Proteus仿真在单片机综合实践教学中的应用探讨

董红生++秦雯++刘青++刘文莉++李慧玲

摘 要 探讨Proteus虚拟仿真技术在单片机综合实践教学中的应用。实践表明，在单片机综合实践教学中引入Proteus虚拟仿真技术，对于丰富单片机实践教学内容、增强实践教学效果及培养学生的工程应用与创新能力有很大促进作用。

关键词 单片机；综合实践；Proteus仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2015）02-0152-03

随着单片机技术在测控系统、智能仪表、机电一体化、机器人、家用电器等领域的广泛应用，社会对熟练使用单片机的人才需求量越来越大，使得单片机课程在高校教学中的地位显得越来越重要，已成为电子信息、计算机通信、电气工程、自动化、机电、数控等各工科专业大学生必须要掌握的一门基本技术，也是学生走向工作岗位所必须具备的重要技能。要学好单片机课程必须强化实践技能，尤其要重视单片机的课程设计、毕业设计等综合实践环节。单片机综合实践教学环节是面向工程、面向知识的综合应用能力培养的综合性、系统化的实践训练，这一实践环节实施的质量对于课程学习及学生实践技能和创新意识培养至关重要。

Proteus软件是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具，在国内推广应用后，受到从事单片机教学的教师和单片机应用系统研发人员的青睐[1]。将Proteus虚拟仿真技术应用于单片机综合实践教学中，对于增强学生学习单片机的兴趣，提高单片机应用开发能力及培养工程应用与创新能力有很大的促进作用，也是提升单片机综合实践教学质量最好的途径。

1 Proteus软件特点及虚拟仿真技术

Proteus是目前最先进、最完备的电子设计开发平台，由ISIS和ARES两部分组成。ISIS是电子线路仿真平台，能实现模电、数电、模/数混合电路、单片机及外围电路系统的设计与仿真；ARES是电子线路的PCB设计平台；支持PLM、汇编和C语言的程序设计。Proteus软件具有以下几个特点[2]。

1）原理图绘制功能强大：Proteus具有丰富的电子器件库，提供了超过35 000种元器件；具有自动连线功能，支持总线器件和总线布线，可输出高质量图纸等。

2）完善的电路仿真与精确分析功能：Proteus具有多样的输入激励源，如直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频等；具有多种虚拟仪器仪表，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、交直流电压/电流表等；仿真显示生动、直观；利用高级图形仿真功能可以精确分析电路的工作点、瞬态特性、频率特性、噪声及失真等多项指标。

3）单片机协同仿真功能：Proteus支持主流单片机系统的仿真，包括68000系列、8051系列、AVR系列、PIC系列、ARM系列等；支持字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键等通用外设模型。

4）提供软件调试功能：内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，同时支持第三方的软件编译和调试环境，如IAR、Keil等软件。

5）强大的PCB设计平台：Proteus具有先进的自动布局/布线功能和完整的PCB设计功能，可实现可视化3D预览，并支持多种输出格式。

计算机虚拟仿真技术具有设计灵活、结果与过程统一的特点，是许多工程前期设计的重要手段。基于Proteus软件的单片机系统仿真过程描述为：先在Proteus ISIS环境进行单片机系统硬件原理图编辑；然后利用Proteus的编译器或第三方编译软件（如Keil等）设计程序，编译后将目标代码文件（.HEX）加载到Proteus单片机模型；最后执行系统仿真和系统软硬件联合调试，观察仿真结果，验证设计电路的功能[3]。系统仿真的流程图如图1所示。

利用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，可以将许多单片机应用实例的功能和运行过程形象化，使学生对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，学习效率更高。

Proteus不仅提供了实验室无法相比的大量的元器件库和虚拟仪器仪表，而且在仿真环境下，Proteus可以灵活、高效地修改仿真电路的设计，这非常有助于培养学生独立思考、勇于创新的实践精神。另外，由于没有元器件损耗，实现实践教学的零成本，同时也可大大缩短设计时间、降低工程制造的风险，这些在传统的单片机实践教学中是无法做到的。

2 基于Proteus的单片机综合实践教学改革

单片机的综合实践教学是提高学生知识综合应用能力和实践技能的重要教学环节。由于设计题目、硬件配置及教学周数等客观原因，许多高校单片机综合实践教学环节只进行理论设计，这种纸上谈兵的综合实践教学根本达不到期望的教学目标。采用在单片机实验箱（或实验板）上进行单片机综合实践，由于实验箱可选择的实践项目有限，自身开发能力较弱，学生在有限的实践课时内，只能机械地按指导教师要求搭接电路、输入程序、编译运行、查看结果，很少去思考所实践项目的实现方法、设计原理，无法体现实践的自主性，对于提升学生单片机综合应用能力十分有限，也使学生对单片机综合实践教学失去兴趣，实践变成走过场，效果较差。

在单片机综合实践的设计阶段引入 Proteus虚拟仿真，学生可根据设计任务要求，在仿真环境下进行电路设计、程序编写及系统调试。仿真设计过程不需要任何成本，也不受时间和空间的限制，能充分发挥学生实践自主性，留给学生更多的思考空间，对于培养学生独立解决问题的能力有很大帮助。通过“理论设计—仿真验证—修改完善”的反复优化的仿真设计过程，学生可以获得性能优越、运行稳定的单片机应用系统。依据仿真结果再进行实物调试，其调试过程将变得游刃有余，不但大大缩短调试时间，而且能有更多精力去完善系统功能和思考系统改进的方案。因此，将Proteus虚拟仿真技术引入单片机综合实践教学环节，将使学生的设计结果更具说服力，极大地增强实践教学效果，提高学生单片机综合实践技能。endprint

笔者在实施“基于自主学习能力培养的仿真教学研究与实践”教学改革课题的研究过程中，改革了学生机械地跟从指导教师的传统单片机综合实践方式，采用虚拟仿真和实物调试相结合的方式，要求学生使用Proteus软件对所设计单片机应用系统进行仿真，仿真成功后再进行实物调试，从学生实践效果和所提交的设计报告来看，学生的实践主动性和实践兴趣大增，实践效果优化显著，以往千篇一律的设计报告已不存在了，很多学生提出不同的设计方案和实现方法，并都附有仿真结果。

学生普遍反映Proteus是其进行高质量综合实践活动最好的帮手，并自觉地将其应用于不同的学习活动中，如毕业设计、大学生电子竞赛、大学生“挑战杯”课外科技竞赛、课外科技活动等。对于熟练掌握Proteus仿真技术的学生，其所完成的有关单片机应用系统设计的毕业论文都附有完整的Proteus仿真结果，论文质量较高，在学院和全国大学生电子竞赛中其表现也十分突出。

3 Proteus在单片机综合实践中的应用实例

下面以单片机控制的篮球比赛30秒倒计时器设计为例，说明Proteus软件在单片机应用系统设计中的应用。系统功能与设计要求：

1）系统具有30 s的倒计时功能，计时间隔为1 s；

2）可记录A、B两队的进攻次数（30 s倒计时次数）；

3）可实现计时器的直接启动计数和暂停/继续计数功能；

4）通过按下复位键，计时器可随时返回初始状态（30 s）；

5）计时器递减计数到“00”时，自动跳回“30 s”停止工作，并发出报警信号。

运行Proteus的ISIS程序，进入仿真软件的主界面，点击Library选择Pick Device/Symbol以打开元件库，选择电路所需的元件并调整其相对位置，设置好元件参数，将各个元器件按设计原理图连线。利用Keil编译器编写相应程序，编译无误后生成.hex文件；鼠标右击AT89C51，在属性对话框，将生成的.hex文件加载到51芯片中。最后点击Play键进行电路仿真。

30秒倒计时器的仿真电路原理图及仿真结果如图2所示。

为减小硬件开销，提高系统可靠性和降低成本，30秒倒计时器采用动态扫描显示方式。在AT89C51的最小系统上扩展了一并行I/O接口芯片8155，8155的PA口和PC口分别经总线驱动（74LS240、74LS244）后连接四位共阴LED数码管。其中，PA口和LED的a、b、c、d、e、f、g、sp引线连接，输出相应字形码信号；LED各控制端和PB口相连，输出字位码信号；四个独立按键连接于PC口，分别表示A、B队时间、倒计时启动及暂停/继续控制。LED数码管显示的仿真结果前两位表示两队30 s倒计时的次数显示，后两位表示30 s倒计时时间显示。

4 结语

单片机应用系统的Proteus仿真设计实例表明，Proteus

是一个非常好的虚拟仿真实验平台，利用其提供的大量仿真元件模型，如LCD、RAM、ROM、键盘、马达、LED、AD/DA、SPI及I2C器件等，不但可以完全满足单片机综合实践教学任务设置的要求，方便地完成单片机软、硬件系统的仿真设计，而且使学生的实践学习更具有自主性和创造性，也为开展更深层次、更广领域的实践教学奠定了基础。

通过兰州工业学院自动化专业单片机原理及接口技术课程教学改革的实践表明，使用Proteus开发环境对学生开展单片机综合实践训练，一方面提高了学生学习单片机的兴趣和单片机系统设计效率，综合实践教学效果得到明显改善；另一方面，也克服了实验箱硬件电路固定、实践项目难于变动的局限，以及实验室硬件投入相对不足等问题。因此，可以说Proteus虚拟仿真技术为高校单片机课程综合实践教学改革提供了一条新的途径，笔者相信其应用前景会非常广阔。

参考文献

[1]周润景，蔡雨恬.PROTEUS入门实用教程[M].北京：机械工业出版社，2011：12.

[2]乔建华，李临生，田启川.Proteus在单片机教学中的应用分析[J].电气电子教学学报，2008（3）：70-73.

[3]杜鹏英，罗小平，江皓.基于Proteus软件的虚拟仿真技术在单片机系列课程中的应用[M]//2010 Third International

Conference on Education Technology and Training （ETT2010）.

2010（8）：476-478.endprint