Proteus虚拟仿真在单片机实验教学中的应用研究

摘要：为了解决单片机实验教学中实验类型单一、实验设备更新快和成本高等问题，在单片机实验教学中引入Proteus软件仿真，获得了很好的教学效果，同时将该仿真软件用在学生的电子设计竞赛和课程设计中，提高了学生的动手能力。以数字电压表实验为例，介绍了如何利用Proteus软件进行单片机实验教学的方法。实践证明：该方法可提高单片机实验教学的效果，加深学生对单片机原理及应用的理解，激发学生学习的兴趣，锻炼学生进行软硬件开发的能力。
关键词：Proteus虚拟仿真；软件仿真；实验教学；软硬件开发

0 引言
    历年的全国大学生电子设计竞赛中，大部分试题都涉及到单片机控制的问题，可见单片机课程实验教学的重要性。但由于单片机系统的设计涉及到硬件电路设计和软件设计，单片机系统的设计过程需经过电路图绘制、电路板制作、元器件焊接、硬件电路测试、系统软件调试等环节，而且根据设计的要求还需配备信号源、示波器、交流毫伏表、频率特性测试仪等测试仪器。因此，要完成一项单片机系统的设计，需经过较长的时间，实验教学中能提供给学生亲自动手进行单片机系统设计的机会很少，学生只能停留在课堂理论教学与实验室的验证实验层面上。Proteus虚拟仿真可以解决如何让学生熟练掌握单片机系统的设计这一问题，并为单片机课程的实验教学提供有力的支持。

1 传统的单片机实验教学中存在的问题
    传统的单片机课程教学包括理论教学和实验教学，而实验教学所占课时量较多。在实验中，需要大量的实验设备，而一般的学校或个人没有较多的经费，因此，单片机的课堂教学及实验教学中存在诸多问题，如单片机教学一般以理论教学为主，实验箱上的电路已经固定了，只能起验证实验的作用，实验教学一般是做验证性实验；学生除了上实验课外，平时很难有做实验的机会。由于单片机实验室的场地和开放时间有限，个人配备单片机实验开发系统本比较高，很多学生难以承受；单片机技术在不断更新，设备也在不断老化，设备维护工作量大。如果不断的重建单片机实验室，必将带来资金耗费等问题。

2 Proteus软件的功能和特点
    Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的电路仿真软件，由ISIS和ARES个软件构成。前者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真，后者主要用于PCB人工或自动布线及其电路仿真。Proteus提供数千种元器件和各种虚拟仪器仪表。只需在电脑上装上Proteus软件，就相当于有了一个设备齐全的实验室，可以在计算机上进行电路设计、仿真、调试。
2．1 Proteus对实验教学的作用
    在单片机实验教学中引入Proteus仿真，可以使实验内容更全面。单片机实验包括硬件电路仿真、单片机程序编写、实际硬件电路的搭建，对于一个实验，学生可以使用不同的方法搭建电路，在仿真软件上修改比较容易，可以节省大量时间，这对于扩展学生的思路和提高学习兴趣有帮助，同时也可以提高学生的设计和创新能力。实验能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力的重要方面，因此，ProtecLs仿真可以提供给学生一个自行设计和创新性设计平台。同时引入Proteus仿真还可以降低了实验室建设和运行成本。
    利用Proteus仿真也可以培养学生的协作能力。在Proteus中进行仿真实验时，如果所涉及到的内容比较多，几个同学可以分工合作，各自完成其中的某一部分，因此对于锻炼学生的团结协作能力是有好处的。这样可以让学生明白一个比较大的工程设计是由一个开发小组协作完成的。
2．2 Proteus仿真对电子设计竞赛和毕业设计的作用
    在电子设计竞赛中，利用Proteus软件进行辅助设计，可以节约很多时间，减小硬件成本的投入。动态元器件仿真模型是Proteus的特色动态模型，具有动画效果，如LED发光管、按键开关等。它不但使人机交互式仿真得以实现，而且使仿真形象、生动，创造出极为接近现实的环境。
    在学生做毕业设计中，采用Proteus仿真软件后，学生只需要一台电脑就可以开展设计工作。学生前期的设计工作可以利用Proteus仿真软件在电脑上完成，仿真完成后再进入实验室进行现场调试，既可缓解设备不足的问题，也不影响正常的实验教学。

3 仿真实例
    要掌握单片机接口电路设计，必须通过硬件电路搭建、软件编程、仿真调试，才可真正领会其含义。单片机实验既有硬件电路设计，又有软件编程，先设计好硬件电路，然后编写程序控制硬件。下面以数字电压表为例，阐述采用Proteus软件进行设计及仿真的过程。利用单片机AT89C52与ADC0808设计一个数字电压表，检测0～5 V的模拟电压信号，并在数码管上实时显示电压值。
3．1 实验方案的确立
    数字电压表系统框图如图1所示，硬件电路由单片机模块、A／D转换模块、LED显示模块等组成。被测电压信号用滑动变阻器模代替，电压信号经过A／D转换器转换后送入单片机，单片机对数据进行处理后控制LED显示当前电压值。

3．2 电压数据采集和LED数码显示模块的设计
    如图2所示，本实验单片机选用AT89C52，在Proteus软件原理图编辑窗口画出电路图，如图2所示。单片机的P2．3，P2．4，P2．5引脚分别接ADC0808的Start，EOC，OE引脚。单片机的P0．7～P0．0分别接ADC0808数据的输出OUT1～OUT8。系统采用动态扫描的方式显示数据，单片机的P2．0～P2．3分别接LED数码管的位选输人端，P1．0～P1．7分别接LED数码管的A，B，C，D，E，F，G，DP段，向数码管输入数据。表一中列出了本实验中几个典型的电阻值、A／D值、实测值。

3．3 Proteus软件应用与系统调试
    根据用Proteus软件画的电路图，用Keil C51编写相应程序，软件流程图如图3所示。

    编译无误后生成．hex文件。将生成的．hex文件”下载”到单片机中，然后点击仿真按钮，如果没有错误，即可看到电路仿真结果，调节滑动变阻器的大小，对应电压值随之呈线性变化。此外，Proteus还可以和KeilC51进行联调。
    由上述例子可以看出，Proteus可以很方便地与Keil C51集成开发环境连接，程序编译好之后，立即可以进行软、硬件结合的系统仿真。利用Proteus仿真只需很少的设备，就可以完成单片机系统的设计。对于学生来说，由于使用方便，可以提高学生的学习兴趣。

4 结语
    通过以上基于Proteus软件的数字电压表仿真实验教学，可以使学生很直观地理解软硬件结合的思想，有利于增强学生的感性认识，在实验教学过程中学生普遍反映在单片机实验中引入Proteus仿真，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受。实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行事物的制作，能培养学生的学习兴趣，增强学生的创新意识，提高学生的实际应用能力。