Proteus仿真軟件在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中的應(yīng)用

劉青+任曉芳

摘 要 針對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中學(xué)生感到難學(xué)、教師感到難教的現(xiàn)狀，將Proteus仿真軟件引入單片機(jī)課堂教學(xué)中，使課堂教學(xué)過(guò)程和Proteus仿真技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐教學(xué)一體化，經(jīng)過(guò)實(shí)際教學(xué)實(shí)踐，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)；Proteus；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）20-0052-03

Abstract The simulation experiment is done during the class consi-dering present status and problems in the teaching of the Principle and application of single chip microcomputer major. The demonstra-tion of Proteus simulation experiment can make the students further understand and master the contents they learned from the class. Themethod putting the teaching theories into practice， it is proved throughpractice that effects of teaching can be improved by this means.

Key words MCU； Proteus； simulation

1 前言

單片機(jī)原理及應(yīng)用是電氣工程類(lèi)、電信類(lèi)和機(jī)電類(lèi)等專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，也是學(xué)生參加大學(xué)生電子競(jìng)賽和進(jìn)行科技創(chuàng)新活動(dòng)必須熟練掌握的一門(mén)課程。單片機(jī)課程具有理論知識(shí)體系嚴(yán)謹(jǐn)，抽象和邏輯性強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，單片機(jī)的學(xué)習(xí)需要硬件和軟件相結(jié)合進(jìn)行。多年的教學(xué)實(shí)踐使筆者深感單片機(jī)原理及應(yīng)用既難教又難學(xué)，教學(xué)效果一直不太理想，主要有以下幾項(xiàng)原因。

1）教學(xué)模式采用傳統(tǒng)的先基礎(chǔ)后應(yīng)用模式，學(xué)理論時(shí)學(xué)生感覺(jué)枯燥無(wú)味，學(xué)習(xí)積極性不高，同時(shí)有畏難情緒。

2）單片機(jī)的學(xué)習(xí)需要理論和實(shí)踐相結(jié)合，而目前蘭州工業(yè)學(xué)院的單片機(jī)教學(xué)則是實(shí)踐環(huán)節(jié)和理論教學(xué)環(huán)節(jié)相脫節(jié)。蘭州工業(yè)學(xué)院的單片機(jī)原理及應(yīng)用這門(mén)課程的教學(xué)主要包括課堂理論教學(xué)環(huán)節(jié)、課外實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。理論教學(xué)主要介紹單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、軟件指令編程、硬件資源的使用以及和外圍接口芯片的應(yīng)用等，實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)箱所提供的硬件資源來(lái)設(shè)計(jì)能完成一定功能的程序或驗(yàn)證一些程序的運(yùn)行結(jié)果，課程設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)等環(huán)節(jié)又在課程結(jié)束后進(jìn)行。由于學(xué)生在理論教學(xué)時(shí)只聽(tīng)到教師在講解每段程序，不能及時(shí)觀察到程序運(yùn)行的結(jié)果，很難理解和掌握；而做實(shí)驗(yàn)時(shí)，只是按部就班，也談不上靈活應(yīng)用，致使學(xué)生容易對(duì)該課程學(xué)習(xí)缺乏興趣。

3）由于受到硬件資源的限制，學(xué)生動(dòng)手訓(xùn)練太少。單片機(jī)的課程設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)等環(huán)節(jié)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次系統(tǒng)綜合應(yīng)用，但是由于受硬件資源的限制，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)計(jì)的硬件電路有些不能在實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的程序不能觀察到運(yùn)行的結(jié)果，學(xué)生容易失去繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。

為增強(qiáng)單片機(jī)課程的教學(xué)效果，在單片機(jī)課程教學(xué)中，結(jié)合重點(diǎn)、難點(diǎn)，適當(dāng)將Proteus仿真技術(shù)引入課堂。Proteus仿真技術(shù)可動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬程序在硬件元器件（如顯示、按鍵、電機(jī)等）運(yùn)行的狀態(tài)和結(jié)果，有利于形象化教學(xué)，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果；有利于開(kāi)闊學(xué)生的視野，讓學(xué)生了解單片機(jī)的發(fā)展和新技術(shù)的應(yīng)用；有利于培養(yǎng)學(xué)生的編程能力和仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，建立科學(xué)的分析設(shè)計(jì)理念；有利于提高學(xué)生的科學(xué)探索能力和自主創(chuàng)新能力。同時(shí)，以往在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的單片機(jī)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，如單片機(jī)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)，都可以在Proteus軟件中進(jìn)行仿真。Proteus就相當(dāng)于一個(gè)可以移動(dòng)的、功能非常強(qiáng)大的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的平臺(tái)。

2 Proteus簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

Proteus軟件是由英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的世界上著名的EDA工具（仿真軟件）。Proteus從原理圖分布、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)[1]。它運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真等功能，目前支持的單片機(jī)類(lèi)型有MCS-51系列、DSP

系列、Arm系列等[2]。Proteus軟件有以下特點(diǎn)。

1）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能：Proteus自帶35 000多種電子元器件，并且提供總線器件和總線布線，方便使用者繪圖。

2）具有完善的電路仿真功能：Proteus可提供常見(jiàn)的激勵(lì)源，如直流信號(hào)、脈沖信號(hào)、正弦信號(hào)、分段線性脈沖、音頻等，并可以設(shè)定和改變性能參數(shù)；可提供多種儀器儀表的仿真，在虛擬面板上進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，如交直流電壓/電流表、示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。

3）單片機(jī)協(xié)同仿真功能：Proteus支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真，包括68000系列、8051系列、AVR系列、PIC系列、ARM系列等；支持字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點(diǎn)陣、LED七段顯示模塊、鍵盤(pán)/按鍵等通用外設(shè)模型[3]。

4）提供軟件調(diào)試功能：Proteus軟件可對(duì)8051、PIC、AVR等單片機(jī)進(jìn)行匯編語(yǔ)言調(diào)試，同時(shí)支持Keil等第三方的軟件編譯和調(diào)試。

5）強(qiáng)大的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)：Proteus具有PCB的自動(dòng)布局/布線功能和原理圖到PCB的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，為電路的硬件實(shí)現(xiàn)提供方便，并支持多種輸出格式。

3 Proteus仿真在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中的應(yīng)用

在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中，LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)在課堂講授時(shí)，因?yàn)閷W(xué)生沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，教師的各種理論分析使學(xué)生感到煩躁，失去興趣。如果利用仿真電路來(lái)展示程序在單步執(zhí)行和全速執(zhí)行時(shí)LED數(shù)碼管所顯示的狀態(tài)，將有助于激發(fā)學(xué)生的興趣并加深理解。下面以LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)為例，說(shuō)明Proteus仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。

運(yùn)行Proteus的ISIS程序，進(jìn)入仿真軟件的主界面，點(diǎn)擊Library選擇Pick Device/Symbol以打開(kāi)元件庫(kù)，將電路所需的元件添加到對(duì)象選擇器窗口，在圖形編輯窗口將各個(gè)元器件按設(shè)計(jì)原理圖放置并連線。利用Keil編譯器或文本文檔編寫(xiě)相應(yīng)程序，生成.ASM文件，在主菜單欄點(diǎn)擊source菜單，選擇Add，添加源程序.ASM文件，再選擇Builled All進(jìn)行編譯，編譯無(wú)誤后生成.hex文件，并加載到51芯片中。最后點(diǎn)擊菜單Debug→Execute或按Play鍵進(jìn)行電路仿真。LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示原理圖及仿真結(jié)果如圖1所示[4]。

在本例中，將要顯示的數(shù)據(jù)的顯示碼從P0口送出，位選信號(hào)從P2.0—P2.3送出，教學(xué)中先讓學(xué)生觀察全速執(zhí)行和單步執(zhí)行時(shí)的顯示結(jié)果，再結(jié)合程序進(jìn)行單步演示，并引導(dǎo)學(xué)生實(shí)時(shí)觀察P0寄存器（80H）和P2寄存器（A0H）的值，如圖2所示。此時(shí)P0寄存器或P0寄存器物理地址80H的值均為2的共陰極字形碼值5BH，P2寄存器或P2寄存器物理地址A0H的值均為FDH，目的是使P2.1引腳輸出為0，其余位為1，從而使2能在指定位點(diǎn)亮。通過(guò)觀察，使學(xué)生看到段選碼信號(hào)和位選碼信號(hào)的配合輸出，有了感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)增加了學(xué)生對(duì)動(dòng)態(tài)顯示的程序的理解，活躍了課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到事半功倍的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐證明，將仿真軟件引入單片機(jī)的課堂教學(xué)中，可以把抽象的理論知識(shí)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)形象化，使學(xué)生對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)從不愿學(xué)、學(xué)不懂到喜歡學(xué)、容易學(xué)。同時(shí)，Proteus軟件中有很多實(shí)際中不易接觸到的儀器，可以很方便地從軟件中選用，不受硬件資源的限制，能夠增強(qiáng)課堂教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性，加深學(xué)生對(duì)概念、原理、編程思路的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，從而提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]張文梅，黃曉紅，崔楠.仿真技術(shù)在電類(lèi)課程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（2）：42-46.

[2]喬建華，李臨生，田啟川.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008（3）：70-73.

[3]董紅生，秦雯，劉青，等.Proteus虛擬仿真在單片機(jī)綜合實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2015（2）：152-154.

[4]朱一綸.智能儀表基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.