基于Proteus的單片機原理及應用實驗教學改革與實踐

呂艷 張興魯 孫秋花 王學俊

摘要：針對傳統單片機原理及應用實驗教學中存在的問題，積極應用Proteus軟件進行實驗教學改革。通過Proteus軟件虛擬仿真單片機及其外圍電路工作情況，豐富實驗教學的手段，鍛煉學生進行軟硬件綜合開發的能力，提高單片機教學的效果，極大地節約了教學資源。

關鍵詞：Proteus軟件；單片機；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0114-02

一、引言

《單片機原理及應用》是計算機、自動化、通信工程、機電一體化等專業的專業基礎課。學習該課程，要求學生熟悉和掌握單片微型計算機的硬件組成及工作原理，會使用編程語言進行程序設計，熟悉典型的接口芯片和接口技術，綜合培養學生單片機設計及應用能力，是一門理論性和實踐性都較強的課程，具有一定的難度。

單片機課程的學習對學生的基本理論、設計方法和應用開發能力都提出了較高的要求，因而實驗教學尤為重要。在實踐教學中，傳統方法多數是利用硬件實驗箱來完成，這存在著實驗內容固定、靈活性差；缺乏創新性和開放性；實驗室資金投入大、維護費用高，且無法長期保持先進性的不足。

為了突破當前單片機教學中的諸多限制，將Proteus仿真軟件應用于實驗教學，使用Proteus軟件進行仿真模擬和程序設計，可靈活的設計實驗，方便的擴展實驗項目，降低實驗室的建設和維護成本，充分調動學生學習單片機的積極性，提高教學效果。

二、Proteus在單片機實驗教學中的優勢

Proteus軟件是英國Labcenter公司開發的一款仿真平臺，可以對多款單片機及相關接口芯片提供支持，還提供了示波器、信號發生器等虛擬儀表，支持Keil等第三方編譯開發軟件，是一個全開放性的仿真實驗平臺，相當于一個設備齊全的綜合性實驗室[1]。與傳統實驗方法相比，借助Proteus進行單片機虛擬實驗教學具有如下優勢。

1.靈活性。傳統實驗方法采用的硬件實驗箱，由于實驗箱的電線、芯片多已焊接固定，實驗中學生一般進行課堂教學的驗證性實驗，不能靈活自主的進行設計[2]。而采用Proteus軟件實驗平臺，改變了“教師說，學生連”的傳統實驗模式，學生可自由選擇電路連接方式，調動了學生學習的主動性。

2.創新性。由于實驗箱硬件的限制，實驗步驟和內容常常很難擴展。由于實驗課程安排有限，實驗內容相對固定，學生很難在實驗中進行創新應用。而采用軟件仿真的實驗平臺，可以擴展實驗項目，讓學生根據興趣和能力去選擇，并且可以隨時更新實驗內容，培養學生的創新意識。

3.開放性。由于實驗箱價格較為昂貴、設備維護困難等諸多因素的限制，使得實驗室無法做到全面開放。而采用軟件實驗平臺，只需定期維護安裝仿真軟件的計算機即可，降低了實驗室的建設和維護成本，使全面開放實驗室成為可能，促進了學生學習的積極性。

采用單片機仿真軟件Proteus對傳統教學實驗進行補充，實現實踐教學與理論教學緊密聯系，解決實驗教學中硬件條件與實驗學時不足的問題，豐富實踐性教學的手段，強化學生所學知識[3]。

三、Proteus仿真軟件在單片機實驗教學中的應用實例

為了讓學生更好地掌握單片機，應從實用的角度出發，鼓勵學生編寫一些簡單的小程序，通過實踐指引理論知識的學習。本文通過單片機端口操作實驗模擬汽車左右轉向燈的控制來說明Proteus在單片機實驗教學中的應用。

1.實驗任務。單片機端口操作模擬汽車轉向燈實驗中，P1口作為輸出口，P3口作為輸入口，P3.4、P3.5接撥動開關K3、K4；P1口接發光二極管L1～L8。K3作為左轉彎開關，K4作為右轉彎開關，L1作為左轉彎燈，L2作為右轉彎燈。要求編程實現向上打K3時，左轉彎燈L1以一定頻率閃爍；向下打K4時，右轉彎燈L2以一定頻率閃爍[4]。

2.硬件和軟件的設計。

模擬汽車轉向燈的單片機端口操作實驗電路原理圖如圖1所示。電路主要由單片機最小系統、LED發光二極管和撥動開關組成。電路通過P3.4和P3.5口讀取撥動開關的狀態，但要注意準雙向口P3作為輸入口時，需先向鎖存器寫入“1”才能讀??；為了讓接在P1.0和P1.7口的LED發光二極管亮，需使P1.0和P1.7口的電平為低電平，所以，在程序中點亮左右轉向燈時，給P1口賦值分別為FEH和7FH；為了實現轉向燈閃爍點亮，需在程序中加延時子程序，本實驗所用的延時時間為1s，具體程序如下4：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0200H

MAIN：MOV P3，#0FFH

MOV A，P3

CJNE A，#0EFH，L1

MOV P1，#0FEH

CALL DELAY

MOV P1，#0FFH

CALL DELAY

L1：CJNE A，#0DFH，L2

MOV P1，#7FH

CALL DELAY

MOV P1，#0FFH

CALL DELAY

L2：AJMP MAIN

DELAY：MOV R5，#10

DE0：MOV R7，#200

DE1：MOV R6，#248

DE2：DJNZ R6，DE2

DJNZ R7，DE1

DJNZ R5，DE0

RET

END

3.系統調試與仿真。打開Proteus ISIS編輯環境，按圖1繪制仿真電路原理圖。運行Keil u Vision，建立工程項目并設置相關屬性，將編寫好的程序通過編譯后生成hex文件。通過Proteus將hex文件導入到單片機中，然后點擊模擬調試按鈕的運行按鈕，進入調試狀態，既可以進行仿真實驗，又可以實時觀察仿真的結果。

采用Proteus軟件對單片機學習中涉及的元器件和電路進行仿真實驗，有效克服了傳統實驗受實驗設備數量以及時間和空間限制的困難。由于軟件仿真的實驗平臺不用擔心設備的損壞，且實驗室的維護成本較低，使得實驗室的全面開放成為可能。學生可根據自己的情況隨時進行實驗，提高了學習的自主性和創造性。

參考文獻：

[1]李潔，杜玉杰，丁雷.基于Proteus的單片機實驗教學改革與實踐[J].實驗科學與技術，2015，13（2）：96-98.

[2]劉光平，陳紅仙，鐘平.Proteus在單片機實驗教學中的應用[J].計算機教育，2015，（17）：103-106.

[3]杜樹春.基于Proteus和Keil的單片機設計與仿真[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4]邱少噯.Proteus仿真軟件在單片機教學中的應用[J].電子制作，2014，（1）：120-121.