Proteus虛擬仿真在單片機實驗教學中的應用研究

摘要：為了解決單片機實驗教學中實驗類型單一、實驗設備更新快和成本高等問題，在單片機實驗教學中引入Proteus軟件仿真，獲得了很好的教學效果，同時將該仿真軟件用在學生的電子設計競賽和課程設計中，提高了學生的動手能力。以數(shù)字電壓表實驗為例，介紹了如何利用Proteus軟件進行單片機實驗教學的方法。實踐證明：該方法可提高單片機實驗教學的效果，加深學生對單片機原理及應用的理解，激發(fā)學生學習的興趣，鍛煉學生進行軟硬件開發(fā)的能力。
關鍵詞：Proteus虛擬仿真；軟件仿真；實驗教學；軟硬件開發(fā)

0 引言
歷年的全國大學生電子設計競賽中，大部分試題都涉及到單片機控制的問題，可見單片機課程實驗教學的重要性。但由于單片機系統(tǒng)的設計涉及到硬件電路設計和軟件設計，單片機系統(tǒng)的設計過程需經(jīng)過電路圖繪制、電路板制作、元器件焊接、硬件電路測試、系統(tǒng)軟件調(diào)試等環(huán)節(jié)，而且根據(jù)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(tǒng)的設計，需經(jīng)過較長的時間，實驗教學中能提供給學生親自動手進行單片機系統(tǒng)設計的機會很少，學生只能停留在課堂理論教學與實驗室的驗證實驗層面上。Proteus虛擬仿真可以解決如何讓學生熟練掌握單片機系統(tǒng)的設計這一問題，并為單片機課程的實驗教學提供有力的支持。

1 傳統(tǒng)的單片機實驗教學中存在的問題
傳統(tǒng)的單片機課程教學包括理論教學和實驗教學，而實驗教學所占課時量較多。在實驗中，需要大量的實驗設備，而一般的學?；騻€人沒有較多的經(jīng)費，因此，單片機的課堂教學及實驗教學中存在諸多問題，如單片機教學一般以理論教學為主，實驗箱上的電路已經(jīng)固定了，只能起驗證實驗的作用，實驗教學一般是做驗證性實驗；學生除了上實驗課外，平時很難有做實驗的機會。由于單片機實驗室的場地和開放時間有限，個人配備單片機實驗開發(fā)系統(tǒng)本比較高，很多學生難以承受；單片機技術在不斷更新，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驗室，必將帶來資金耗費等問題。

2 Proteus軟件的功能和特點
Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的電路仿真軟件，由ISIS和ARES個軟件構成。前者主要采用原理布圖的方法繪制電路并進行相應的仿真，后者主要用于PCB人工或自動布線及其電路仿真。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，就相當于有了一個設備齊全的實驗室，可以在計算機上進行電路設計、仿真、調(diào)試。
2．1 Proteus對實驗教學的作用
在單片機實驗教學中引入Proteus仿真，可以使實驗內(nèi)容更全面。單片機實驗包括硬件電路仿真、單片機程序編寫、實際硬件電路的搭建，對于一個實驗，學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)省大量時間，這對于擴展學生的思路和提高學習興趣有幫助，同時也可以提高學生的設計和創(chuàng)新能力。實驗能力的培養(yǎng)，是工科學生解決實際工程問題能力的重要方面，因此，ProtecLs仿真可以提供給學生一個自行設計和創(chuàng)新性設計平臺。同時引入Proteus仿真還可以降低了實驗室建設和運行成本。
利用Proteus仿真也可以培養(yǎng)學生的協(xié)作能力。在Proteus中進行仿真實驗時，如果所涉及到的內(nèi)容比較多，幾個同學可以分工合作，各自完成其中的某一部分，因此對于鍛煉學生的團結協(xié)作能力是有好處的。這樣可以讓學生明白一個比較大的工程設計是由一個開發(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軟件進行輔助設計，可以節(jié)約很多時間，減小硬件成本的投入。動態(tài)元器件仿真模型是Proteus的特色動態(tài)模型，具有動畫效果，如LED發(fā)光管、按鍵開關等。它不但使人機交互式仿真得以實現(xiàn)，而且使仿真形象、生動，創(chuàng)造出極為接近現(xiàn)實的環(huán)境。
在學生做畢業(yè)設計中，采用Proteus仿真軟件后，學生只需要一臺電腦就可以開展設計工作。學生前期的設計工作可以利用Proteus仿真軟件在電腦上完成，仿真完成后再進入實驗室進行現(xiàn)場調(diào)試，既可緩解設備不足的問題，也不影響正常的實驗教學。

3 仿真實例
要掌握單片機接口電路設計，必須通過硬件電路搭建、軟件編程、仿真調(diào)試，才可真正領會其含義。單片機實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軟件進行設計及仿真的過程。利用單片機AT89C52與ADC0808設計一個數(shù)字電壓表，檢測0～5 V的模擬電壓信號，并在數(shù)碼管上實時顯示電壓值。
3．1 實驗方案的確立
數(shù)字電壓表系統(tǒng)框圖如圖1所示，硬件電路由單片機模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、LED顯示模塊等組成。被測電壓信號用滑動變阻器模代替，電壓信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行處理后控制LED顯示當前電壓值。