Proteus虛擬仿真在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：為了解決單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)類型單一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新快和成本高等問題，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)競(jìng)賽和課程設(shè)計(jì)中，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。以數(shù)字電壓表實(shí)驗(yàn)為例，介紹了如何利用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法。實(shí)踐證明：該方法可提高單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)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(shí)驗(yàn)教學(xué)；軟硬件開發(fā)

0 引言
歷年的全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，大部分試題都涉及到單片機(jī)控制的問題，可見單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性。但由于單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cè)試、系統(tǒng)軟件調(diào)試等環(huán)節(jié)，而且根據(jù)設(shè)計(jì)的要求還需配備信號(hào)源、示波器、交流毫伏表、頻率特性測(cè)試儀等測(cè)試儀器。因此，要完成一項(xiàng)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中能提供給學(xué)生親自動(dòng)手進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)很少，學(xué)生只能停留在課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)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(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這一問題，并為單片機(jī)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有力的支持。

1 傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題
傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)包括理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)所占課時(shí)量較多。在實(shí)驗(yàn)中，需要大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而一般的學(xué)?；騻€(gè)人沒有較多的經(jīng)費(fèi)，因此，單片機(jī)的課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在諸多問題，如單片機(jī)教學(xué)一般以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)箱上的電路已經(jīng)固定了，只能起驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的作用，實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般是做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；學(xué)生除了上實(shí)驗(yàn)課外，平時(shí)很難有做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。由于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)地和開放時(shí)間有限，個(gè)人配備單片機(jī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)本比較高，很多學(xué)生難以承受；單片機(jī)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(jī)實(shí)驗(yàn)室，必將帶來資金耗費(fèi)等問題。

2 Proteus軟件的功能和特點(diǎn)
Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司開發(fā)的電路仿真軟件，由ISIS和ARES個(gè)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(dòng)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(gè)設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試。
2．1 Proteus對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用
在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Proteus仿真，可以使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更全面。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)包括硬件電路仿真、單片機(jī)程序編寫、實(shí)際硬件電路的搭建，對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(shí)間，這對(duì)于擴(kuò)展學(xué)生的思路和提高學(xué)習(xí)興趣有幫助，同時(shí)也可以提高學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)，是工科學(xué)生解決實(shí)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(gè)自行設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)平臺(tái)。同時(shí)引入Proteus仿真還可以降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和運(yùn)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(shí)驗(yàn)時(shí)，如果所涉及到的內(nèi)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(duì)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(gè)比較大的工程設(shè)計(jì)是由一個(gè)開發(fā)小組協(xié)作完成的。
2．2 Proteus仿真對(duì)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)的作用
在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，利用Proteus軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，可以節(jié)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)畫效果，如LED發(fā)光管、按鍵開關(guān)等。它不但使人機(jī)交互式仿真得以實(shí)現(xiàn)，而且使仿真形象、生動(dòng)，創(chuàng)造出極為接近現(xiàn)實(shí)的環(huán)境。
在學(xué)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)中，采用Proteus仿真軟件后，學(xué)生只需要一臺(tái)電腦就可以開展設(shè)計(jì)工作。學(xué)生前期的設(shè)計(jì)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(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，既可緩解設(shè)備不足的問題，也不影響正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3 仿真實(shí)例
要掌握單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)，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(huì)其含義。單片機(jī)實(shí)驗(yàn)既有硬件電路設(shè)計(jì)，又有軟件編程，先設(shè)計(jì)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(jì)及仿真的過程。利用單片機(jī)AT89C52與ADC0808設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字電壓表，檢測(cè)0～5 V的模擬電壓信號(hào)，并在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示電壓值。
3．1 實(shí)驗(yàn)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(jī)模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、LED顯示模塊等組成。被測(cè)電壓信號(hào)用滑動(dòng)變阻器模代替，電壓信號(hào)經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后控制LED顯示當(dāng)前電壓值。