基于Proteus仿真與實驗板結合的單片機實驗教學改革探討

高艷芬　蔡恒

摘要：針對目前單片機實驗教學中存在的問題，本文對單片機實驗教學進行了探討，提出在單片機實驗教學過程中引入Proteus仿真軟件，與傳統的實驗板或者實驗箱硬件平臺相結合的方法。以一個小燈亮滅為例，詳細介紹了Proteus軟件在單片機實驗教學中的應用。通過仿真實驗與硬件相結合，這樣在一定程度上擺脫了傳統硬件條件的束縛和局限，加深了學生對單片機原理的理解，激發了學生的學生興趣，提高了單片機實驗效果。

關鍵詞：單片機實驗教學；Proteus仿真；實驗箱；一個小燈亮滅

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）41-0138-02

單片機原理及應用這門課程是高校計算機、電子信息工程、通信工程、自動化等很多工科電類專業的基礎課程，該課程具有較強的理論性和實踐性，學生初次學習往往感覺該課程難以理解，內容枯燥。而傳統的單片機課程實驗教學主要是依靠實驗板或者實驗箱這樣的硬件平臺完成，該實驗平臺開展的大多是一些驗證性實驗，學生只需要簡單地在實驗箱上搭幾條線，或者簡單地下載幾條程序在實驗箱上運行觀察結果即可，這樣學生不能夠真正地理解其中的原理，從而導致學生學習興趣下降[1]。另外，實驗箱使用時間長，會存在損壞和接觸不良的現象，會影響到實驗結果，降低了學生對實驗的興趣，影響了實驗效果。而且，實驗箱只存放在實驗室里，如果學生對實驗內容有興趣，想繼續學習，又受到限制[2]。

一、Proteus仿真軟件及應用

Proteus是Lab center Electronics公司于1989年推出，為單片機應用系統開發提供的功能強大的虛擬仿真工具。除具有模擬電路、數字電路的仿真功能外，最大特色是對單片機應用系統連同程序運行以及所有的外圍接口器件、外部測試儀器一起仿真。針對單片機的應用，可直接在基于原理圖的虛擬模型上進行編程，并實現源代碼級實時調試。用軟件手段對單片機應用系統進行仿真開發，與用戶樣機硬件無任何聯系，只需在PC機安裝Proteus，就可進行單片機應用系統的設計開發、虛擬仿真與調試。

Proteus仿真軟件不僅節約實驗成本，減少實驗開支，而且“綠色”，“環保”，例如，制作PCB板，傳統的做法是先畫原理圖（電路圖），再布線，然后焊接，接著就是調試，如果調試期間發現問題，那么就存在著重新布線，或者重新焊接問題，甚至有時候會因為某個布線出錯，導致整個板子作廢，需要重新設計一塊新電路板的后果。這樣，既造成浪費，又因反反復復布線“污染”了實驗室環境。而用Proteus仿真軟件模擬PCB板制作，就可以直接在proteus軟件上構造設計PCB板，并可以將其反復調試，調試成功以后，再實際制作PCB板，這樣設計調試周期短，成功率高，也避免了器件浪費。

（一）Proteus軟件與單片機實驗教學

利用Proteus仿真軟件進行仿真實驗不僅可將單片機實驗功能形象化，也可將許多單片機實驗運行過程形象化，達到實物演示的效果。該軟件具有各種常用仿真元器件庫，能夠提供實驗所用的元器件，從而實現仿真電路與傳統的單片機實驗硬件電路高度對應[1]，學生通過親自動手，用導線將元器件按正確的方向連接起來，加深其對相關電路知識的理解，也加深了對單片機元器件功能的了解，激發了學生學習單片機的興趣。利用Proteus仿真軟件進行單片機實驗教學具有實驗內容廣泛、硬件投入少、損耗小等優勢。

（二）單片機實驗仿真應用實例

Proteus可以將一些現象虛擬放大，實驗者通過觀察現象，加深對理論的理解。以單片機實驗教學中控制一個小燈的亮滅為例，詳細介紹Proteus軟件的實驗仿真過程。首先，繪制實驗電路原理圖。打開Proteus ISIS軟件，ISIS（智能原理圖輸入）界面用來繪制單片機系統的電路原理圖，在該界面下，可進行單片機系統的虛擬仿真。在元件庫中選擇所需元件，按照實驗電路連接元器件，即完成了仿真電路圖的繪制，如圖1所示。

其次，進行軟件調試及仿真。在實驗教學中通常采用Keil軟件來完成軟件的調試。本實驗采用匯編語言進行程序的編寫，按照實驗內容編制程序如下：

ORG 0000H

MOV P1，#00H

MOV P1，#01H

LJMP 0000H

編寫好源程序后，在Keil軟件中編譯，調試無誤，并通過編譯生成可執行的“一個燈亮滅.hex”文件，以備仿真時調用。如圖2所示。

然后，介紹在protues ISIS軟件中如何調用源程序及仿真運行。打開已經繪制好的實驗電路原理圖，選中單片機芯片AT89C51，點擊鼠標右鍵選擇“Edit Properties”屬性，出現編輯元器件對話框，在Program File選項中加載編譯好的“一個燈亮滅.hex”文件，其他選項可以設置為默認，最后點擊“OK”完成設置。

接下來，就可以點擊運行按鈕進入電路仿真運行狀態，若程序無誤，且硬件電路連接正確，則會出現一個小黃燈亮滅交替的仿真運行結果，其中，元器件引腳還會出現紅、藍兩色的方點（在微機顯示器上可分辨出顏色），來表示此時引腳電平高低。紅為高電平，藍表示低電平。

而實際上，因為程序中沒有加延時子程序，小燈亮滅的速度非常快，用肉眼是捕捉不到小燈變化的，因此，如果用單片機實驗板或者實驗箱做此實驗的話，看到的只是小燈保持一個滅的狀態不變的想象。

盡管Proteus具有開發效率高，不需要附加的硬件開發裝置成本，且在多數場合可以獲得和實際一樣的效果，但是需要注意的是，使用Proteus來對用戶系統仿真，是在理想的狀況下的仿真，對硬件電路的實時性還不能完全準確地模擬，因此不能進行用戶樣機硬件部分的診斷與實時在線仿真。而且，如果完全依靠仿真，學生獲得的感性認識遠遠不夠，因此，基于實驗板或者實驗箱的實驗教學仍然是不可缺少的環節[3]。

二、仿真與實驗板結合的實驗教學設計

通過proteus仿真軟件，打破時間限制，實驗課的課時有限，只靠課堂時間，學生很難完全掌握所學知識。通過Proteus軟件，只需要一臺電腦，學生就可以利用課余時間來設計電路，編程仿真。教師可以在實驗課前讓學生熟悉實驗課的內容，用Proteus畫好原理圖，編好程序完成仿真，確認軟件沒有問題。在實驗課的時候，再在實驗板或者實驗箱上完成實際的操作。這樣軟硬件結合，理論聯系實際，學生對實驗內容掌握得更透徹[2]。

在實驗板或者實驗箱實際操作過程中，如果實驗結果與仿真結果不一樣，還能促進學生找原因，例如，是實驗箱接線不對呢，還是Proteus仿真不精確，亦或者是實驗箱硬件部分有損壞等，這樣激發了學生學習單片機實驗的興趣，加深了對單片機原理的認識，提高了單片機的應用水平。

三、結束語

將Proteus引入實驗教學并結合實驗板，不但彌補了傳統實驗教學中存在的設備緊張、更新速度慢、元器件損耗大等不足，而且實現了理論與實踐的有機結合，使教學過程更加豐富且易于表達清楚，亦打破了時間和空間的限制，提高了學生學習的主動性。實踐證明，只有在教學中將現代化的手段和傳統實驗方式有機結合起來，充分發揮各自優勢，才能達到事半功倍的效果[4]。

參考文獻：

[1]朱永濤，李明菜，高鳳梅.基于Proteus仿真軟件的單片機實驗教學改革探討[J].科技信息，2011，（27）.

[2]常淑俊，黃杰勇.單片機實驗教學的探討[J].實驗科學與技術，2013，11（2）.

[3]倫翠芬，張海峰.Proteus仿真與實驗板結合的單片機教學[J].武漢職業技術學院學報，2012，11（4）.

[4]朱震華.Proteus在電工電子實驗教學中的應用[J].中國現代教育裝備，2008，（6）.