李 潔，杜玉杰，丁 雷

(濱州學(xué)院 光電工程系，山東 濱州 256603)

基于Proteus的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

李 潔，杜玉杰，丁 雷

(濱州學(xué)院 光電工程系，山東 濱州 256603)

文中介紹了Proteus仿真軟件的基本功能和主要特點(diǎn)，闡述了使用該軟件在單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計、學(xué)科競賽等方面進(jìn)行的有益探索與實(shí)踐，并舉例說明該軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，Proteus仿真軟件在單片機(jī)課程中的應(yīng)用有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。

Proteus軟件；單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；仿真

單片機(jī)具有控制功能強(qiáng)、體積小、功耗低、性能價格比高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在家用電器、智能儀器儀表、自動化及工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。單片機(jī)的特點(diǎn)決定了單片機(jī)技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，該課程是很多高校電子信息、自動化、計算機(jī)等專業(yè)的專業(yè)必修課，單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是單片機(jī)課程的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)踐教學(xué)過程中，應(yīng)做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，軟件與硬件相結(jié)合，但傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計需要在實(shí)驗(yàn)室中利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，它往往受到硬件資源、時間和空間等條件的限制[1]。

針對這種情況，濱州學(xué)院與很多高校一樣采用Proteus仿真軟件來彌補(bǔ)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足。利用Proteus仿真軟件既可以調(diào)試單片機(jī)程序, 也可仿真單片機(jī)外圍器件的工作情況；既能充分利用學(xué)校計算機(jī)房現(xiàn)有計算機(jī), 減少硬件設(shè)備的維護(hù)工作量，還可為學(xué)生提供豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，提高教學(xué)效果，進(jìn)一步縮短教學(xué)與工程實(shí)際的距離[2]。

1 Proteus仿真軟件

1.1 Proteus仿真軟件介紹

Proteu仿真軟件是由英國Labcenter Electronics公司開發(fā)的，已有近20年的歷史，在全球擁有龐大的企業(yè)用戶群，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺。它的可視化界面可稱為世界一流，能夠支持類型廣泛的主流單片機(jī)內(nèi)核的仿真，例如：51、 ARM. PIC、 AVR、 Motorola等，并且可以支持當(dāng)前一些流行單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，例如：KEIL、 GCC、ICC進(jìn)行關(guān)聯(lián)調(diào)試與實(shí)時仿真[3]。

1.2 Proteus仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)中的特點(diǎn)

Proteus仿真軟件資源豐富，功能強(qiáng)大，主要有三個特點(diǎn)。

(1)Proteus仿真軟件下的器件及其仿真模型有幾千種，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)箱上的器件，為各類實(shí)驗(yàn)項目提供了可以反復(fù)使用且無損耗的器材保證，有效地降低了實(shí)驗(yàn)成本。隨著Proteus版本的更新，新的技術(shù)及器件模型不斷出現(xiàn)，從而可開拓出新的實(shí)驗(yàn)項目，滿足課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展要求[4]。

(2)Proteus軟件包中包含了大量不同類型的高質(zhì)量測試用儀器儀表，如交直流電壓表、邏輯分析儀和信號發(fā)生器等。這些儀器儀表具有理想的參數(shù)指標(biāo)，例如，極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗。同類儀表還可以隨意調(diào)用，不存在使用數(shù)量的問題。除了現(xiàn)實(shí)存在的儀表外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多[5]。

(3)Proteus軟件支持單片機(jī)及其外圍設(shè)備仿真，學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時可以方便地搭建各種電路，并利用Proteus軟件自帶的各類高質(zhì)量測試用儀器進(jìn)行電路分析，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時元器件需反復(fù)安裝調(diào)試甚至需重新搭建電路的過程，既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時間，又可以減少因方案不正確所造成的硬件投入的浪費(fèi)。

2 Proteus仿真軟件在單片機(jī)中的應(yīng)用

為改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)資源不足，實(shí)驗(yàn)成本高、學(xué)生理論與實(shí)踐脫節(jié)等問題，我系在單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計、學(xué)科競賽等方面運(yùn)用Proteus軟件進(jìn)行仿真，取得了較好的效果。

2.1 單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

現(xiàn)在多數(shù)高校在開設(shè)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)時采用的是實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做的只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連接導(dǎo)線，輸入給定程序，運(yùn)行程序，在實(shí)驗(yàn)箱上觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。很少有學(xué)生會去考慮具體電路的連接方式和嘗試通過改變輔助電路來觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化，這種實(shí)驗(yàn)方法不能很好地將硬件電路和軟件編程有機(jī)結(jié)合起來，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。近兩年我系在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入Proteus 仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在進(jìn)行電路設(shè)計時，先采用 Proteus 軟件進(jìn)行仿真設(shè)計，設(shè)計方案可行性后，再用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，極大地提高了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和效率。

2.2 單片機(jī)課程設(shè)計和畢業(yè)論文設(shè)計

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，單片機(jī)課程設(shè)計和學(xué)生畢業(yè)論文設(shè)計一般都會出一些綜合性、設(shè)計性比較強(qiáng)的題目。由于實(shí)驗(yàn)箱上的實(shí)驗(yàn)?zāi)K都已固定且輔助電路太少，根本無法滿足單片機(jī)課程設(shè)計和畢業(yè)論文設(shè)計的要求。為了彌補(bǔ)這些不足，我系在單片機(jī)課程設(shè)計和畢業(yè)論文設(shè)計中增加了Proteus 仿真內(nèi)容。學(xué)生可以在課后利用電腦進(jìn)行電路設(shè)計、程序編寫和仿真，然后到實(shí)驗(yàn)室完成硬件電路的焊接、調(diào)試工作。這樣既可以減少反復(fù)進(jìn)行硬件連線造成的時間浪費(fèi)和元器件損壞，也可以擴(kuò)展學(xué)生的思路和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時有效地促進(jìn)學(xué)生課外學(xué)習(xí)活動的開展。

2.3 大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)活動

近三年我系也將Keil、Proteus等仿真軟件引入到電子競賽培訓(xùn)中，為大學(xué)生電子設(shè)計競賽等科技活動提供一個良好的培訓(xùn)學(xué)習(xí)平臺。學(xué)生在進(jìn)行復(fù)雜電路設(shè)計時，可以先采用 Proteus軟件進(jìn)行設(shè)計，驗(yàn)證設(shè)計方案的可行性，再搭建實(shí)物電路進(jìn)行調(diào)試，取得了較好的效果。本校近幾年參加電子設(shè)計競賽獲獎層次和數(shù)量居省內(nèi)高校前列，例如：2010年“高教社&XILINX杯”山東省大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲得山東省一等獎7項，二等獎3項，三等獎3項；2011年“瑞薩”杯全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中獲得全國二等獎3項，省級一等獎5項，二等獎5項；2012年(TI杯)山東省大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲得山東省一等獎3項，二等獎8項。

3 Proteus軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

本文通過單片機(jī)實(shí)驗(yàn)中比較經(jīng)典的流水燈實(shí)驗(yàn)來說明Proteus在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

流水燈實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示，主要由八個發(fā)光二極管和單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成。從流水燈原理圖中可以看出，八個發(fā)光二極管通過電阻接電源，如果要讓接在P1.0口的LED燈亮，要求P1.0口的電平為低電平，所以程序中給P1口賦初值為FEH；用匯編語言的左移或右移指令實(shí)現(xiàn)燈的循環(huán)點(diǎn)亮，考慮到人眼的視覺暫留效應(yīng)以及單片機(jī)執(zhí)行每條指令的時間，需在程序中加延時子程序，本實(shí)驗(yàn)所用的延時時間為1 s，具體程序如下：

START：MOV R0, #08H MOV A, #0FEH

NEXT： MOV P1, A LCALL DELAY RL A DJNZ R0, NEXT SJMP START

DELAY：MOV R1, #64H

DL3： MOV R2, #0AH

DL2： MOV R3, #7DH

DL1：NOP NOP DJNZ R3, DL1 DJNZ R2, DL2 DJNZ R1, DL3 RET END

圖1 流水燈仿真電路圖

打開Proteus ISIS編輯環(huán)境，按圖1繪制仿真電路原理圖，將編譯好的“.hex”文件裝入，然后點(diǎn)擊模擬調(diào)試按鈕的運(yùn)行按鈕，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，即可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，同時可以實(shí)時觀察仿真的結(jié)果[5]。

4 結(jié)束語

將Proteus仿真軟件應(yīng)用與單片機(jī)教學(xué)中，可以有效緩解傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教學(xué)資源不足，實(shí)驗(yàn)成本高、學(xué)生理論與實(shí)踐脫節(jié)等問題，為學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計和畢業(yè)論文等提供了一個很好的平臺，深受指導(dǎo)老師和學(xué)生的好評。實(shí)踐證明，Proteus仿真軟件在單片機(jī)課程中的應(yīng)用有利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性，學(xué)生的創(chuàng)新和動手能力得到較大提高。同時，必須強(qiáng)調(diào)Proteus仿真實(shí)驗(yàn)只是對現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的一種模擬，并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，只能作為輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工具使用。但若把Proteus 仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，取長補(bǔ)短，將會達(dá)到事半功倍的效果。

[1]劉珊. 關(guān)于單片機(jī)教學(xué)改革的探討[J].九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007(1)：50-51.

[2]陳霞. Proteus 在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的研究[J]. 教育研究，2007(12)：45-46.

[3]安新艷.Proteus仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008(11)： 287-289.

[4]夏新恩.基于PROTEUS仿真設(shè)計的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J]. 韶關(guān)學(xué)院學(xué)報，2009(6)：146-154.

[5]朱震華.Proteus在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育裝備，2008(6)：72-73.

Reform and Practice on the Experiment Teachingof Proteus-based Single Chip Microcomputer

LI Jie, DU Yujie, DING Lei

(Department of Optoelectronic Engineering, Binzhou University, Binzhou 256603, China)

The basic functions and the main features of simulation software Proteus were introduced in this paper firstly, and then some useful exploration and practice based on this software, including Single Chip Microcomputer (SCM) experiment teaching, curriculum design and subject competition, were described in detail. Furthermore, some specific applications in SCM experiment teaching were illustrated as much detail as possible. It is proved by practice that the applications, which are SCM experiment teaching with simulation software Proteus, are conducive to stimulate the students’ motivation and initiative, and benefit to improve students’ creative ability and practicable ability.

proteus software; single chip microcomputer; experiment teaching; simulation

2014-02-26

山東省高等學(xué)校教學(xué)改革基金資助項目(2012488)，濱州學(xué)院實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究基金資助項目(BZXYSYXM201013)，濱州學(xué)院校級重點(diǎn)課程群建設(shè)基金資助項目(BYZDKCQ201308)。

李 潔(1982-)，女，實(shí)驗(yàn)師，主要從事信號與信息處理研究。

G642.423；TP368.1；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.031