向三块板发出调试信息来检测和验证三块板的功能；第五是纯硬件仿真，将软硬结合仿真调试成功后的可执行代码下载到真实板的单片机里就可以看到真实的效果了。学生机202只能完成软件仿真和软硬结合仿真。通信转换模块204用于将电脑输出的RS232接口( 9根线的接口)转换成RS485接口(是2根线的接口)，这样就能将电脑接入到RS485通信线路。监控板205、检测板206以及联动板207都是通过两根线就能与RS485通信线路203连相连。检测板206的功能是检测可燃气体的浓度同时将检测到的浓度值通过RS485通信线路203传到监控板205 ；监控板205完成实时监控的目的，可以显示检测板206发过来的浓度信息，显示时钟信息，显示系统运行状态，处理键盘信息，如果发现某个检测板206发过来的浓度信息超过低限值就通过RS485通信线路203向联动板 207发送启动风机指令，风机在联动板207的控制下启动，把气味排到室外，如果发现某个检测板206发过来的浓度信息超过高限值就通过RS485通信线路203向联动板207发送切断阀门指令和启动风机指令，风机在联动板207的控制下启动，阀门在联动板207的控制下切断，在排除气味同时切断气体源，防止火灾发生及灾情进一步恶化。三块板都有下载线， 通过下载线可以将编好的可执行程序代码下载到三块板的单片机里，这样就可以实现硬件仿真。三块板都可以通过电脑进行软件仿真，电脑上要装I^rotues 7. 5的仿真软件、ACCAVR 的C语言编程软件，串口调试助手软件以及其它相关软件，这样每个同学不但在教室里可以仿真这三块板，还可以在家里仿真这三块板。软件仿真成功完成后可以采用软硬结合仿真来模拟真实的电路板。我们使用这样的单片机课程仿真教学系统，同时采用项目教学法， 使同学们很快掌握了单片机技能，起到很好的教学效果。检测板206上有气体探头11、信号转换电路12、单片机13、RS485转换电路14、 RS485接口电路15、地址电路16、电源模块17、程序下载接口 18以及指示灯19。RS485转换电路14将单片机13的串行收发信号转换成RS485信号并与RS485接口电路15相连，单片机13通过RS485转换电路14和RS485接口电路15与RS485通信线路203相连。信号转换电路12是将气体探头11的浓度信息转换成0到5伏信号的浓度值送给单片机13，单片机13的型号是MEGA8，通过RS485转换电路14和RS485接口电路15将浓度值传到监控板205，地址电路16采用拨码开关与单片机13相连实现检测板206的地址设定，系统中可以连接多个检测板，但是地址设定不能相同。电源模块17是将直流48伏信号转换成直流 5伏信号，直流5伏为检测板206提供电源，实际系统直流48伏信号来自智能大厦，本仿真系统使用直流48伏稳压电源为检测板206供电。检测板206上的秒定时指示灯19每隔1 秒钟闪烁一次表示该板工作正常。通过程序下载接口 18可以将编译好的可执行代码下载到单片机13。联动板207上有阀门控制电路21、风机控制电路22、单片机23、RS485转换电路 M、RS485接口电路25、地址电路沈、电源模块27、程序下载接口 28以及指示灯四。RS485 转换电路M将单片机23的串行收发信号转换成RS485信号并与RS485接口电路25相连， 单片机23通过RS485转换电路M和RS485接口电路25与RS485通信线路203相连。阀门控制电路21连接于单片机23，是个继电器控制电路，受单片机23控制，输出触点信号。 单片机23接收到切断阀门指令时，将切断阀门指令传到阀门控制电路21，阀门控制电路21 切断阀门。风机控制电路22连接于单片机23，也是个继电器控制电路，受单片机23控制， 输出触点信号。单片机23接收到所述风机启动指令时，将风机启动指令传到风机控制电路 22，风机控制电路22控制所述风机启动。单片机23的型号是MEGA48，它通过RS485转换电路M和RS485接口电路25接收来自监控板205的阀门控制命令和风机控制命令，经过分析来确定如何控制风机和阀门。地址电路沈采用拨码开关与单片机23相连实现联动板 207的地址设定。电源模块27是将直流48伏信号转换成直流5伏信号，直流5伏为联动板 207提供电源，实际系统直流48伏信号来自智能大厦，本仿真系统使用直流48伏稳压电源为联动板207供电。联动板207上的指示灯四包括秒定时指示灯、风机指示灯和阀门指示灯。秒定时指示灯每隔1秒钟闪烁一次表示该板工作正常。联动板207上的风机指示灯点亮表示风机启动而指示灯熄灭表示风机停止。联动板207上的阀门指示灯点亮表示阀门切断而指示灯熄灭表示阀门接通。通过程序下载接口观可以将编译好的可执行代码下载到单片机23。 监控板205上有数码管显示31、状态指示灯32、单片机33、RS485转换电路34、 RS485接口电路35、地址电路36、电源模块37、键盘电路38、时钟电路39、报警电路40以及程序下载接口 41。RS485转换电路34将单片机33的串行收发信号转换成RS485信号并与 RS485接口电路35相连，单片机33通过RS485转换电路34和RS485接口电路35与RS485 通信线路203相连。单片机33的型号是MEGA16，它通过RS485转换电路；34和RS485接口电路35每隔50毫秒主动向所有检测板206发送向所述检测板发送查询命令数据包(如图6 所示)，该查询命令数据包中包括地址字节和查询命令字节，检测板206接收到该查询命令数据包并解析，如果该查询命令数据包中的该地址字节与检测板206的设定地址相同就上传包含有浓度字节的浓度信息包(如图6所示)，如果该查询命令数据包中的地址字节与检测板206的设定地址不相同，则继续执行其它程序，监控板205将从检测板206接收的浓度值显示在数码管显示31上，如果浓度值超过低限值或高限值，浓度值超过低限值或超过高限值的故障信息将显示在数码管显示31和所述状态指示灯32上，并存储在单片机33的内部存储器里，启动报警电路40通知维护人员到现场处理故障，同时单片机33通过RS485转换电路；34和RS485接口电路35向联动板207发送联动命令数据包(如图7所示)，该联动命令数据包中包含地址字节、风机动作字节和阀门动作字节，联动板207接收到联动命令数据包并解析，如果联动命令数据包中的地址字节和联动板207的设定地址相同就上传联动反馈信息包(如图7所示)，并根据风机动作字节的数值控制风机和根据阀门动作字节的数值控制阀门，该联动反馈信息包中包括返回码字节，该返回码字节的值为0表示联动正常，为1表示联动异常，如果所述联动命令数据包中的地址字节和联动板207的设定地址不相同，则继续执行其它程序，监控板205接收来自联动板207的反馈信息包，并将反馈信息显示在状态指示灯32和数码管显示31上，当反馈信息异常说明联动板207出现故障就立刻启动所述报警电路通知维修人员修理联动板207。单片机33与时钟电路39相连接收时钟信号并在数码管显示31上显示当前日期和时间。键盘电路38用于信息或命令的设置、 修改和查询，通过键盘可以查询故障发生的日期和浓度值以及哪个检测板206检测到的故障。通过程序下载接口 41可以将编译好的可执行代码下载到单片机33。系统中最多只能连接一个监控板205。监控板205还包含电源模块37，该电源模块37将直流48伏信号转换成直流5伏信号，该直流5伏为监控板205提供电源。地址电路36与单片机33相连实现监控板205的地址设定
如图3到图5所示，图3为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的检测板的仿真原理图，图4为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的联动板的仿真原理图，图5为图2所示的单片机课程仿真教学系统中的监控板的仿真原理图。仿真原理图完成的功能与实际功能板的功能完全相同，首先把编好的程序加载到仿真原理图的单片机里，在仿真界面里有一个执行按钮，在仿真界面里还有各种仿真测试仪器，把仿真测试仪器连接到仿真原理图的对应测试位置，然后按下执行按钮就可以看到显示数据和波形数据，这样就能看到仿真效果，如果不合格就修改程序。而实际系统是监控板挂在监控中心的墙上，通过RS485通信网络发送查询命令数据包定时巡检各个厨房的可燃气体浓度信息，如果发现浓度信息超标就通过通信网络向联动板发送联动命令数据包启动风机或切断阀门防止灾情发生或恶化。监控板上显示各个厨房的可燃气体浓度信息，还要显示可燃气体故障信息和联动状态。每个厨房里安装多个检测板，来检测可燃气体浓度信息，每个检测板通过RS485 接口电路并联到RS485通信网络，每个厨房里安装一个联动板用来控制风机和阀门的动作，每个联动板通过RS485接口电路并联到RS485通信网络。本系统最大并联的功能电路板的数量是1 个。为了对上面三块板实现软件仿真，我们在计算机上用ftOtues 7. 5的仿真软件分别画出三块板的仿真原理图如图3、图4和图5所示。我们用ACCAVR的C语言编程软件进行编程和编译，没有语法错误以后形成可执行代码，然后将这个可执行代码下载到仿真原理图的单片机里，运行仿真程序就可以在仿真原理图上看到数码管和指示灯的显示信息， 通过这些显示信息就可以判断自己编的程序是否合格，如果不合格重新修改程序。在仿真原理图上实现的功能与真实系统相同。为了能让学生们由浅入深的掌握单片机的编程技能，我们将三块板的总程序划分成许多程序模块，一个一个模块的讲解和仿真，最终完成整个系统。参考图3，对于检测板，我们将它的程序划分成四个程序模块。模块1的功能是检测浓度值并在数码管上显示，电位器RVl的滑动端是0到5伏的可变信号与单片机的22脚相连，通过点击鼠标就可以调节电位器RVl的滑动端，这个模块的完成使学生掌握了模拟量和数码管的编程技巧；模块2的功能是让发光二极管每隔1秒钟闪烁一次，表示单片机工作正常，这个模块的完成使学生掌握了定时中断和发光二极管闪烁的编程技巧；模块3的功能是读拨码开关数值并在数码管上显示，拨码开关同时也是为该检测板设定通信地址， 通过点击鼠标就可以调节拨码开关DSWl的数值，这个模块的完成使学生掌握了开关量输入和输出的编程技巧；模块4的功能是模拟实现RS485通信的功能，图中Pl是仿真串行通信接口，实际系统是通过串行通信接口接收监控板的查询命令信息包，该信息包由多个字节组成，如图6所示，检测板接收这个信息包，经过解析，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传自己的地址和浓度值，而做仿真实验的时候，通过串口调试助手软件发送查询命令信息包，如果地址信息匹配在串口调试助手软件的界面上就可以收到地址和浓度值，这个模块的完成使学生掌握了串行通信的编程技巧。参考图4，对于联动板，我们将它的程序划分成三个程序模块。模块1的功能是读拨码开关数值，拨码开关同时也是为该检测板设定通信地址，通过点击鼠标就可以调节拨码开关DSWl的数值，这个模块的完成使学生掌握了开关量输入的编程技巧；模块2的功能是让发光二极管每隔1秒钟闪烁一次，表示单片机工作正常，这个模块的完成使学生掌握了定时中断和发光二极管闪烁的编程技巧；模块3的功能是模拟实现RS485通信的功能， Pl是仿真串行通信接口，实际系统是通过串行通信接口接收监控板的联动命令信息包，该信息包由多个字节组成，如图7所示，联动板接收这个信息包，经过解析，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传确认信息包同时根据控制命令内容分别控制风机和阀门动作，返回码为0表示联动板工作正常，返回码为1表示联动板工作异常，而做仿真实验的时候，通过串口调试助手软件发送联动命令信息包，如果地址信息匹配在串口调试助手软件的界面上就可以收到确认信息包同时根据控制命令内容分别控制两个发光二极管的亮或者灭，两个发光二极管分别代表风机和阀门，这个模块的完成使学生掌握了串行通信和远程控制的编程技巧。参考图5，对于监控板，我们将它的程序划分成四个程序模块。模块1的功能是从时钟芯片U2读取当前日期和时间值并在数码管Sl的后四位上显示，时钟芯片型号是 DS1302，这个模块的完成使学生掌握了从时钟芯片U2读取当前日期和时间值的编程技巧； 模块2的功能是让发光二极管D9每隔1秒钟闪烁一次，表示单片机工作正常，这个模块的完成使学生掌握了定时中断和发光二极管闪烁的编程技巧；模块3的功能是读键盘值，通过点击鼠标就可以调节键盘值的数值，键盘电路用于信息或命令的设置、修改和查询，这个模块的完成使学生掌握了键盘输入的编程技巧；模块4的功能是模拟实现RS485通信的功能，是系统中最为全面的功能，图中Pl是仿真串行通信接口，实际系统是通过串行通信接口向检测板发送查询命令信息包，该信息包由多个字节组成，如图6所示，检测板接收这个信息包，经过解析，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传自己的地址和浓度值并在监控板的数码管Sl的前四位上显示，浓度超限故障信息显示在状态指示灯Dl或D2上，还能存储在单片机的内部存储器里，同时启动报警电路LSl通知维护人员赶快到现场处理故障，如果发生浓度超限故障同时还要向联动板发送风机和阀门控制命令及时抑制火灾的发生。通过键盘可以查询故障发生的日期和浓度值以及哪个检测板检测到的故障，联动板反馈的信息在数码管S2的前四位上显示。而做监控板仿真通信实验的时候，首先通过键盘手动发送查询命令和联动命令，在串口调试助手软件的界面上应当可以看到这些命令，说明手动控制功能正常，自动情况下最好采用软硬结合的方法，通过连接通信转换模块将电脑连到RS485通信线路里，这个模块的完成使学生掌握了串行通信的编程技巧和综合分析能力。使用本系统的思路是先是软件仿真，再软硬结合仿真，最后再硬件仿真；在进行软件仿真时，要让学生们由浅入深的掌握单片机的编程技能，我们将三块板的总程序划分成许多程序模块，一个一个模块的讲解和仿真，最终完成整个系统，学生很快掌握了单片机技能同时又达到了很好的教学效果。本领域技术人员在阅读了本说明书后不难理解，本发明的单片机课程仿真教学系统来实现RS485通讯的装置由现有技术结合而构成，这些现有技术虽然并没有事无巨细地全部一一描述，但在阅读了本说明书后本领域技术人员会知其所云。本说明书中描述了上述现有技术的结合而构成本发明的各个方案，本领域技术人员可以理解，这些方案的各种结合，以及构成这些方案的各个部分和/或特征的结合都属于本发明的方案的范畴。本领域技术人员显然可以理解的是，将上述现有技术结合起来构成本发明，这需要大量创造性劳动付出，是多年理论研究和大量实验的结晶。
权利要求
1.单片机课程仿真教学系统，其包括至少一块功能电路板，该功能电路板包括单片机， 并在该单片机的控制下实现该功能电路板的功能，其特征在于，该单片机课程仿真教学系统还包括教师机、学生机、RS485通信线路和通信转换模块，该教师机是一台讲课用的电脑， 并执行软件仿真、软硬件仿真和纯硬件仿真，所述学生机为一台或者多台电脑，执行软件仿真和软硬结合仿真，所述通信转换模块连接于所述教师机和所述学生机，将RS232接口转换成RS485接口，并通过所述RS485通信线路与所述功能电路板相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述教师机在所述软件仿真成功的基础上通过所述通信转换模块与所述RS485通信线路相连实现与所述功能电路板相同的所述软硬件仿真，所述教师机向所述功能电路板发出调试信息来检测和验证所述功能电路板的功能，所述纯硬件仿真为将所述软硬结合仿真调试成功后的可执行代码从所述教师机下载到所述单片机里执行。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功能电路板还包括RS485转换电路、 RS485接口电路、地址电路、功能模块和程序下载接口，所述RS485转换电路将所述单片机的串行收发信号转换成RS485信号并与所述RS485接口电路相连，所述单片机通过所述 RS485转换电路和所述RS485接口电路与所述RS485通信线路相连，所述地址电路与所述单片机相连实现所述功能电路板的地址设定，所述功能模块在所述单片机的控制下实现所述功能电路板的功能，所述程序下载接口为将编译好的可执行代码下载到所述单片机的接
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功能电路板为一块监控板、至少一块检测板和至少一块联动板，该检测板检测可燃气体的浓度并将检测到的浓度值通过所述 RS485通信线路传到所述监控板，所述监控板执行实时监控，并显示所述检测板传过来的所述浓度值，显示时钟信息，显示系统运行状态，处理键盘信息，并在发现所述检测板发过来的所述浓度值超过低限值时，所述监控板通过所述RS485通信线路向所述联动板发送启动风机指令，风机在所述联动板的控制下启动，在发现所述检测板发过来的所述浓度值超过高限值时，所述监控板通过所述RS485通信线路向所述联动板发送切断阀门指令和启动风机指令，所述风机在所述联动板的控制下启动，阀门在所述联动板的控制下切断。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述检测板还包括RS485转换电路、RS485 接口电路、地址电路和程序下载接口，所述RS485转换电路将所述单片机的串行收发信号转换成RS485信号并与所述RS485接口电路相连，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路与所述RS485通信线路相连，所述地址电路与所述单片机相连实现所述检测板的地址设定，所述程序下载接口为将编译好的可执行代码下载到所述单片机的接
6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述检测板还包括气体探头和信号转换电路，该信号转换电路将该气体探头的浓度信息转换成0到5伏信号的所述浓度值传送给所述单片机，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路将所述浓度值传到所述监控板。
7.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述检测板还包括电源模块和秒定指示灯，该电源模块将直流48伏信号转换成直流5伏信号，该直流5伏为所述检测板提供电源，所述秒定时指示灯每隔1秒钟闪烁一次表示所述检测板工作正常。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述联动板还包括RS485转换电路、RS485 接口电路、地址电路和程序下载接口，所述RS485转换电路将所述单片机的串行收发信号转换成RS485信号并与所述RS485接口电路相连，所述单片机通过所述RS485转换电路和所述RS485接口电路与所述RS485通信线路相连，所述地址电路与所述单片机相连实现所述联动板的地址设定，所述程序下载接口为将编译好的可执行代码下载到所述单片机的接
9.根据权利要求4或8所述的系统，其特征在于，所述联动板还包括阀门控制电路和风机控制电路，该阀门控制电路和该风机控制电路连接于所述单片机，所述该单片机接收到所述风机启动指令时，将所述风机启动指令传到所述风机控制电路，所述风机控制电路控制所述风机启动，所述单片机接收到所述切断阀门指令时，将所述切断阀门指令传到所述阀门控制电路，所述阀门控制电路切断所述阀门。
10.根据权利要求4或8所述的系统，其特征在于，所述联动板还包含电源模块、秒定指示灯、风机指示灯和阀门指示灯，该电源模块将直流48伏信号转换成直流5伏信号，该直流5伏为所述联动板提供电源，所述秒定时指示灯每隔1秒钟闪烁一次表示所述联动板工作正常，所述风机指示灯点亮表示所述风机启动而指示灯熄灭表示所述风机停止，所述的阀门指示灯点亮表示所述阀门切断而指示灯熄灭表示所述阀门接通。
全文摘要
本发明提供一种单片机课程仿真教学系统，包括至少一块功能电路板，该功能电路板包括单片机，并在该单片机的控制下实现该功能电路板的功能，该单片机课程仿真教学系统还包括教师机、学生机、RS485通信线路和通信转换模块，该教师机是一台讲课用的电脑，并执行软件仿真、软硬件仿真和纯硬件仿真，所述学生机为一台或者多台电脑，执行软件仿真和软硬结合仿真，所述通信转换模块连接于所述教师机和所述学生机，将RS232接口转换成RS485接口，并通过所述RS485通信线路与所述功能电路板相连。本发明的单片机课程仿真教学系统解决了现有单片机课程教学比较抽象，没有好的仿真教学手段的问题，采用与具体项目相结合的方式，便于学生理解掌握。
文档编号G09B19/00GK102306462SQ20111026306
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者田文杰 申请人:北京联合大学