Proteus仿真在單片機綜合實踐教學中的應用探討

董紅生++秦雯++劉青++劉文莉++李慧玲

摘 要 探討Proteus虛擬仿真技術在單片機綜合實踐教學中的應用。實踐表明，在單片機綜合實踐教學中引入Proteus虛擬仿真技術，對于豐富單片機實踐教學內容、增強實踐教學效果及培養學生的工程應用與創新能力有很大促進作用。

關鍵詞 單片機；綜合實踐；Proteus仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0152-03

隨著單片機技術在測控系統、智能儀表、機電一體化、機器人、家用電器等領域的廣泛應用，社會對熟練使用單片機的人才需求量越來越大，使得單片機課程在高校教學中的地位顯得越來越重要，已成為電子信息、計算機通信、電氣工程、自動化、機電、數控等各工科專業大學生必須要掌握的一門基本技術，也是學生走向工作崗位所必須具備的重要技能。要學好單片機課程必須強化實踐技能，尤其要重視單片機的課程設計、畢業設計等綜合實踐環節。單片機綜合實踐教學環節是面向工程、面向知識的綜合應用能力培養的綜合性、系統化的實踐訓練，這一實踐環節實施的質量對于課程學習及學生實踐技能和創新意識培養至關重要。

Proteus軟件是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具，在國內推廣應用后，受到從事單片機教學的教師和單片機應用系統研發人員的青睞[1]。將Proteus虛擬仿真技術應用于單片機綜合實踐教學中，對于增強學生學習單片機的興趣，提高單片機應用開發能力及培養工程應用與創新能力有很大的促進作用，也是提升單片機綜合實踐教學質量最好的途徑。

1 Proteus軟件特點及虛擬仿真技術

Proteus是目前最先進、最完備的電子設計開發平臺，由ISIS和ARES兩部分組成。ISIS是電子線路仿真平臺，能實現模電、數電、模/數混合電路、單片機及外圍電路系統的設計與仿真；ARES是電子線路的PCB設計平臺；支持PLM、匯編和C語言的程序設計。Proteus軟件具有以下幾個特點[2]。

1）原理圖繪制功能強大：Proteus具有豐富的電子器件庫，提供了超過35 000種元器件；具有自動連線功能，支持總線器件和總線布線，可輸出高質量圖紙等。

2）完善的電路仿真與精確分析功能：Proteus具有多樣的輸入激勵源，如直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻等；具有多種虛擬儀器儀表，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器、交直流電壓/電流表等；仿真顯示生動、直觀；利用高級圖形仿真功能可以精確分析電路的工作點、瞬態特性、頻率特性、噪聲及失真等多項指標。

3）單片機協同仿真功能：Proteus支持主流單片機系統的仿真，包括68000系列、8051系列、AVR系列、PIC系列、ARM系列等；支持字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵等通用外設模型。

4）提供軟件調試功能：內帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如IAR、Keil等軟件。

5）強大的PCB設計平臺：Proteus具有先進的自動布局/布線功能和完整的PCB設計功能，可實現可視化3D預覽，并支持多種輸出格式。

計算機虛擬仿真技術具有設計靈活、結果與過程統一的特點，是許多工程前期設計的重要手段?；赑roteus軟件的單片機系統仿真過程描述為：先在Proteus ISIS環境進行單片機系統硬件原理圖編輯；然后利用Proteus的編譯器或第三方編譯軟件（如Keil等）設計程序，編譯后將目標代碼文件（.HEX）加載到Proteus單片機模型；最后執行系統仿真和系統軟硬件聯合調試，觀察仿真結果，驗證設計電路的功能[3]。系統仿真的流程圖如圖1所示。

利用Proteus軟件進行單片機系統仿真設計，可以將許多單片機應用實例的功能和運行過程形象化，使學生對單片機的學習比單純學習書本知識更容易接受，學習效率更高。

Proteus不僅提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫和虛擬儀器儀表，而且在仿真環境下，Proteus可以靈活、高效地修改仿真電路的設計，這非常有助于培養學生獨立思考、勇于創新的實踐精神。另外，由于沒有元器件損耗，實現實踐教學的零成本，同時也可大大縮短設計時間、降低工程制造的風險，這些在傳統的單片機實踐教學中是無法做到的。

2 基于Proteus的單片機綜合實踐教學改革

單片機的綜合實踐教學是提高學生知識綜合應用能力和實踐技能的重要教學環節。由于設計題目、硬件配置及教學周數等客觀原因，許多高校單片機綜合實踐教學環節只進行理論設計，這種紙上談兵的綜合實踐教學根本達不到期望的教學目標。采用在單片機實驗箱（或實驗板）上進行單片機綜合實踐，由于實驗箱可選擇的實踐項目有限，自身開發能力較弱，學生在有限的實踐課時內，只能機械地按指導教師要求搭接電路、輸入程序、編譯運行、查看結果，很少去思考所實踐項目的實現方法、設計原理，無法體現實踐的自主性，對于提升學生單片機綜合應用能力十分有限，也使學生對單片機綜合實踐教學失去興趣，實踐變成走過場，效果較差。

在單片機綜合實踐的設計階段引入 Proteus虛擬仿真，學生可根據設計任務要求，在仿真環境下進行電路設計、程序編寫及系統調試。仿真設計過程不需要任何成本，也不受時間和空間的限制，能充分發揮學生實踐自主性，留給學生更多的思考空間，對于培養學生獨立解決問題的能力有很大幫助。通過“理論設計—仿真驗證—修改完善”的反復優化的仿真設計過程，學生可以獲得性能優越、運行穩定的單片機應用系統。依據仿真結果再進行實物調試，其調試過程將變得游刃有余，不但大大縮短調試時間，而且能有更多精力去完善系統功能和思考系統改進的方案。因此，將Proteus虛擬仿真技術引入單片機綜合實踐教學環節，將使學生的設計結果更具說服力，極大地增強實踐教學效果，提高學生單片機綜合實踐技能。endprint

筆者在實施“基于自主學習能力培養的仿真教學研究與實踐”教學改革課題的研究過程中，改革了學生機械地跟從指導教師的傳統單片機綜合實踐方式，采用虛擬仿真和實物調試相結合的方式，要求學生使用Proteus軟件對所設計單片機應用系統進行仿真，仿真成功后再進行實物調試，從學生實踐效果和所提交的設計報告來看，學生的實踐主動性和實踐興趣大增，實踐效果優化顯著，以往千篇一律的設計報告已不存在了，很多學生提出不同的設計方案和實現方法，并都附有仿真結果。

學生普遍反映Proteus是其進行高質量綜合實踐活動最好的幫手，并自覺地將其應用于不同的學習活動中，如畢業設計、大學生電子競賽、大學生“挑戰杯”課外科技競賽、課外科技活動等。對于熟練掌握Proteus仿真技術的學生，其所完成的有關單片機應用系統設計的畢業論文都附有完整的Proteus仿真結果，論文質量較高，在學院和全國大學生電子競賽中其表現也十分突出。

3 Proteus在單片機綜合實踐中的應用實例

下面以單片機控制的籃球比賽30秒倒計時器設計為例，說明Proteus軟件在單片機應用系統設計中的應用。系統功能與設計要求：

1）系統具有30 s的倒計時功能，計時間隔為1 s；

2）可記錄A、B兩隊的進攻次數（30 s倒計時次數）；

3）可實現計時器的直接啟動計數和暫停/繼續計數功能；

4）通過按下復位鍵，計時器可隨時返回初始狀態（30 s）；

5）計時器遞減計數到“00”時，自動跳回“30 s”停止工作，并發出報警信號。

運行Proteus的ISIS程序，進入仿真軟件的主界面，點擊Library選擇Pick Device/Symbol以打開元件庫，選擇電路所需的元件并調整其相對位置，設置好元件參數，將各個元器件按設計原理圖連線。利用Keil編譯器編寫相應程序，編譯無誤后生成.hex文件；鼠標右擊AT89C51，在屬性對話框，將生成的.hex文件加載到51芯片中。最后點擊Play鍵進行電路仿真。

30秒倒計時器的仿真電路原理圖及仿真結果如圖2所示。

為減小硬件開銷，提高系統可靠性和降低成本，30秒倒計時器采用動態掃描顯示方式。在AT89C51的最小系統上擴展了一并行I/O接口芯片8155，8155的PA口和PC口分別經總線驅動（74LS240、74LS244）后連接四位共陰LED數碼管。其中，PA口和LED的a、b、c、d、e、f、g、sp引線連接，輸出相應字形碼信號；LED各控制端和PB口相連，輸出字位碼信號；四個獨立按鍵連接于PC口，分別表示A、B隊時間、倒計時啟動及暫停/繼續控制。LED數碼管顯示的仿真結果前兩位表示兩隊30 s倒計時的次數顯示，后兩位表示30 s倒計時時間顯示。

4 結語

單片機應用系統的Proteus仿真設計實例表明，Proteus

是一個非常好的虛擬仿真實驗平臺，利用其提供的大量仿真元件模型，如LCD、RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、AD/DA、SPI及I2C器件等，不但可以完全滿足單片機綜合實踐教學任務設置的要求，方便地完成單片機軟、硬件系統的仿真設計，而且使學生的實踐學習更具有自主性和創造性，也為開展更深層次、更廣領域的實踐教學奠定了基礎。

通過蘭州工業學院自動化專業單片機原理及接口技術課程教學改革的實踐表明，使用Proteus開發環境對學生開展單片機綜合實踐訓練，一方面提高了學生學習單片機的興趣和單片機系統設計效率，綜合實踐教學效果得到明顯改善；另一方面，也克服了實驗箱硬件電路固定、實踐項目難于變動的局限，以及實驗室硬件投入相對不足等問題。因此，可以說Proteus虛擬仿真技術為高校單片機課程綜合實踐教學改革提供了一條新的途徑，筆者相信其應用前景會非常廣闊。

參考文獻

[1]周潤景，蔡雨恬.PROTEUS入門實用教程[M].北京：機械工業出版社，2011：12.

[2]喬建華，李臨生，田啟川.Proteus在單片機教學中的應用分析[J].電氣電子教學學報，2008（3）：70-73.

[3]杜鵬英，羅小平，江皓.基于Proteus軟件的虛擬仿真技術在單片機系列課程中的應用[M]//2010 Third International

Conference on Education Technology and Training （ETT2010）.

2010（8）：476-478.endprint