正确看待Proteus软件在单片机课程教学中的应用

张绍荣

(桂林航天工业学院 电子信息与自动化学院,广西 桂林 541004)

单片机课程是电子类专业的必修课，在专业学习中起着非常重要的作用[1-2]。为了较好地弥补传统教学方法中的不足，很多老师把Proteus仿真软件引入单片机教学当中，取得了很好的效果[3-6]。然而，在使用这款软件时，也存在一些问题和误区。本文主要探讨如何正确地把Proteus软件应用于单片机课程教学中，以便取得良好的教学效果，提高教学质量。

1 使用中存在的问题和误区

Proteus仿真软件是辅助教学的一款很好的EDA工具，但是使用不当也可能适得其反，得不到很好的效果。以下指出了Proteus在教学过程使用中存在的一些问题和误区。

1.1 使用方式不当

一些老师比较推崇项目教学方法[7]，讲授单片机课程时，一开始就使用Proteus绘制电路图和仿真，学生没有学习相关的理论知识，根本没有接受的基础，如此并不能取得很好的效果。传统的课程教授必不可少，Proteus仿真应该在此基础上实现对知识的一种直观生动的呈现，帮助学生更好理解单片机工作原理和相应的知识点。Proteus的实例演示会使得学生有感观认识，更容易理解和接受，但前提是学生知道讲的知识点是什么，然后才能进一步明白为什么是这样。

1.2 过多依赖

为节约硬件教学成本，在课内实验或者课程设计中全部使用Proteus软件取代传统的教学模式，过多地依赖软件[8]。

要清楚的是，仿真的电路跟实际电路还是存在很大差距的。例如，Proteus在使用单片机进行仿真时，设计电路图P0口不加上拉电阻也能正常工作(P0口是开漏输出，实际电路必须加上拉电阻)，数码管显示也不考虑电流驱动的问题等等。但是这些在实际电路中往往是非常关键的，而且是必需的。如果一味地强调仿真，就会忽略一些实践过程中要考虑的实际问题，把学生引入一种理所当然的误区。

在指导学生使用单片机进行课程设计时，发现一些学生做的数码管显示电路因为不做电流驱动电路导致数码管亮度不够，白天基本看不到显示。学生觉得没有错，因为仿真是正确的；但他没有考虑实际过程中数码管电流驱动的问题。类似这类问题很多，因此我们要恰当地使用仿真软件，而不是过多地依赖，甚至颠倒主次，认为Proteus仿真软件能取代一切。

2 Proteus仿真软件的正确使用

Proteus仿真软件是项目教学或者实例教学的一种具体实现形式。应该把它当作课程教学的一种辅助工具[8-10]，提高课堂质量和教学效率的一种方法和手段，同时也是课外学习的有效途径。

2.1 理论教学

1)理论形象化。

单片机的课程教学如果只讲述理论知识，特别是前面几章内部结构、时钟时序、指令和寻址，比较枯燥烦闷。学生没有直观和感性的认识，学习的兴趣和积极性不高。Proteus仿真软件有丰富的色点、图表以及相关的辅助仪器，可以指示系统的整个执行过程，观察单片机内部寄存器、变量等的变化[11-12]。Proteus的演示教学，显得直观生动，学生易于接受，而不再是老师的填鸭式教学和学生的抗拒式接受，学生可以自己在课后对存在疑惑的知识点通过软件进行仿真验证。有效地改善了课堂教学效果，提高了教学质量。

2)知识实例化。

单片机课程其实是一门实用性和应用性很强的课程，学生如果真正接受和进入之后会产生很大兴趣，因为使用单片机可以做很多实用的设计，比如说电子琴、万年历、心形流水灯等，那些平时看起来高大上的电子产品，自己也可以制作和设计了，这是一件非常让人激动的事情。学生最反感的是学而无用的东西，一味地理论教学会使学生失去学习的动力和激情，Proteus从应用的角度把课程知识点融入每一个项目实例中，使学生能及时感受到所学知识的应用价值，激发学习的兴趣，端正学习的态度。在理论教学的基础上，引入Proteus仿真演示，针对每一个知识点，开发一个小实验，让学生明确地知道每个知识点的重要性，这样才能引起学生的重视，激发学习的热情。

2.2 课内实验

1)预习实验。

传统的实验预习，学生只是看一下实验指导书，因为缺少实物没有真正动手去试验验证，对一些知识点和工作原理理解模糊，预习效果并不好。使用Proteus软件可以先进行模拟验证，建立感性认识，了解实验系统的结构和工作原理。自己搭建电路图，编写程序，熟悉软件编程开发过程。程序验证无误之后，在实验室真正进行实验时，主要考虑硬件问题，进一步理解硬件组成和工作原理。如此，实验的时间充足，同时对实验的理解会更加深刻全面。避免出现实验时间不够、复制拷贝实验程序、只懂结果不知过程等现象。

2)扩展学习。

使用Proteus软件可以克服现有实验资源有限的困难，可以利用课外时间自主完成更多的实验设计，实现自己的想法，做出新的设计，加深对单片机系统的学习。

首先，学校使用的单片机实验箱或者开发学习板只能局限于实验室用，而且课内实验安排的时间比较少；同时实验室开放时间有限，学生课外如果想自主完成更多感兴趣的实验比较困难。其次，由于51单片机学习入门比较容易，所以高校单片机课程所使用的实验箱很多都是基于51单片机，但是在公司企业中大多数使用功能更加强大的单片机，如AVR、PIC等，学生如果毕业只会51单片机系统的开发使用，并不能胜任工作的要求。使用Proteus软件，以上问题都可以得到解决。Proteus提供了大量的仿真元件和设备，包括各种系列的单片机、常用逻辑电路和调试工具，用户只需一台电脑就可以完成课外的扩展学习。

2.3 课程设计

1)方案验证。

在拿到课程设计题目时，通常要根据题目的任务要求选择方案，并进行芯片选型。在方案设计时，需考虑方案的可行性，对一些不确定的电路或者程序需要验证其正确性。没有仿真就做实物电路，如果方案错误，就会浪费时间和硬件成本。使用Proteus软件进行仿真验证，可代替以上步骤，减少设计的周期和节约硬件成本。

2)程序验证。

由于学生没有工程设计经验，在设计电路和程序编程方面，出错的情况在所难免。很多学生照着别人的方案和电路，参考别人的程序，把电路板做出来，程序下载进去，发现没有结果或者结果不对，完全愣住了，在遇到问题后束手无措，不知道是硬件问题还是软件问题，不懂进行软硬件和系统的调试。这时，可以用Proteus进行仿真验证，首先验证是否是程序问题。因为在仿真软件里面，只要连接正确，硬件一般没问题；在实际设计和焊接电路中，要考虑电路是否有短路、断路、虚焊、接触不良等各种情况。使用Proteus软件排除了硬件的问题，使得学生专注于程序的设计问题，程序验证无误后再去解决硬件问题。如此，可使问题得以解决。

3 Proteus软件使用的局限性

通过以上论述，Proteus仿真软件确实对教师的教学和学生的学习起到了很大的帮助。但是仿真软件本身具有局限性，虚拟仿真实验不可能代替实物实验。因此，要正确使用仿真软件，应该明确其局限性。

3.1 环境理想化

虚拟仿真实验学生可以任意的设计电路，即便电路中短路或者电源反接也没问题，软件运行时会报错提醒。但是在实际环境中就不可能这样了，学生在做电路设计、硬件调试、电路连接时都必须考虑一些实际的问题，比如上电前要检查电路是否短路，电源是否连接正确等等。所以虚拟仿真只能是一种辅助教学，而不能代替传统教学。

3.2 创新思想受限

Proteus仿真软件只能局限于软件已有的器件做设计，方案选择分析受到限制。Proteus仿真软件只集成了一些基本的器件，只能做一些简单系统设计，对于复杂的系统就显得无能为力。因此，Proteus只能帮助学生的单片机的入门学习，学生真正掌握之后，基本脱离了仿真软件的使用，即使使用也是做一些简单的模块验证，而不会依赖于Proteus进行方案的选择和验证。实际上，教师在科研项目中几乎用不着Proteus软件，实际解决的问题非常复杂，Proteus没办法做仿真设计。这时候，Proteus只能称得上是局部的仿真验证，而不可能是创新设计。

4 案例分析

通过一个设计项目阐述Proteus仿真软件使用的局限性，同时明确Proteus仿真软件在实验设计过程中的恰当使用。

设计任务：采集一个交流信号(正弦波、方波、三角波)的峰峰值，最高频率为1 MHz，峰峰值为±10 V，精度达满量程的5‰。

在方案设计中，先使用AD637把交流信号转成直流电压，再使用AD7321(Protues软件集成有此AD芯片)采集直流电压，经过相应计算可得到信号的峰峰值，系统组成如图1所示。

图1 信号采集系统框图

由上所述，此系统不能使用Proteus仿真软件自带的元件全部完成。因此，在芯片选型和方案设计时不可过多地依赖于仿真软件，而应该根据系统的任务要求和性能指标选择合适的方案和芯片。如果过多依赖仿真软件，学生在方案设计中的创新思想将受到限制。这就是仿真软件的局限性。

然而，Proteus仿真软件在辅助系统实现时却取到良好的效果。单片机对按键的检测、液晶显示、AD编程控制，都可以在虚拟仿真中完成，可验证模块程序的正确性，而不必考虑硬件电路的问题(比如实际电路的短路和断路等)。

由此可得到一个明确的结论，Proteus仿真软件是一种非常有效的课程教学和项目设计的辅助工具，以及学生自主学习的实践平台；但是不可过多依赖，只可作为学习和设计验证的辅助手段。

5 结束语

本文主要分析了Proteus仿真软件在使用中存在的一些问题和误区。针对单片机的三个教学环节，即理论教学、课内实验、课程设计，论述Proteus仿真软件在各个教学环节的使用。同时指出应正确使用Proteus软件，了解其局限性；应把它作为一种辅助的学习工具，而不能过多依赖或者用其取代传统的教学模式。仿真并不能代表现实中的一切，否则，在实际单片机应用开发中会遇到很多问题。