Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用

吴叶兰 段振刚 乔继红 苏维均

摘要:Proteus仿真软件为单片机实验教学提出一条仿真教学的新思路。本文通过实例介绍采用Proteus的仿真设计,给出硬件原理图、软件流程图和运行结果。实验结果证明,与传统方法相比,Proteus仿真形象直观,节约成本,适合单片机课程教学。

关键词:Proteus软件;仿真软件;单片机实验

中图分类号:G642 文献标识码:A

“单片机原理与应用课程”是电气与自动化、电子技术和信息工程等专业的主干专业课,是一门实践性很强的课程,其实践教学占有重要地位。目前,单片机的实验大多在现成的实验箱上完成,由于这些实验设备昂贵,维护工作量大,学生除上课外,平时很难有机会实践;而要想使学生学习好本课程,又必须给他们提供相应的软硬件环境,这就形成了矛盾。Proteus仿真软件正好可以解决这一矛盾。它用软件方式来模拟硬件系统,提供了丰富的元件库,支持汇编语言和C语言,学生不需要硬件支持就能在计算机上模拟单片机实验,解决了设备场地等问题,降低了实验成本,为学生自主实验提供了条件。

应用Proteus仿真软件可以使单片机课程的实践教学和理论教学完全同步,调动学生学习本课程的积极性,有利于教学质量的提高。本文论述了以Proteus为核心的单片机课程仿真实验的设计。

1Proteus仿真软件简介

Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件。和同类软件相比,Proteus更易操作,功能更强大。该软件的特点是集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真等。提供了大量的仿真元件和设备,包括各种单片机、常用逻辑电路和调试工具。如示波器、逻辑分析仪、串口终端、信号发生器等各种测试仪器;模拟仪表、数字仪表、噪声与失真信号显示器等各种显示设备;示波器、逻辑分析仪、信号发生器等各种虚拟仪器。

支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有:68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、ARM7等。

提供软件调试功能。支持第三方的软件编译和调试环境,如Keil C51 uVision2 等软件。具有强大的原理图绘制功能。

2Proteus软件仿真实验的特点

现有的单片机实验教学环节通常包括两个部分:课内实验和课程设计。其中课内实验设计为10个左右,主要包括:基本的指令系统实验,汇编程序设计实验,定时/计数器实验,中断实验,基本I/O口实验,并口扩展实验,串口实验,键盘和LED显示实验,A/D和D/A实验等,所有这些实验都是在51实验箱上完成。

由于硬件实验箱的结构固定,资源有限,学生在做实验时虽然可以直观的看到各种元器件,并能做一些连线,但对单片机的系统设计没有概念,无法将所学的知识融会贯通。所以到课程设计阶段,很多学生无法完成综合性实验。采用Proteus软件仿真可以弥补硬件实验的不足。首先,以上所有硬件实验都可以事先在Proteus仿真软件上完成。由于仿真需要学生完成原理图的设计,所以该过程可以帮助学生建立起系统的概念,为综合设计做准备。其次,在Proteus仿真软件实验的设计中,很多模块的设计具有共性,学生在完成一个实验设计后,往往能举一反三进行类似的设计,把重点放在新模块的设计上,缩短了实验周期。第三,Proteus提供了丰富的仿真工具,包括探针、多种激励源、虚拟仪器和曲线图表等,这是硬件实验箱所不具备的,丰富了学生使用虚拟仪器和图表分析的知识。表1列出了Proteus仿真软件在设计一些典型实验时的相同和不同之处。

3单片机实验Proteus仿真设计

下面通过实例说明如何使用Proteus实现单片机实验的设计与仿真。

3.1实现功能

设计一个电子密码锁。要求实现单片机最小系统;输入接口有0～9数字键、ENTER键、删除键;输出接口有8位数码管构成显示电路,蜂鸣器输出报警信息。

初始状态显示“PE”,输入最大6位数的密码。当密码输入完后,按下ENTER键,进行密码比较,并给出相应的提示信息。在输入密码过程中,显示器只显示“—”。当数字输入超过六个时,给出报警信息。在密码输入过程中,若输入错误,可以利用“CLR”键删除刚才输入的错误数字。若密码正确,则开锁,用LED放光二极管1s作为提示;若密码不正确,三秒内禁止按键,同时发出“嘀、嘀”报警声。

3.2电路设计

Proteus在绘制原理图时与PROTEL、EWB等软件相似,都要完成从软件包的器件库里取出所需的元件符号,在绘图区进行布局,编辑好元件的参数,连线并添加必要的网络标号等步骤。

3.2.1文件建立

按照设计要求,列出所需的元器件清单,如表2所示。根据清单,在绘图区进行布局,将元件库中的芯片模型添加进元件列表中,将所需的元件一一列出进行电路设计。

3.2.2硬件原理图

为了实现电子密码锁功能,从硬件设计上可分为CPU,复位电路,时钟电路,键盘输入模块和LED显示模块等部分。其硬件原理图如图1所示。

本设计中CPU采用的是AT89C51,其四个并口分别实现不同的功能。P0口是数据口,数据经74LS245驱动后接LED的8个段码;P2是地址口,分别与8个LED的位码相连;P3口做通用I/O口和键盘相连,其中P3.0～P3.3提供行线,P3.4～P3.7提供列线,共提供12个键码;P1口占用了2根I/O口线,P1.0输出一个开关量开锁,此处用发光二极管模拟;P1.7控制蜂鸣器,作为报警信号。时钟电路由XLAT1、XLAT2构成,晶振频率为12MHz。复位电路由RST生成。

数码管选用的是Proteus元件库中的标准数码管,是7段共阴蓝色数码管,其中段码接74LS245的输出端,高电平有效;位码接P2口,低电平有效。

3.3软件设计

程序总体结构采用的是查询方式,通过不断的查询键值输入来判断密码的正确与否。程序设计了12个键值,分别是0～9十个数字键,ENTER确认键,CLR清除键。程序初始化时要设置初始密码,之后就等待键的输入。如果首次输入的是CLR键或ENTER键,发出报警信息;每输入一个键,保存键值并左移一位;当6位键值输完,按ENTER键,进行密码比较,正确则P1.0输出一个高电平信号,错误则显示错误提示信息,并发出报警信号。流程如图2所示。

4仿真运行

程序编制完成后,可进行仿真运行。这里采用的是KEIL和Proteus的联合调用方式。方法是打开KEIL,调出工程文件,在PROJECT选项下打开Options for target,找到DEBUG选项,选中Proteus项,保证“use remote debug monitor”项被选中,然后编译调试程序。调试时可利用各种单步调试命令或断点命令执行源代码窗口的程序,并随时通过CPU的各种窗口,如寄存器、变量窗口等观察程序每指令执行是否正常。若有问题,可在源代码窗口中随时修改。

调试完成后运行程序,可看到密码锁的运行结果,如图3所示。当有键值输入时,LED显示密码“—”,输入正确时,发光二极管亮;输入错误时,LED显示错误信息并发出报警提示。

5结论

Proteus仿真软件为单片机课程实验的改革和创新提供了平台。它不存在原材料消耗和仪器件损坏等问题,丰富的元器件和仪器库等资源不仅可以帮助学生更快、更好地掌握单片机的基本概念和原理,也使学生的综合设计能力和创新能力得到了培养,这是传统实验教学无法做到的。相信Proteus仿真软件在教学中的广泛应用,会使单片机课程的教学质量上一个新台阶。本文的工作得到天津大学“本科实验教学改革与研究”项目的支持,在此表示感谢。

参考文献:

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[2] 袁锋伟,赵立宏,朱慧玲,等.基于Proteus的单片机课程教学与实验改革[J].实验室研究与探索,2007,26(12):75-78.

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[4] 李广弟,朱月秀,王秀山.单片机基础(修订本)[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2001.

The Application of Proteus Simulation Software in Single-chip Experiment Teaching

WU Ye-lan, DUAN Zhen-gang, QIAO Ji-hong, SU Wei-jun

(Computer & Information Engineering College, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Abstract: Proteus simulation software provides a new method of simulation teaching for single-chip experiments. The paper introduces a simulation design of 51 single-chip and its peripherals by Proteus. Hardware principal diagram、software flow chart and execution result are given. The test result shows that compared with traditional test method, Proteus simulation is live and intuitionist and cost saving. It suits to single-chip experiment teaching.

Key words: Proteus software; simulation software; single-chip experiment