基于Proteus的單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐

呂艷 張興魯 孫秋花 王學(xué)俊

摘要：針對傳統(tǒng)單片機(jī)原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，積極應(yīng)用Proteus軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。通過Proteus軟件虛擬仿真單片機(jī)及其外圍電路工作情況，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段，鍛煉學(xué)生進(jìn)行軟硬件綜合開發(fā)的能力，提高單片機(jī)教學(xué)的效果，極大地節(jié)約了教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：Proteus軟件；單片機(jī)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0114-02

一、引言

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》是計(jì)算機(jī)、自動化、通信工程、機(jī)電一體化等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)習(xí)該課程，要求學(xué)生熟悉和掌握單片微型計(jì)算機(jī)的硬件組成及工作原理，會使用編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，熟悉典型的接口芯片和接口技術(shù)，綜合培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用能力，是一門理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)的課程，具有一定的難度。

單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)對學(xué)生的基本理論、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用開發(fā)能力都提出了較高的要求，因而實(shí)驗(yàn)教學(xué)尤為重要。在實(shí)踐教學(xué)中，傳統(tǒng)方法多數(shù)是利用硬件實(shí)驗(yàn)箱來完成，這存在著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定、靈活性差；缺乏創(chuàng)新性和開放性；實(shí)驗(yàn)室資金投入大、維護(hù)費(fèi)用高，且無法長期保持先進(jìn)性的不足。

為了突破當(dāng)前單片機(jī)教學(xué)中的諸多限制，將Proteus仿真軟件應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使用Proteus軟件進(jìn)行仿真模擬和程序設(shè)計(jì)，可靈活的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，方便的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，降低實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和維護(hù)成本，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的積極性，提高教學(xué)效果。

二、Proteus在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

Proteus軟件是英國Labcenter公司開發(fā)的一款仿真平臺，可以對多款單片機(jī)及相關(guān)接口芯片提供支持，還提供了示波器、信號發(fā)生器等虛擬儀表，支持Keil等第三方編譯開發(fā)軟件，是一個(gè)全開放性的仿真實(shí)驗(yàn)平臺，相當(dāng)于一個(gè)設(shè)備齊全的綜合性實(shí)驗(yàn)室[1]。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，借助Proteus進(jìn)行單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有如下優(yōu)勢。

1.靈活性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法采用的硬件實(shí)驗(yàn)箱，由于實(shí)驗(yàn)箱的電線、芯片多已焊接固定，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生一般進(jìn)行課堂教學(xué)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能靈活自主的進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。而采用Proteus軟件實(shí)驗(yàn)平臺，改變了“教師說，學(xué)生連”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑢W(xué)生可自由選擇電路連接方式，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

2.創(chuàng)新性。由于實(shí)驗(yàn)箱硬件的限制，實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容常常很難擴(kuò)展。由于實(shí)驗(yàn)課程安排有限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對固定，學(xué)生很難在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用。而采用軟件仿真的實(shí)驗(yàn)平臺，可以擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，讓學(xué)生根據(jù)興趣和能力去選擇，并且可以隨時(shí)更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

3.開放性。由于實(shí)驗(yàn)箱價(jià)格較為昂貴、設(shè)備維護(hù)困難等諸多因素的限制，使得實(shí)驗(yàn)室無法做到全面開放。而采用軟件實(shí)驗(yàn)平臺，只需定期維護(hù)安裝仿真軟件的計(jì)算機(jī)即可，降低了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和維護(hù)成本，使全面開放實(shí)驗(yàn)室成為可能，促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

采用單片機(jī)仿真軟件Proteus對傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)緊密聯(lián)系，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中硬件條件與實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不足的問題，豐富實(shí)踐性教學(xué)的手段，強(qiáng)化學(xué)生所學(xué)知識[3]。

三、Proteus仿真軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

為了讓學(xué)生更好地掌握單片機(jī)，應(yīng)從實(shí)用的角度出發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生編寫一些簡單的小程序，通過實(shí)踐指引理論知識的學(xué)習(xí)。本文通過單片機(jī)端口操作實(shí)驗(yàn)?zāi)M汽車左右轉(zhuǎn)向燈的控制來說明Proteus在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1.實(shí)驗(yàn)任務(wù)。單片機(jī)端口操作模擬汽車轉(zhuǎn)向燈實(shí)驗(yàn)中，P1口作為輸出口，P3口作為輸入口，P3.4、P3.5接撥動開關(guān)K3、K4；P1口接發(fā)光二極管L1～L8。K3作為左轉(zhuǎn)彎開關(guān)，K4作為右轉(zhuǎn)彎開關(guān)，L1作為左轉(zhuǎn)彎燈，L2作為右轉(zhuǎn)彎燈。要求編程實(shí)現(xiàn)向上打K3時(shí)，左轉(zhuǎn)彎燈L1以一定頻率閃爍；向下打K4時(shí)，右轉(zhuǎn)彎燈L2以一定頻率閃爍[4]。

2.硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

模擬汽車轉(zhuǎn)向燈的單片機(jī)端口操作實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖1所示。電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、LED發(fā)光二極管和撥動開關(guān)組成。電路通過P3.4和P3.5口讀取撥動開關(guān)的狀態(tài)，但要注意準(zhǔn)雙向口P3作為輸入口時(shí)，需先向鎖存器寫入“1”才能讀取；為了讓接在P1.0和P1.7口的LED發(fā)光二極管亮，需使P1.0和P1.7口的電平為低電平，所以，在程序中點(diǎn)亮左右轉(zhuǎn)向燈時(shí)，給P1口賦值分別為FEH和7FH；為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向燈閃爍點(diǎn)亮，需在程序中加延時(shí)子程序，本實(shí)驗(yàn)所用的延時(shí)時(shí)間為1s，具體程序如下4：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0200H

MAIN：MOV P3，#0FFH

MOV A，P3

CJNE A，#0EFH，L1

MOV P1，#0FEH

CALL DELAY

MOV P1，#0FFH

CALL DELAY

L1：CJNE A，#0DFH，L2

MOV P1，#7FH

CALL DELAY

MOV P1，#0FFH

CALL DELAY

L2：AJMP MAIN

DELAY：MOV R5，#10

DE0：MOV R7，#200

DE1：MOV R6，#248

DE2：DJNZ R6，DE2

DJNZ R7，DE1

DJNZ R5，DE0

RET

END

3.系統(tǒng)調(diào)試與仿真。打開Proteus ISIS編輯環(huán)境，按圖1繪制仿真電路原理圖。運(yùn)行Keil u Vision，建立工程項(xiàng)目并設(shè)置相關(guān)屬性，將編寫好的程序通過編譯后生成hex文件。通過Proteus將hex文件導(dǎo)入到單片機(jī)中，然后點(diǎn)擊模擬調(diào)試按鈕的運(yùn)行按鈕，進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，既可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，又可以實(shí)時(shí)觀察仿真的結(jié)果。

采用Proteus軟件對單片機(jī)學(xué)習(xí)中涉及的元器件和電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，有效克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量以及時(shí)間和空間限制的困難。由于軟件仿真的實(shí)驗(yàn)平臺不用擔(dān)心設(shè)備的損壞，且實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)成本較低，使得實(shí)驗(yàn)室的全面開放成為可能。學(xué)生可根據(jù)自己的情況隨時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)習(xí)的自主性和創(chuàng)造性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李潔，杜玉杰，丁雷.基于Proteus的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，13（2）：96-98.

[2]劉光平，陳紅仙，鐘平.Proteus在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2015，（17）：103-106.

[3]杜樹春.基于Proteus和Keil的單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4]邱少噯.Proteus仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子制作，2014，（1）：120-121.