基于Proteus和Keil的单片机实验室建设

刘娜(辽宁机电职业技术学院信息工程系　辽宁丹东　118009)



基于Proteus和Keil的单片机实验室建设

刘娜
(辽宁机电职业技术学院信息工程系辽宁丹东118009)

摘要:单片机由于其应用广泛，已经成为机电类学校必开的专业课。很多学校单片机实验室是计算机+实验箱的模式，这种实验室存在诸多弊端，如实验设备为成品，学生很难参与硬件设计。实验设备陈旧，无法更新型号及外围器件，与企业的电子产品也严重脱节。资金投入少导致实验设备不足，设备损耗大，维护工作量大等缺点。尝试使用Proteus和Keil软件建设单片机仿真实验室，可以解决传统单片机实验室存在的问题，大大改善实验环境，提高学生实践能力和兴趣。

关键词:Proteus;Keil;单片机实验室

0　引言

传统的单片机教学模式是理论教学和实验教学相结合，但限于实验室条件，教学以理论为主。且由于实验设备陈旧，学生无法亲手构建硬件电路，只是做一些实验性的验证，教学效果不够理想。为解决这些问题，可以将传统的单片机实验室改造成单片机仿真实验室。通过安装Proteus和Keil软件，使用Proteus设计实验箱及电子产品的仿真电路，再通过Keil中调试程序来控制仿真电路板，在仿真电路上观察最终结果程序调试报告。仿真实验箱可以随时更新，仿真实例形象直观，设备零耗材，维护量也较小。通过在单片机仿真实验室进行一体化教学，学生可以按要求自己构思电路，再结合与仿真功能一样的电子产品实物，不仅解决了资金和设备的限制，还充分发挥了学生的能动性、积极性与创造性［1］。

1　实验室的硬件环境及配置

1.1计算机硬件环境要求

Windows计算机40台+linux服务器，安装Proteus软件和Keil软件，使用多媒体授课。实验室平面图如图1所示。图中服务器可以是双系统(Windows Linux)，学生端的实验平台可以在Windows环境中安装Proteus和Keil软件。除了计算机，传统单片机实验箱可以用Proteus设计的仿真电路代替。还可以设计一些电子产品的仿真电路，每种电子产品做出一二个实物。实验室的仿真电路部分有仿真实验箱、仿真电子产品、学生构建的测试小电路三种类型组成。

图1　实验室平面图

1.2Proteus仿真软件

Proteus是英国Lab Center Electronics公司出版的著名EDA工具软件(仿真软件)，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。它不仅能仿真模拟、数字电路以及模数混合电路，还能仿真基于单片机的电子仿真系统。支持8051、AVR、PIC、ARM、8086和MSP430等多种处理器模型，2010年又增加了Cortex 和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，与第三方集成开发环境IAR、Keil 和MPLAB等多种编译器无缝集成。Proteus提供的模拟、数字、交(直)流等元器件达30多个元件库，使用者也可依照需要自己创建，支持多样的虚拟仪器、强大的图表分析功能，已被公认为电类教学与实验的巨大资源。主要包括以下几个步骤，从原理图布图、电路设计、电路分析与仿真、单片机与外围电路协同调试与仿真，到系统测试与功能验证，形成PCB板图，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

1.3仿真实验箱

仿真实验箱由教师开课前画好，留给学生做单片机实训项目时使用，原理图如图2所示。仿真实验箱包括STC89C52单片机、时钟电路、复位电路、电源电路、LED显示电路、LCD显示电路、发光二极管电路、键盘输入电路、串口电路、USB接口电路、测温电路和万年历芯片电路等，基本概括了单片机及其他外围的所有典型电路。仿真实验箱的实物是单片机实验板设备，印制版图如图3所示。

图2　仿真实验箱原理图

1.4仿真电子产品

第二类为仿真电子产品硬件图，如万年历、交通灯、抢答器、秒表、温控器、电梯数字显示屏、工件计数器、电子记分牌和篮球比赛24秒倒计时器等。每种电子产品都有成品，上课时学生在仿真电路上调试产品，并将程序写到电子产品中，可以将仿真电子产品和实物进行对照学习。以万年历电子产品为例，它的仿真原理图如图4所示。产品外形如图5所示。

图3　仿真实验箱印制板图

图4　万年历电路图

图5　万年历产品外形

1.5学生构建的测试小电路

在课堂上，根据需要由学生随时构建项目测试电路，如跑马灯测试电路、LED静态显示电路、LED动态显示电路和键盘输入电路等。以LED动态显示电路为例，仿真电路图如图6所示。

图6　LED动态显示电路

2　单片机课程设置

2.1课程内容设置

当所有硬件条件和仿真电路环境都具备了，单片机的所有课程，包括理论课、实训课就都可以在单片机实验室以理实一体的方式进行授课。课程内容和实训内容可以根据技术的发展随时更新，平时也不再需要花费更多精力去维护实验箱设备。全部采用项目引导、任务驱动方式进行授课［3］，教师喜欢教，学生喜欢学，讲练结合，教学效果将更佳。单片机课程项目主要内容如表1所示。

表1　单片机课程项目内容

2.2编译调试软件Keil

Keil是美国Keil Software公司为51系列兼容单片机出品的软件开发系统。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过集成开发环境(μVision)将这些部分组合在一起。

2.3Keil和Proteus的联调

王燕茹：我其实还没想好以后干什么，但找一份工作应该可以的，现在也没谈恋爱，这个事情没了结再找对象也是不负责的，我不会因为上一份感情受到伤害就封闭自我了，还是很想好好生活的。比如我有些抑郁，之后都会去找医生调养，现在就等这件事情结束了。

在Keil编译程序，调试Proteus中的电路，模仿现实中的硬件仿真器。

初次使用要进行设置，假若KeilC与Proteus已正确安装在C盘里。一定要把Keil控制Proteus的驱动程序VDM51.dll复制到KeilCC51BIN目录中。

然后编辑KeilcC51TOOLS.INI文件，在［C51］栏目下加入:TDRV5=BINVDM51.DLL(“Proteus VSM Monitor-51 Driver”)其中“TDRV5”中的“5”，不要和原来的重复。

进入Keil μVision2开发集成环境，创建一个新项目(Project)，并为该项目选定合适的单片机CPU器件(如:Atmel的AT89C51)，并为该项目新建源程序，加入到该工程中。

在Keil设计调试中为硬件仿真，选择“Proteus VSM Monitor-51Driver”。在Proteus中设置“使用远程调试监控”。在Keil的程序运行时，就能看到硬件仿真电路的变化情况［4］。

3　实例分析

下文以数字温度计程序设计的项目为例，介绍如何在单片机仿真实验室中进行教学。

3.1项目设计内容

3.2项目导入

独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要接信号处理电路，且热敏电阻的可靠性较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。而今电子技术和微型计算机的迅速发展，采用单片机进行温度检测、数值显示和数据的传送，具有效率高、性能稳定等优点，还可以实现实时实地控制等技术要求。

3.3核心器件简介

DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易兼容微处理器等优点，可直接将温度传感器转化成串行数字信号供处理器处理。

主要特点有:单线接口方式、总线可以挂多个DS18B20、测温范围-55°C～+125°C、可实现高精度测温、直接输出数字温度信号和有负压特性等。

3.4学生设计仿真电路图

讲解DS18B20的典型电路图，由学生设计仿真电路，教师负责检查指导，然后可以给出参考电路图，如图7所示。

图7　数字温度计程序设计电路图

3.5软件设计

进入Keil环境，创建项目，新项目命名temp.uv2保存。器件选择ATMEL公司的AT89C51。新建源文件，保存为temp.c，接着需要将该文件添加到项目中。设置文件属性，使用仿真电路板调试(Proteus VSM Monitor-51 Driver)，写入源程序。编译没有错误后，调试控制。程序正确显示为27°C。测试程序正确后，可以选取一个学生的正确答案，让学生写程序到数字温度计产品中，让学生对数字温度计产品和仿真电路之间的结果进行对比［5］。

4　结束语

结合Proteus和Keil软件建立单片机虚拟仿真实验室，弥补了实验箱陈旧和元件缺乏带来的问题，做到了零原材料损耗，设备维护量极小。学生可以根据要求，从简单到复杂，自行按要求设计多样化的电子产品，完全按企业流程熟悉智能电子产品的开发过程，加深对“单片机电子产品开发系统”概念的认识。此外，在此环境中进行单片机课程教学，有效地改善了课程的教学条件，激发了学生学习兴趣和创新思维，提高了学生的实践能力。在具体实施时，教师可以根据专业培养目标和学生情况，选择不同的电子产品，也可根据需要自行开发项目。

参考文献:

［1］彭小峰，雷李，张里.基于Proteus和Keil的整合构建单片机虚拟实验［J］.重庆理工大学学报(自然科学版)，2007(4):67-75.

［2］李昌，许裕华，祝常红.基于虚拟实验软件的高职单片机教学改革［J］.中国教育信息化，2013(24):34-36.

［3］陈红卫，邓红，袁伟.基于Proteus的微机接口仿真实验及其应用［J］.中国教育信息化，2012(7):79-82.

［4］王建春.单片机课程与实验相结合的一体化教学实践［J］.科教文汇(上旬刊)，2014(10):80-81.

Construction of SCM Laboratory Based on Proteus and Keil

LIU Na
(Information Department，Liaoning Mechatronics College，Dandong 118009，China)

Abstract:SCM has been widely used in many areas，and it has become a professional course of mechanical and electrical school.The model of many school＇s SCM Laboratory is computer+test box，which has many drawbacks.For example，experimental equipment is finished product，it is difficult for students to participate in hardware design，experimental equipment are outdated，and there is a lack of financial investment.The use of Proteus and Keil software could help build a simulation laboratory，which could solve problems of traditional model of SCM Laboratory，greatly improve experimental environment and students＇practical ability and interest.

Key words:Proteus;Keil;SCM Laboratory

作者简介:刘娜(1967-)，女，副教授，硕士，主要研究方向:计算机、单片机、嵌入式技术研究及教学

基金项目:辽宁机电职业技术学院2015院级教研课题(JYLX2015005)

收稿日期:2015-11-16

中图分类号:TP 273

文献标志码:A

文章编号:1672-2434(2016)01-0024-05