Proteus虛擬仿真在單片機實(shí)驗教學(xué)中的應用研究

摘要：為了解決單片機實(shí)驗教學(xué)中實(shí)驗類(lèi)型單一、實(shí)驗設備更新快和成本高等問(wèn)題，在單片機實(shí)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(shí)將該仿真軟件用在學(xué)生的電子設計競賽和課程設計中，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。以數字電壓表實(shí)驗為例，介紹了如何利用Proteus軟件進(jìn)行單片機實(shí)驗教學(xué)的方法。實(shí)踐證明：該方法可提高單片機實(shí)驗教學(xué)的效果，加深學(xué)生對單片機原理及應用的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習的興趣，鍛煉學(xué)生進(jìn)行軟硬件開(kāi)發(fā)的能力。
關(guān)鍵詞：Proteus虛擬仿真；軟件仿真；實(shí)驗教學(xué)；軟硬件開(kāi)發(fā)

0 引言
歷年的全國大學(xué)生電子設計競賽中，大部分試題都涉及到單片機控制的問(wèn)題，可見(jiàn)單片機課程實(shí)驗教學(xué)的重要性。但由于單片機系統的設計涉及到硬件電路設計和軟件設計，單片機系統的設計過(guò)程需經(jīng)過(guò)電路圖繪制、電路板制作、元器件焊接、硬件電路測試、系統軟件調試等環(huán)節，而且根據設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的設計，需經(jīng)過(guò)較長(cháng)的時(shí)間，實(shí)驗教學(xué)中能提供給學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行單片機系統設計的機會(huì )很少，學(xué)生只能停留在課堂理論教學(xué)與實(shí)驗室的驗證實(shí)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的設計這一問(wèn)題，并為單片機課程的實(shí)驗教學(xué)提供有力的支持。

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

2 Proteus軟件的功能和特點(diǎn)
Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司開(kāi)發(fā)的電路仿真軟件，由ISIS和ARES個(gè)軟件構成。前者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進(jìn)行相應的仿真，后者主要用于PCB人工或自動(dòng)布線(xiàn)及其電路仿真。Proteus提供數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，就相當于有了一個(gè)設備齊全的實(shí)驗室，可以在計算機上進(jìn)行電路設計、仿真、調試。
2．1 Proteus對實(shí)驗教學(xué)的作用
在單片機實(shí)驗教學(xué)中引入Proteus仿真，可以使實(shí)驗內容更全面。單片機實(shí)驗包括硬件電路仿真、單片機程序編寫(xiě)、實(shí)際硬件電路的搭建，對于一個(gè)實(shí)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，可以節省大量時(shí)間，這對于擴展學(xué)生的思路和提高學(xué)習興趣有幫助，同時(shí)也可以提高學(xué)生的設計和創(chuàng )新能力。實(shí)驗能力的培養，是工科學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題能力的重要方面，因此，ProtecLs仿真可以提供給學(xué)生一個(gè)自行設計和創(chuàng )新性設計平臺。同時(shí)引入Proteus仿真還可以降低了實(shí)驗室建設和運行成本。
利用Proteus仿真也可以培養學(xué)生的協(xié)作能力。在Proteus中進(jìn)行仿真實(shí)驗時(shí)，如果所涉及到的內容比較多，幾個(gè)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)生的團結協(xié)作能力是有好處的。這樣可以讓學(xué)生明白一個(gè)比較大的工程設計是由一個(gè)開(kāi)發(fā)小組協(xié)作完成的。
2．2 Proteus仿真對電子設計競賽和畢業(yè)設計的作用
在電子設計競賽中，利用Proteus軟件進(jìn)行輔助設計，可以節約很多時(shí)間，減小硬件成本的投入。動(dòng)態(tài)元器件仿真模型是Proteus的特色動(dòng)態(tài)模型，具有動(dòng)畫(huà)效果，如LED發(fā)光管、按鍵開(kāi)關(guān)等。它不但使人機交互式仿真得以實(shí)現，而且使仿真形象、生動(dòng)，創(chuàng )造出極為接近現實(shí)的環(huán)境。
在學(xué)生做畢業(yè)設計中，采用Proteus仿真軟件后，學(xué)生只需要一臺電腦就可以開(kāi)展設計工作。學(xué)生前期的設計工作可以利用Proteus仿真軟件在電腦上完成，仿真完成后再進(jìn)入實(shí)驗室進(jìn)行現場(chǎng)調試，既可緩解設備不足的問(wèn)題，也不影響正常的實(shí)驗教學(xué)。

3 仿真實(shí)例
要掌握單片機接口電路設計，必須通過(guò)硬件電路搭建、軟件編程、仿真調試，才可真正領(lǐng)會(huì )其含義。單片機實(shí)驗既有硬件電路設計，又有軟件編程，先設計好硬件電路，然后編寫(xiě)程序控制硬件。下面以數字電壓表為例，闡述采用Proteus軟件進(jìn)行設計及仿真的過(guò)程。利用單片機AT89C52與ADC0808設計一個(gè)數字電壓表，檢測0～5 V的模擬電壓信號，并在數碼管上實(shí)時(shí)顯示電壓值。
3．1 實(shí)驗方案的確立
數字電壓表系統框圖如圖1所示，硬件電路由單片機模塊、A／D轉換模塊、LED顯示模塊等組成。被測電壓信號用滑動(dòng)變阻器模代替，電壓信號經(jīng)過(guò)A／D轉換器轉換后送入單片機，單片機對數據進(jìn)行處理后控制LED顯示當前電壓值。