基于Proteus 和Keil 軟件在單片機教學(xué)中的應(yīng)用

唐翠翠

（深圳技師學(xué)院 中德智造學(xué)院，廣東 深圳 518112）

1 引言

單片機課程是電類和自動化類專業(yè)必修的專業(yè)課程，是一門實踐性很強的課程，通過該課程使學(xué)生掌握單片機的基本原理與應(yīng)用，掌握指令功能、編程方法、單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件組成及軟件開發(fā)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實際問題和軟硬件綜合開發(fā)的能力。傳統(tǒng)的理論教學(xué)時，要將課堂教學(xué)安排生動、有趣，難度比較大；實踐教學(xué)時，受教學(xué)場地、實訓(xùn)設(shè)備數(shù)量和市場產(chǎn)品變化快等因素的影響，教學(xué)靈活操作性有限。鑒于這些問題，筆者在教學(xué)過程中引入Proteus軟件和Keil 軟件，可以讓學(xué)生在Proteus 軟件中繪制出硬件電路圖，加深學(xué)生對單片機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的理解；在Keil軟件中編寫簡單的指令與Proteus 軟件中繪制好的電路進(jìn)行聯(lián)合仿真，在虛擬的硬件上看到程序運行的結(jié)果，加深學(xué)生對指令功能的理解。在課上和課下，學(xué)生都可以進(jìn)行單片機系統(tǒng)設(shè)計并進(jìn)行虛擬仿真驗證，為后續(xù)基于實物的實訓(xùn)課打下堅實的基礎(chǔ)。Proteus 軟件和Keil 軟件聯(lián)合應(yīng)用可以節(jié)約耗材，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，接下來將以“霓虹燈”設(shè)計為例，具體闡述Proteus 和Keil 軟件聯(lián)合仿真的應(yīng)用方法。

2 Proteus 軟件和Keil 軟件聯(lián)合仿真的配置

2.1 Proteus 軟件

Proteus 軟件是世界上著名的EDA 工具（仿真軟件），由英國Lab Center Electronics 公司出版。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB 設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。它是目前比較好的仿真單片機及外圍接口器件的工具。

新建Proteus 工程的操作步驟如下：①新建一個文件夾，以工程的名字命名，用于存放該工程的文件，本例在桌面上新建一個命名為“霓虹燈”的文件夾；②打開Proteus 軟件，在File 菜單下選擇New Project，新建一個工程，本例工程命名為“霓虹燈.pdsprj”，并保存在“C:UsersstDesktop霓虹燈”；③然后點擊NEXT，選擇“Create Schematic from the selected template”，創(chuàng)建原理圖；④點擊NEXT，選擇“Do not create PCB layout”，不創(chuàng)建PCB；⑤繼續(xù)點擊NEXT，選擇Create Firmware Project，創(chuàng)建仿真工程，并設(shè)置Family（系列）-8051，Controller（控制器）-AT89C51，Compiler（編譯器）-ASEM-51，至此就完成工程的新建。

2.2 Keil 軟件

Keil 軟件是德國開發(fā)的，目前最流行開發(fā)51 系列單片機的軟件，支持C 語言和匯編語言。它具有方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具，它能夠不接硬件電路直接進(jìn)行用戶程序仿真，或利用硬件仿真器進(jìn)行實時仿真調(diào)試。新建Keil 工程的操作步驟如下：①新建一個文件夾，以工程的名字命名，用于存放該工程的文件，本例在桌面上新建一個命名為“霓虹燈K”的文件夾；②打開Keil 軟件，單擊菜單欄“Project”選項中“New uVision Project”，新建工程，本例工程命名為“霓虹燈K”，保存路徑為“C:UsersstDesktop霓虹燈K”；單片機型號選擇Atmel 的AT89C51；③建立程序代碼文件，單擊菜單欄“File”選項中“New”，新建文件，本例文件命名為“霓虹燈K.asm”；④添加代碼文件到工程中，單擊Keil 軟件界面左框中“Target 1”前面的+號，然后在“Source Group 1”選項上右鍵單擊，選擇“Add Files to Group Source Group 1”，將“霓虹燈K.asm”文件添加到工程中，至此就完成了工程的建立。

2.3 聯(lián)合仿真的配置

聯(lián)合仿真的配置步驟如下：①將Proteus 安裝目錄下的/MODELSVDM51.dll 文件復(fù)制到Keil 安裝目錄下的C51BIN 中，如果沒有VDM51.dll 文件，則從網(wǎng)上下載，分別放到Proteus 和Keil 軟件的對應(yīng)位置；②用記事本打開Keil 安裝目錄下的TOOLS.INI，然后在“c51”后面加上TDRV5=BINVDM51.DLL（Proteus VSM Monitor-51 Driver），這里的“5”要根據(jù)實際情況修改，只要和之前的不重復(fù)，就可以；③打開Keil 軟件，新建工程，完成代碼編寫后，在“Project”菜單中選中“目標(biāo)Target1 屬性配置”，在Debug 選項欄下單擊右上角Use 選項前面的方框，并在它右邊的下拉框中，選中Proteus VSM Monitor-51 Driver[1]，其他設(shè)置保持默認(rèn)狀態(tài)，然后點擊ok；④打開Proteus 軟件，繪制出電路圖，在Proteus的debug 菜單中選中use remote debug monitor。

3 實驗教學(xué)實例

本文通過“霓虹燈控制”教學(xué)實例，講述Proteus 軟件和Keil 軟件在單片機教學(xué)中的應(yīng)用。

3.1 實驗要求

按下啟動鍵，實現(xiàn)8 個發(fā)光二極管先從中間向兩邊依次點亮，然后從高位向低位逐個點亮來模擬霓虹燈效果，循環(huán)3 次后全部熄滅，期間任何時候按下停止鍵，燈全部熄滅。

3.2 硬件設(shè)計

打開Proteus 軟件，按照前面提到的新建工程的操作步驟，進(jìn)行原理圖繪制，繪制好的電路如圖1 所示。

圖1 “霓虹燈控制”電路圖

圖1 中的元器件有AT89C51 芯片、12 MHz 石英晶振、22 pF 陶瓷電容、15 uF 的電解電容、10 kΩ電阻、220 Ω電阻、發(fā)光二極管、按鍵。硬件設(shè)計采用單片機內(nèi)部時鐘電路和按鍵復(fù)位電路，發(fā)光二極管采用共陽連接方式。通過采集P1.6和P1.7 的信號來判斷啟動和停止鍵是否有按下，當(dāng)按下啟動或停止按鍵時，P1.6 或P1.7 會采集到“0”即低電平信號，否則采集到“1”即高電位信號。

3.3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)為較復(fù)雜的霓虹燈控制方式，采用查表方法將亮燈數(shù)據(jù)存放在一個數(shù)據(jù)表中，通過修改數(shù)據(jù)索引值不斷取出亮燈數(shù)據(jù)。采用主程序調(diào)用子程序的模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主程序、延時子程序、消抖子程序等部分組成。

3.3.1 主程序

主程序主要完成按鍵是否按下判斷、初始化、查表、循環(huán)結(jié)束判斷、調(diào)用延時子程序、調(diào)用消抖子程序等功能。主程序的代碼如表1 所示。

3.3.2 延時子程序

延時子程序如表2 所示。本系統(tǒng)中有2 個延時子程序，標(biāo)號為DELAY 的大約延時1 s，是相鄰亮燈數(shù)據(jù)的間隔時間。標(biāo)號為DELAY1 的延時子程序，實現(xiàn)約12 ms 的延時，用于按鍵消抖，按下按鍵后，延時12 ms，再次檢測按鍵狀態(tài)，如果仍為按下狀態(tài)，則判斷按鍵有效按下，否則無效。通常按鍵去抖動有硬件和軟件兩種方法，為了使電路設(shè)計簡化，通常采用軟件去抖動。

延時程序的延時時間估算方法是：第一重循環(huán)執(zhí)行一次的機器周期總數(shù)×第一重循環(huán)的總次數(shù)×第二重循環(huán)的總次數(shù)×…×第n 重循環(huán)的總次數(shù)×1 個機器周期[2]，如本例1 s 延時子程序，為3 重循環(huán)結(jié)構(gòu)，晶振頻率為12 MHz，1 個機器周期是1 us，則t=（1+1+2）×250×250×4×1 us=1 s。

表1 主程序的代碼

表2 延時子程序

3.4 聯(lián)合仿真調(diào)試

在Proteus 軟件建立好硬件電路，Keil 軟件中編寫好程序代碼并編譯通過后，再按照前面提到過的聯(lián)合仿真時這兩個軟件的參數(shù)配置進(jìn)行設(shè)置之后，在Keil 軟件中進(jìn)入仿真調(diào)試讓程序開始工作；然后在Proteus 軟件的硬件電路上，按下啟動按鍵，觀察燈的顯示情況，期間任何時候按下停止鍵，觀察燈的顯示情況，以此來驗證程序的可行性。如果出現(xiàn)結(jié)果不符合要求時，可以在Keil 軟件中進(jìn)行單步、跟蹤、設(shè)置斷點等方式進(jìn)行調(diào)試，分析、找出問題并解決。在完成本例任務(wù)要求的基礎(chǔ)上，可以讓學(xué)生進(jìn)行拓展，自由設(shè)計硬件電路和軟件程序，實現(xiàn)對燈的更豐富的顯示花樣控制。

4 結(jié)語

本文通過介紹Proteus 軟件和Keil 軟件新建工程的步驟和聯(lián)合仿真的配置方法，并結(jié)合實例，向?qū)W生展示了單片機系統(tǒng)軟硬件綜合設(shè)計的整個開發(fā)過程，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生對單片機系統(tǒng)的硬件和軟件的理解能力、創(chuàng)新及綜合應(yīng)用能力，教學(xué)效果明顯得到提高。