Proteus虛擬仿真在單片機實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：為了解決單片機實驗教學(xué)中實驗類型單一、實驗設(shè)備更新快和成本高等問題，在單片機實驗教學(xué)中引入Proteus軟件仿真，獲得了很好的教學(xué)效果，同時將該仿真軟件用在學(xué)生的電子設(shè)計競賽和課程設(shè)計中，提高了學(xué)生的動手能力。以數(shù)字電壓表實驗為例，介紹了如何利用Proteus軟件進(jìn)行單片機實驗教學(xué)的方法。實踐證明：該方法可提高單片機實驗教學(xué)的效果，加深學(xué)生對單片機原理及應(yīng)用的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，鍛煉學(xué)生進(jìn)行軟硬件開發(fā)的能力。
關(guān)鍵詞：Proteus虛擬仿真；軟件仿真；實驗教學(xué)；軟硬件開發(fā)

0 引言
    歷年的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，大部分試題都涉及到單片機控制的問題，可見單片機課程實驗教學(xué)的重要性。但由于單片機系統(tǒng)的設(shè)計涉及到硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，單片機系統(tǒng)的設(shè)計過程需經(jīng)過電路圖繪制、電路板制作、元器件焊接、硬件電路測試、系統(tǒng)軟件調(diào)試等環(huán)節(jié)，而且根據(jù)設(shè)計的要求還需配備信號源、示波器、交流毫伏表、頻率特性測試儀等測試儀器。因此，要完成一項單片機系統(tǒng)的設(shè)計，需經(jīng)過較長的時間，實驗教學(xué)中能提供給學(xué)生親自動手進(jìn)行單片機系統(tǒng)設(shè)計的機會很少，學(xué)生只能停留在課堂理論教學(xué)與實驗室的驗證實驗層面上。Proteus虛擬仿真可以解決如何讓學(xué)生熟練掌握單片機系統(tǒng)的設(shè)計這一問題，并為單片機課程的實驗教學(xué)提供有力的支持。

1 傳統(tǒng)的單片機實驗教學(xué)中存在的問題
    傳統(tǒng)的單片機課程教學(xué)包括理論教學(xué)和實驗教學(xué)，而實驗教學(xué)所占課時量較多。在實驗中，需要大量的實驗設(shè)備，而一般的學(xué)校或個人沒有較多的經(jīng)費，因此，單片機的課堂教學(xué)及實驗教學(xué)中存在諸多問題，如單片機教學(xué)一般以理論教學(xué)為主，實驗箱上的電路已經(jīng)固定了，只能起驗證實驗的作用，實驗教學(xué)一般是做驗證性實驗；學(xué)生除了上實驗課外，平時很難有做實驗的機會。由于單片機實驗室的場地和開放時間有限，個人配備單片機實驗開發(fā)系統(tǒng)本比較高，很多學(xué)生難以承受；單片機技術(shù)在不斷更新，設(shè)備也在不斷老化，設(shè)備維護(hù)工作量大。如果不斷的重建單片機實驗室，必將帶來資金耗費等問題。

2 Proteus軟件的功能和特點
    Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的電路仿真軟件，由ISIS和ARES個軟件構(gòu)成。前者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進(jìn)行相應(yīng)的仿真，后者主要用于PCB人工或自動布線及其電路仿真。Proteus提供數(shù)千種元器件和各種虛擬儀器儀表。只需在電腦上裝上Proteus軟件，就相當(dāng)于有了一個設(shè)備齊全的實驗室，可以在計算機上進(jìn)行電路設(shè)計、仿真、調(diào)試。
2．1 Proteus對實驗教學(xué)的作用
    在單片機實驗教學(xué)中引入Proteus仿真，可以使實驗內(nèi)容更全面。單片機實驗包括硬件電路仿真、單片機程序編寫、實際硬件電路的搭建，對于一個實驗，學(xué)生可以使用不同的方法搭建電路，在仿真軟件上修改比較容易，可以節(jié)省大量時間，這對于擴(kuò)展學(xué)生的思路和提高學(xué)習(xí)興趣有幫助，同時也可以提高學(xué)生的設(shè)計和創(chuàng)新能力。實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，是工科學(xué)生解決實際工程問題能力的重要方面，因此，ProtecLs仿真可以提供給學(xué)生一個自行設(shè)計和創(chuàng)新性設(shè)計平臺。同時引入Proteus仿真還可以降低了實驗室建設(shè)和運行成本。
    利用Proteus仿真也可以培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)作能力。在Proteus中進(jìn)行仿真實驗時，如果所涉及到的內(nèi)容比較多，幾個同學(xué)可以分工合作，各自完成其中的某一部分，因此對于鍛煉學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力是有好處的。這樣可以讓學(xué)生明白一個比較大的工程設(shè)計是由一個開發(fā)小組協(xié)作完成的。
2．2 Proteus仿真對電子設(shè)計競賽和畢業(yè)設(shè)計的作用
    在電子設(shè)計競賽中，利用Proteus軟件進(jìn)行輔助設(shè)計，可以節(jié)約很多時間，減小硬件成本的投入。動態(tài)元器件仿真模型是Proteus的特色動態(tài)模型，具有動畫效果，如LED發(fā)光管、按鍵開關(guān)等。它不但使人機交互式仿真得以實現(xiàn)，而且使仿真形象、生動，創(chuàng)造出極為接近現(xiàn)實的環(huán)境。
    在學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計中，采用Proteus仿真軟件后，學(xué)生只需要一臺電腦就可以開展設(shè)計工作。學(xué)生前期的設(shè)計工作可以利用Proteus仿真軟件在電腦上完成，仿真完成后再進(jìn)入實驗室進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，既可緩解設(shè)備不足的問題，也不影響正常的實驗教學(xué)。

3 仿真實例
    要掌握單片機接口電路設(shè)計，必須通過硬件電路搭建、軟件編程、仿真調(diào)試，才可真正領(lǐng)會其含義。單片機實驗既有硬件電路設(shè)計，又有軟件編程，先設(shè)計好硬件電路，然后編寫程序控制硬件。下面以數(shù)字電壓表為例，闡述采用Proteus軟件進(jìn)行設(shè)計及仿真的過程。利用單片機AT89C52與ADC0808設(shè)計一個數(shù)字電壓表，檢測0～5 V的模擬電壓信號，并在數(shù)碼管上實時顯示電壓值。
3．1 實驗方案的確立
    數(shù)字電壓表系統(tǒng)框圖如圖1所示，硬件電路由單片機模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、LED顯示模塊等組成。被測電壓信號用滑動變阻器模代替，電壓信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機，單片機對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后控制LED顯示當(dāng)前電壓值。

3．2 電壓數(shù)據(jù)采集和LED數(shù)碼顯示模塊的設(shè)計
    如圖2所示，本實驗單片機選用AT89C52，在Proteus軟件原理圖編輯窗口畫出電路圖，如圖2所示。單片機的P2．3，P2．4，P2．5引腳分別接ADC0808的Start，EOC，OE引腳。單片機的P0．7～P0．0分別接ADC0808數(shù)據(jù)的輸出OUT1～OUT8。系統(tǒng)采用動態(tài)掃描的方式顯示數(shù)據(jù)，單片機的P2．0～P2．3分別接LED數(shù)碼管的位選輸人端，P1．0～P1．7分別接LED數(shù)碼管的A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，DP段，向數(shù)碼管輸入數(shù)據(jù)。表一中列出了本實驗中幾個典型的電阻值、A／D值、實測值。

3．3 Proteus軟件應(yīng)用與系統(tǒng)調(diào)試
    根據(jù)用Proteus軟件畫的電路圖，用Keil C51編寫相應(yīng)程序，軟件流程圖如圖3所示。

    編譯無誤后生成．hex文件。將生成的．hex文件”下載”到單片機中，然后點擊仿真按鈕，如果沒有錯誤，即可看到電路仿真結(jié)果，調(diào)節(jié)滑動變阻器的大小，對應(yīng)電壓值隨之呈線性變化。此外，Proteus還可以和KeilC51進(jìn)行聯(lián)調(diào)。
    由上述例子可以看出，Proteus可以很方便地與Keil C51集成開發(fā)環(huán)境連接，程序編譯好之后，立即可以進(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真。利用Proteus仿真只需很少的設(shè)備，就可以完成單片機系統(tǒng)的設(shè)計。對于學(xué)生來說，由于使用方便，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4 結(jié)語
    通過以上基于Proteus軟件的數(shù)字電壓表仿真實驗教學(xué)，可以使學(xué)生很直觀地理解軟硬件結(jié)合的思想，有利于增強學(xué)生的感性認(rèn)識，在實驗教學(xué)過程中學(xué)生普遍反映在單片機實驗中引入Proteus仿真，對單片機的學(xué)習(xí)比單純學(xué)習(xí)書本知識更容易接受。實踐證明，在使用Proteus進(jìn)行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進(jìn)行事物的制作，能培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的實際應(yīng)用能力。