基于Proteus的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

摘 要：傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)是在專門的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，其硬件設(shè)備昂貴和設(shè)備維護(hù)工作量大，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存在更新慢、與工程實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)等問(wèn)題。本文提出一種基于Proteus軟件構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的方案，并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例的分析，詳細(xì)闡述采用Proteus軟件仿真的特點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)開(kāi)發(fā)程序，建立仿真環(huán)境，通過(guò)合理地設(shè)置，虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，驗(yàn)證單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性。從而解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中硬件條件不足的問(wèn)題，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，縮短了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際應(yīng)用之間的差距。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)實(shí)驗(yàn)；Proteus軟件；仿真

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這門課是機(jī)電一體化、自動(dòng)化等專業(yè)的一門重要課程，具有理論性強(qiáng)、實(shí)踐性更強(qiáng)等特點(diǎn)。目前大多數(shù)高校都建立了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，基本上配備了實(shí)驗(yàn)箱等硬件仿真設(shè)備。但實(shí)驗(yàn)箱硬件電路固定、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較難改動(dòng)，很難適應(yīng)單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)開(kāi)發(fā)能力、創(chuàng)新能力等需求。利用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以在一定程度上彌補(bǔ)上述不足。隨著多媒體教學(xué)手段的不斷發(fā)展，仿真軟件得到了廣泛的應(yīng)用，Proteus軟件是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析（SPICE）各種模擬器件和集成電路。

1 基于Proteus的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

⑴實(shí)驗(yàn)內(nèi)容廣泛：利用Proteus軟件豐富的系統(tǒng)資源，可完成驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：①輸入輸出口實(shí)驗(yàn)；②中斷實(shí)驗(yàn)；③定時(shí)器實(shí)驗(yàn)等。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：①設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，完成時(shí)間的實(shí)時(shí)顯示；②設(shè)計(jì)16×16LED點(diǎn)陣的顯示電路；完成漢子的循環(huán)顯示等。綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：①溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；②步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)靈活，克服了單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定不變等方面的局限性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

⑵硬件投入少：在實(shí)際教學(xué)中，如果微控制器涉及到 51系列、PIC系列、AVR系列等，為保證教學(xué)的需要，必然要投入各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若需示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備，也必然要投入資金。若采用Proteus軟件則可仿真多種單片機(jī)，并可利用系統(tǒng)提供的虛擬儀表進(jìn)行分析，避免了上述問(wèn)題。

⑶實(shí)驗(yàn)過(guò)程中損耗小：在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，都涉及到因操作不當(dāng)而造成的元器件和儀器儀表的損毀，也涉及到儀器儀表等在工作時(shí)所造成的能源消耗。采用仿真軟件進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，基本沒(méi)有元器的損耗問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中是比較安全的。

（4）Proteus軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在計(jì)算機(jī)上自行設(shè)計(jì)所需實(shí)驗(yàn)，畫原理圖、編寫源代碼、反復(fù)調(diào)試，觀察結(jié)果，直到最終滿意為止。這樣可以節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)費(fèi)用，并且可大大提高學(xué)生的單片機(jī)應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力。

2 基于Proteus的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的配置方案

⑴虛擬仿真軟件的配置：選Proteus軟件仿真系統(tǒng)，在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室為每臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝一套該軟件，可彌補(bǔ)硬件設(shè)備的不足。

⑵編譯調(diào)試環(huán)境選用Keil C51 uVision3軟件：Keil C51 uVision3軟件集編輯、編譯和程序仿真于一體， 是當(dāng)前較為流行的軟件之一，該軟件支持多種匯編和C語(yǔ)言的編程，Proteus軟件支持Keil C51 uVision3聯(lián)合調(diào)試。

⑶基于Proteus的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)習(xí)網(wǎng)站：學(xué)生可在該網(wǎng)站上自主學(xué)習(xí)Keil C51 uVision3軟件的詳細(xì)使用方法，以及二者聯(lián)合調(diào)試的方法，并且給出了大量的實(shí)例，以視頻錄像的方式展現(xiàn)，便于學(xué)生學(xué)習(xí)。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面介紹一個(gè)集中斷、七段碼顯示和時(shí)鐘日歷芯片DS1302的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)以及調(diào)試方法。

3.1 繪制仿真電路的原理圖

啟動(dòng)Proteus軟件，在主窗口界面點(diǎn)擊窗口左側(cè)的元器件選擇區(qū)的P按鈕，接下來(lái)會(huì)彈出Pick Devices窗口，接著Category欄里點(diǎn)擊，在Results 欄里會(huì)出現(xiàn)多類型的CPU器件，找到80C51后雙擊，80C51就被添加到當(dāng)前窗口左側(cè)的元器件列表區(qū)。再用同樣的方法依次把DS1302、7SEG-MPX8-CA-BLUE、74LS373、74LS138、Switch以及多個(gè)電阻也添加到器件列表區(qū)里。然后再依次點(diǎn)擊列表區(qū)的器件，把他們放到繪圖區(qū)并編輯其屬性，接著進(jìn)行合理的布局后，就可以進(jìn)行連線。繪制出電路原理圖如圖1所示。

3.2 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

該仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可設(shè)置多個(gè)基本實(shí)驗(yàn)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

基本實(shí)驗(yàn)：

①外部中斷1實(shí)驗(yàn)：外部中斷1（P3.3引腳）接一個(gè)開(kāi)關(guān)，P0口通過(guò)兩片74LS273鎖存器連接16個(gè)發(fā)光二極管，可利用開(kāi)關(guān)產(chǎn)生低電平或下跳沿觸發(fā)中斷來(lái)控制 16個(gè)發(fā)光二極管的亮滅；②多個(gè)外部中斷實(shí)驗(yàn)：外部中斷0（P3.2引腳）接兩個(gè)開(kāi)關(guān)，作為兩個(gè)外部中斷源，若有一個(gè)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生低電平或下跳沿觸發(fā)中斷，可利用查詢P1.3、P1.4引腳判斷是哪個(gè)外部中斷源引起中斷，并可控制16個(gè)發(fā)光二極管的亮滅；③七段碼顯示實(shí)驗(yàn)：P2.0、P2.1、P2.2三個(gè)引腳通過(guò)74LS138譯碼器作為8個(gè)七段碼的位選線，通過(guò)P0口送出段碼，可完成動(dòng)態(tài)掃描顯示。④時(shí)鐘芯片DS1302實(shí)驗(yàn)：P1.0、P1.1、P1.2三個(gè)引腳作為DS1302的復(fù)位端、脈沖輸入端以及數(shù)據(jù)輸入輸出端，通過(guò) 8個(gè)七段碼顯示器顯示，可實(shí)現(xiàn)小時(shí)、分、秒的實(shí)時(shí)顯示。

擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)：

①根據(jù)時(shí)間控制16個(gè)發(fā)光二極管的亮滅；②若P3.3口接光敏電阻，可根據(jù)光的強(qiáng)弱控制16個(gè)發(fā)光二極管的亮滅；③若P3.2引腳接熱式紅外傳感器，可根據(jù)是否有人來(lái)控制16個(gè)發(fā)光二極管的亮滅。

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還可設(shè)計(jì)其他實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生自行開(kāi)發(fā)。

3.3 編寫程序

利用Keil C51 uVision軟件編寫C語(yǔ)言程序，由于篇幅限制，下面只給出利用外部中斷1控制16個(gè)發(fā)光二極管的亮滅程序，DS1302程序略。

#include

#include

#define uchar unsigned char

sbit ME_RST=P1^0；

sbit ME_SLCK=P1^1；

sbit ME_IO=P1^2；

sbit_1_in=P1^3；

sbit_1_out=P1^4；

sbit_273_1_clk=P2^4；

sbit_273_2_clk=P2^5；

uchar dis_code[10]= ﹛0X3F， 0X06， 0X5B， 0X4F， 0X66， 0X6D， 0X7D， 0X07， 0X7F， 0X6F﹜；

void main （void）

﹛

dsinit（ ）；

w_init（ ）；

dswrprt（ ）；

IT1=1；

EX1=1；

EA=1；

Do

﹛time（ ）；﹜

While（1）；

﹜

/*int1中*/

Void extern1_ISR（ ）interrupt2

﹛P0=0x55；

_273_1_clk=0；

_273_1_clk=1；

_273_1_clk=0；

P0=0x55；

_273_2_clk=0；

_273_2_clk=1；

_273_2_clk=0；

﹜

在文件Keil C51 uVision2中，將上述程序編譯成16進(jìn)制文件IntTimedLed.HEX。

3.4 系統(tǒng)仿真

⑴Proteus ISIS與Keil 連接

⑵在ISIS中，選中單片機(jī)80C51，再右鍵點(diǎn)擊80C51，出現(xiàn)相應(yīng)的對(duì)話框，在Program File中填入“IntTimedLed.HEX”文件，然后點(diǎn)擊“OK”。此時(shí)，完成了程序的載入。

⑶在ISIS窗口的下方有4個(gè)模擬調(diào)試控制按鈕：運(yùn)行、步進(jìn)、暫停和停止按鈕，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，即可仿真。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于Proteus的單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用，既可充分利用學(xué)校計(jì)算機(jī)房的現(xiàn)有設(shè)備，減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的硬件投入及維護(hù)工作量，又實(shí)現(xiàn)了形象化教學(xué)，為單片機(jī)的軟硬件結(jié)合虛擬仿真提出了一個(gè)新的思路，同時(shí)可提高學(xué)生的單片機(jī)應(yīng)用以及開(kāi)發(fā)能力。

作者簡(jiǎn)介：張文（1983.1-），女，漢族，江蘇徐州人，職稱：講師，學(xué)位：工程碩士，大學(xué)本科，研究方向：控制工程。