基于Proteus仿真與實(shí)驗(yàn)板結(jié)合的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

高艷芬　蔡恒

摘要：針對目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，本文對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探討，提出在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中引入Proteus仿真軟件，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)板或者實(shí)驗(yàn)箱硬件平臺相結(jié)合的方法。以一個(gè)小燈亮滅為例，詳細(xì)介紹了Proteus軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。通過仿真實(shí)驗(yàn)與硬件相結(jié)合，這樣在一定程度上擺脫了傳統(tǒng)硬件條件的束縛和局限，加深了學(xué)生對單片機(jī)原理的理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)生興趣，提高了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；Proteus仿真；實(shí)驗(yàn)箱；一個(gè)小燈亮滅

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）41-0138-02

單片機(jī)原理及應(yīng)用這門課程是高校計(jì)算機(jī)、電子信息工程、通信工程、自動化等很多工科電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，學(xué)生初次學(xué)習(xí)往往感覺該課程難以理解，內(nèi)容枯燥。而傳統(tǒng)的單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要是依靠實(shí)驗(yàn)板或者實(shí)驗(yàn)箱這樣的硬件平臺完成，該實(shí)驗(yàn)平臺開展的大多是一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需要簡單地在實(shí)驗(yàn)箱上搭幾條線，或者簡單地下載幾條程序在實(shí)驗(yàn)箱上運(yùn)行觀察結(jié)果即可，這樣學(xué)生不能夠真正地理解其中的原理，從而導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣下降[1]。另外，實(shí)驗(yàn)箱使用時(shí)間長，會存在損壞和接觸不良的現(xiàn)象，會影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，降低了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，影響了實(shí)驗(yàn)效果。而且，實(shí)驗(yàn)箱只存放在實(shí)驗(yàn)室里，如果學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有興趣，想繼續(xù)學(xué)習(xí)，又受到限制[2]。

一、Proteus仿真軟件及應(yīng)用

Proteus是Lab center Electronics公司于1989年推出，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)提供的功能強(qiáng)大的虛擬仿真工具。除具有模擬電路、數(shù)字電路的仿真功能外，最大特色是對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)連同程序運(yùn)行以及所有的外圍接口器件、外部測試儀器一起仿真。針對單片機(jī)的應(yīng)用，可直接在基于原理圖的虛擬模型上進(jìn)行編程，并實(shí)現(xiàn)源代碼級實(shí)時(shí)調(diào)試。用軟件手段對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真開發(fā)，與用戶樣機(jī)硬件無任何聯(lián)系，只需在PC機(jī)安裝Proteus，就可進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)、虛擬仿真與調(diào)試。

Proteus仿真軟件不僅節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，減少實(shí)驗(yàn)開支，而且“綠色”，“環(huán)保”，例如，制作PCB板，傳統(tǒng)的做法是先畫原理圖（電路圖），再布線，然后焊接，接著就是調(diào)試，如果調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)問題，那么就存在著重新布線，或者重新焊接問題，甚至有時(shí)候會因?yàn)槟硞€(gè)布線出錯(cuò)，導(dǎo)致整個(gè)板子作廢，需要重新設(shè)計(jì)一塊新電路板的后果。這樣，既造成浪費(fèi)，又因反反復(fù)復(fù)布線“污染”了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。而用Proteus仿真軟件模擬PCB板制作，就可以直接在proteus軟件上構(gòu)造設(shè)計(jì)PCB板，并可以將其反復(fù)調(diào)試，調(diào)試成功以后，再實(shí)際制作PCB板，這樣設(shè)計(jì)調(diào)試周期短，成功率高，也避免了器件浪費(fèi)。

（一）Proteus軟件與單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)不僅可將單片機(jī)實(shí)驗(yàn)功能形象化，也可將許多單片機(jī)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程形象化，達(dá)到實(shí)物演示的效果。該軟件具有各種常用仿真元器件庫，能夠提供實(shí)驗(yàn)所用的元器件，從而實(shí)現(xiàn)仿真電路與傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬件電路高度對應(yīng)[1]，學(xué)生通過親自動手，用導(dǎo)線將元器件按正確的方向連接起來，加深其對相關(guān)電路知識的理解，也加深了對單片機(jī)元器件功能的了解，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣。利用Proteus仿真軟件進(jìn)行單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容廣泛、硬件投入少、損耗小等優(yōu)勢。

（二）單片機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真應(yīng)用實(shí)例

Proteus可以將一些現(xiàn)象虛擬放大，實(shí)驗(yàn)者通過觀察現(xiàn)象，加深對理論的理解。以單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中控制一個(gè)小燈的亮滅為例，詳細(xì)介紹Proteus軟件的實(shí)驗(yàn)仿真過程。首先，繪制實(shí)驗(yàn)電路原理圖。打開Proteus ISIS軟件，ISIS（智能原理圖輸入）界面用來繪制單片機(jī)系統(tǒng)的電路原理圖，在該界面下，可進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的虛擬仿真。在元件庫中選擇所需元件，按照實(shí)驗(yàn)電路連接元器件，即完成了仿真電路圖的繪制，如圖1所示。

其次，進(jìn)行軟件調(diào)試及仿真。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常采用Keil軟件來完成軟件的調(diào)試。本實(shí)驗(yàn)采用匯編語言進(jìn)行程序的編寫，按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編制程序如下：

ORG 0000H

MOV P1，#00H

MOV P1，#01H

LJMP 0000H

編寫好源程序后，在Keil軟件中編譯，調(diào)試無誤，并通過編譯生成可執(zhí)行的“一個(gè)燈亮滅.hex”文件，以備仿真時(shí)調(diào)用。如圖2所示。

然后，介紹在protues ISIS軟件中如何調(diào)用源程序及仿真運(yùn)行。打開已經(jīng)繪制好的實(shí)驗(yàn)電路原理圖，選中單片機(jī)芯片AT89C51，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇“Edit Properties”屬性，出現(xiàn)編輯元器件對話框，在Program File選項(xiàng)中加載編譯好的“一個(gè)燈亮滅.hex”文件，其他選項(xiàng)可以設(shè)置為默認(rèn)，最后點(diǎn)擊“OK”完成設(shè)置。

接下來，就可以點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕進(jìn)入電路仿真運(yùn)行狀態(tài)，若程序無誤，且硬件電路連接正確，則會出現(xiàn)一個(gè)小黃燈亮滅交替的仿真運(yùn)行結(jié)果，其中，元器件引腳還會出現(xiàn)紅、藍(lán)兩色的方點(diǎn)（在微機(jī)顯示器上可分辨出顏色），來表示此時(shí)引腳電平高低。紅為高電平，藍(lán)表示低電平。

而實(shí)際上，因?yàn)槌绦蛑袥]有加延時(shí)子程序，小燈亮滅的速度非?？欤萌庋凼遣蹲讲坏叫糇兓?，因此，如果用單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板或者實(shí)驗(yàn)箱做此實(shí)驗(yàn)的話，看到的只是小燈保持一個(gè)滅的狀態(tài)不變的想象。

盡管Proteus具有開發(fā)效率高，不需要附加的硬件開發(fā)裝置成本，且在多數(shù)場合可以獲得和實(shí)際一樣的效果，但是需要注意的是，使用Proteus來對用戶系統(tǒng)仿真，是在理想的狀況下的仿真，對硬件電路的實(shí)時(shí)性還不能完全準(zhǔn)確地模擬，因此不能進(jìn)行用戶樣機(jī)硬件部分的診斷與實(shí)時(shí)在線仿真。而且，如果完全依靠仿真，學(xué)生獲得的感性認(rèn)識遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，基于實(shí)驗(yàn)板或者實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然是不可缺少的環(huán)節(jié)[3]。

二、仿真與實(shí)驗(yàn)板結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

通過proteus仿真軟件，打破時(shí)間限制，實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)有限，只靠課堂時(shí)間，學(xué)生很難完全掌握所學(xué)知識。通過Proteus軟件，只需要一臺電腦，學(xué)生就可以利用課余時(shí)間來設(shè)計(jì)電路，編程仿真。教師可以在實(shí)驗(yàn)課前讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容，用Proteus畫好原理圖，編好程序完成仿真，確認(rèn)軟件沒有問題。在實(shí)驗(yàn)課的時(shí)候，再在實(shí)驗(yàn)板或者實(shí)驗(yàn)箱上完成實(shí)際的操作。這樣軟硬件結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握得更透徹[2]。

在實(shí)驗(yàn)板或者實(shí)驗(yàn)箱實(shí)際操作過程中，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果不一樣，還能促進(jìn)學(xué)生找原因，例如，是實(shí)驗(yàn)箱接線不對呢，還是Proteus仿真不精確，亦或者是實(shí)驗(yàn)箱硬件部分有損壞等，這樣激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的興趣，加深了對單片機(jī)原理的認(rèn)識，提高了單片機(jī)的應(yīng)用水平。

三、結(jié)束語

將Proteus引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)板，不但彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的設(shè)備緊張、更新速度慢、元器件損耗大等不足，而且實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，使教學(xué)過程更加豐富且易于表達(dá)清楚，亦打破了時(shí)間和空間的限制，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。實(shí)踐證明，只有在教學(xué)中將現(xiàn)代化的手段和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式有機(jī)結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，才能達(dá)到事半功倍的效果[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱永濤，李明菜，高鳳梅.基于Proteus仿真軟件的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].科技信息，2011，（27）.

[2]常淑俊，黃杰勇.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11（2）.

[3]倫翠芬，張海峰.Proteus仿真與實(shí)驗(yàn)板結(jié)合的單片機(jī)教學(xué)[J].武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11（4）.

[4]朱震華.Proteus在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，（6）.