基于Proteus的軟件仿真在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

趙永濤??

摘要：《單片機(jī)原理與應(yīng)用》是電子、電氣和機(jī)電類專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程。此課程要求理論結(jié)合實(shí)踐，傳統(tǒng)教學(xué)模式中以講授為主，驗(yàn)證性試驗(yàn)為輔不能達(dá)到良好的教學(xué)效果，本文引入Proteus與Keil C51軟件聯(lián)合仿真平臺(tái)，以單片機(jī)中I/O接口功能章節(jié)為例，借助仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)流水燈實(shí)驗(yàn)，將單片機(jī)與外圍器件具體化，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)知，有助于對(duì)單片機(jī)相關(guān)理論知識(shí)應(yīng)用的理解，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。并且，在教學(xué)過程中引入仿真環(huán)境，避免了教學(xué)中因儀器儀表元器件不足的局限性，硬件投入少、避免損耗，并且為學(xué)生進(jìn)行課程或畢業(yè)設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)作園地，更有利于專業(yè)人才培養(yǎng)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞：Proteus；仿真平臺(tái)；教學(xué)

一、 前言

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》是電子信息工程、電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化等專業(yè)的一門重要的必修課程。這是一門對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)要求很高而且與實(shí)際應(yīng)用緊密的課程。課程需要將講授環(huán)節(jié)與時(shí)間操作環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握及軟硬件動(dòng)手能力提高的目的。

此課程傳統(tǒng)的教學(xué)以講授為主，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔，但是此類教學(xué)方法很難良好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的教學(xué)效果，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)課程難度大，理論抽象，以至于喪失學(xué)習(xí)積極性與興趣。

為了解決在傳統(tǒng)單片機(jī)課程存在的這些問題，本文將Proteus軟件與KeilC51軟件聯(lián)合仿真應(yīng)用于單片機(jī)課程教學(xué)中以輔助教學(xué)，讓課程理論不再繁瑣枯燥，同時(shí)又與實(shí)踐密切關(guān)聯(lián)起來，這有助于增強(qiáng)學(xué)生在理論基礎(chǔ)上加強(qiáng)實(shí)踐能力的培養(yǎng)。采用軟件中仿真環(huán)境代替單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行教學(xué)，可以將單片機(jī)及外圍器件形象具體，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)知，有助于對(duì)單片機(jī)相關(guān)理論知識(shí)應(yīng)用的理解，進(jìn)一步提高教學(xué)效果。

二、 仿真平臺(tái)介紹

單片機(jī)教學(xué)仿真平臺(tái)主要是利用Proteus軟件和Keil軟件聯(lián)合調(diào)試實(shí)現(xiàn)的。

Proteus是國(guó)外一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用范圍廣泛的電路仿真軟件，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原理圖的繪制，同時(shí)能夠?qū)纹瑱C(jī)的程序進(jìn)行開發(fā)、仿真驗(yàn)證，還能夠快速進(jìn)入PCB設(shè)計(jì)。因此，它是一款真正融合了產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的成熟商業(yè)產(chǎn)品。

目前，對(duì)于Proteus軟件，其主要支持的處理器模型有8051系列、PIC系列、ARM、以及MSP430等類型。在2010年又新增了Cortex和DSP系列處理器，而且隨著公司對(duì)研發(fā)的大量投入，將會(huì)適應(yīng)更多的處理器類型。另外，在編譯方面，它也具有對(duì)應(yīng)的接口對(duì)多種編譯器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

KeilC51則是一款兼容C語言的單片機(jī)編譯軟件，它不同于其他編譯軟件，僅采用匯編語言，而是創(chuàng)新性的創(chuàng)建了C語言的接口，從而使它在進(jìn)行單片機(jī)程序的開發(fā)、書寫時(shí)，更加方便。因此，這款軟件被許多單片機(jī)愛好者所喜愛，在高校教學(xué)中也被廣泛使用。

Keil提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器，其中主要包括C編譯器、宏匯編和鏈接器等主要核心模塊，這些模塊組成了一個(gè)完整的開發(fā)路徑，當(dāng)操作者在進(jìn)行單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、開發(fā)時(shí)，能夠使工作事半功倍。

三、 仿真教學(xué)實(shí)例

在學(xué)習(xí)單片機(jī)I/O接口這一章節(jié)中，單片機(jī)可以利用32個(gè)并行接口可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的感知與控制外部資源，此時(shí)引入利用單片機(jī)AT89C51流水燈實(shí)驗(yàn)，結(jié)合I/O接口的作用觀察輸出控制現(xiàn)象，以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合理論，來進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的印象。

1. 硬件仿真設(shè)計(jì)

啟動(dòng)Proteus中硬件設(shè)計(jì)模塊ISIS繪制電路原理圖，添加AT89C51單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)（仿真軟件中電源電路省略）。

圖1流水燈實(shí)驗(yàn)仿真原理圖

2. 軟件設(shè)計(jì)并聯(lián)合仿真

（1） 利用KeilC51設(shè)計(jì)流水燈驅(qū)動(dòng)程序（如下）。

（2） 調(diào)試、創(chuàng)建目標(biāo)文件：*.hex，

（3） 在Proteus仿真環(huán)境中將目標(biāo)文件下載至AT89C51單片機(jī)中。

流水燈實(shí)驗(yàn)程序如下：

#include

#define LED P0

void delay（int x）；

main（）

{

unsigned char i；

while（1）

{

LED=0xfe；

for（i=0；i<8；i++）

{

delay（100）；

LED=（LED<<1）|0x01；

}

}

}

void delay（int x）

{

int i，j；

for（i=0；i

for（j=0；j<600；j++）；

}

3. 觀察仿真結(jié)果

點(diǎn)擊仿真環(huán)境中開始按鈕，可以觀察到8個(gè)LED發(fā)光二極管的流水燈點(diǎn)亮現(xiàn)象。

通過本實(shí)驗(yàn)可以將單片機(jī)I/O接口的功能形象化，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)了實(shí)物實(shí)驗(yàn)的展示效果，但是又不需要各種各樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材，加深了學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的印象，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

四、 結(jié)語

結(jié)合上述教學(xué)實(shí)例，可以發(fā)現(xiàn)將Proteus軟件仿真引入單片機(jī)課堂教學(xué)，將具有一些傳統(tǒng)教學(xué)所不具備的優(yōu)勢(shì)：

（1） 便于課堂演示，教師可以通過PPT的形式將仿真過程投影在大屏幕上，或者直接在線操作仿真過程，這樣教學(xué)相當(dāng)直觀，能夠讓更多學(xué)生了解。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)演示只有一部分人能夠觀察到，而且在修改方面繁瑣，需要拔片、寫片和插片。因此，這種方式更加方便，易于操作。

（2） 學(xué)生不用擔(dān)心犯錯(cuò)，可以課下單獨(dú)多次實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橹恍枰螺d一個(gè)軟件就可操作，他們可以在課堂上教師教授相關(guān)內(nèi)容后，課后反復(fù)的進(jìn)行練習(xí)，并為下一節(jié)課的內(nèi)容進(jìn)行提前準(zhǔn)備。另外，由于是純軟件仿真實(shí)現(xiàn)，學(xué)生能夠完成整個(gè)設(shè)計(jì)過程，這樣接近工程實(shí)踐。相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，它克服了實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定的局限性，不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，還拓展了學(xué)生的思路、培養(yǎng)了學(xué)生分析問題解決問題的能力。

（3） 使用Proteus教學(xué)，可以減少對(duì)硬件的損壞，教師可以讓學(xué)生先在軟件中運(yùn)行，確定沒有錯(cuò)誤后，再進(jìn)行實(shí)訓(xùn)操作，這樣不僅省時(shí)省力，還可以節(jié)省因方案不正確造成的硬件投入的浪費(fèi)，減少器材的損耗。同時(shí)，該軟件提供豐富的虛擬儀表，不管在質(zhì)量還是在數(shù)量上都是經(jīng)濟(jì)可靠的。

（4） Proteus是一款用途廣泛的軟件，無論是學(xué)生電子電路的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)；抑或是參加各類電子設(shè)計(jì)大賽，均可用該款軟件完成。除此之外，Proteus提供了豐富的元器件庫，可以豐富學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的了解。因此，通過課堂教學(xué)引入該款軟件，又為學(xué)生提供了一個(gè)培養(yǎng)實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái)，學(xué)生可以將課堂學(xué)到的東西進(jìn)行拓展，從而更好的學(xué)有所用，這也是教學(xué)的最終目的。

綜上所述，在單片機(jī)教學(xué)過程中引入Proteus軟件與KeilC51的聯(lián)合仿真相結(jié)合教學(xué)，有利于促進(jìn)課程和教學(xué)效果，更有利于專業(yè)人才培養(yǎng)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性。另外更重要的是Proteus軟件提供了大量可靠的虛擬器件和儀表，能夠有助于提高教學(xué)效率，也對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

但是仿真平臺(tái)不能代替實(shí)際硬件電路，在教學(xué)過程中要強(qiáng)調(diào)仿真與實(shí)際的區(qū)別，在實(shí)際中一些具體的問題還是以具體的硬件電路為準(zhǔn)，仿真手段只能作為參考。

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