Proteus软件在单片机教学改进中的应用研究

安红战 方蕾

摘 要：《机电设备单片机控制技术》是机电一体化专业的一门核心课程，在学生的专业能力培养中占据重要的地位。但由于该课程理论性和实践性要求较强，长期以来，学生在学习该课程时存在"抽象"、"难懂"的问题，容易产生畏惧感而丧失学习的兴趣和信心。Proteus软件作为一款优秀的单片机仿真软件，可以实现单片机系统的形象化仿真。将其应用在单片机教学中，极大地改善了单片机课程的教学效果，提高了学生的学习兴趣和积极性，在此作者介绍了Proteus软件在单片机教学中的应用。

关键词：单片机；Proteus；教学

0 前言

职业教育的目标是培养高技术水平的专业人才。作为机电一体化专业的一门核心课程，《机电设备单片机控制技术》在学生的专业能力培养中占据不可忽视的作用。根据教学目标，该课程学习完后，学生应该熟悉单片机的体系结构，掌握单片机的指令系统，学会中断系统、定时/计数器及各种接口的应用，具备单片机应用系统开发、设计的基本技能，能够完成简单控制系统的设计。但由于单片机课程内容比较抽象，实践动手能力又要求比较强，所以不管是传统的"理论+实验"教学模式，还是采用任务驱动式教学模式或项目化教学模式，都没有根本性地改变学生对单片机课程的无趣和畏惧感。究其原因，一方面在于没有把抽象的知识变得形象化、具体化，即没有变成学生便于理解和接受的内容。另一方面，就是学生缺乏足够动手实践的机会，无法在实践中找到学习单片机的乐趣。如何有效地解决这两个方面的问题，是提高单片机教学质量的关键所在。

1 Proteus软件介绍

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司设计开发的EDA工具软件，是目前全球最好的仿真单片机及外围器件的工具。它从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。Proteus软件支持单片机汇编语言的编辑、编译、源码级仿真，内带8051、AVR、PIC的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境结合，进行高级语言的源码级仿真和调试。在Proteus中绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件，就可以在原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。Proteus软件不仅可将许多单片机实例功能形象化，得到实物演示的效果，也可将许多单片机实例运行过程形象化，达到实物演示难以达到的效果。Proteus软件是单片机课堂教学的有力助手，是学生学习单片机的有效工具。

2 Proteus软件在改进单片机教学中的优势

对于单片机这种内容抽象、实践性强的课程，要想达到较好的教学效果，课堂演示和实验有着至关重要的作用。通过课堂演示，可以将抽象的理论、枯燥的程序分析转化为生动的实例；而实验则能够培养学生的动手能力和独立思考能力，进一步理解有关理论知识。

传统的单片机教学中，很难在课堂上做到现场演示。一方面演示需要的准备工作较多，同时需要相关的仪器和设备，而把仪器和设备在实验室与教室之间来回搬动很不方便。另外，最终的演示表现就是老师站在讲台上拿着实验箱把程序的运行结果展示给学生，由于实验箱体积小，后排学生难以看得清楚，因此并不会达到预期的演示效果。

而且，目前的单片机实验主要是在外购的实验箱上完成，而生产厂商为了实现技术保密，实验箱都采用密封式结构，仅把实验所需的有关接口引出，整个实验系统的内部连线没法看见。学生做实验时，按照接线说明，简单地用几根插接线连接几个接口，就完成了整个实验环境的构建，错误的认为单片机实验就是连几根线，而无法对单片机实验系统的具体硬件结构有个清楚的认识。同时，单片机实验箱的实验项目都是固定好，无法改变的，大都是些验证性的实验，造成学生对实验内容缺乏兴趣，无法提高学生的思维能力和动手能力。

Proteus软件的出现，引起了单片机教学和控制系统设计的变革。将Proteus软件引入到教学中去，对单片机的教学起到了以下几个主要方面的改善。

第一，便于课堂演示。在理论教学过程中，老师可以把每一个知识点通过用Proteus软件构建的虚拟实验系统进行演示，把晦涩难懂的知识变成生动的实例，方便了学生的理解和接收。

第二，便于实验。利用Proteus构建虚拟实验室，能够突破传统实验对"时、空"的限制，可以自由地利用虚拟实验室进行各种实验，为学生提供一个开放、便利的实验环境。

第三，便于开展项目化教学。理论教学时可借助Proteus构建的虚拟实验系统及多媒体进行项目化教学，通过对每个项目的讲解和验证，使学生直观感受单片机编程的魅力，激发学生学习的兴趣。

第四，支持学生自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力。传统实验教学中，学生自行实验时，需要购置较多的设备，增加了他们学习和研究的投入。采用基于Proteus的虚拟实验系统后，学习的投入变得比较小。而对实际工程问题的研究，也可以先在软件环境中模拟通过，再进行硬件的投入，这样处理不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费，有利于培养学生的分析能力、设计能力和创新能力。

3 Proteus软件在单片机教学中的应用示例分析

Proteus软件可以直观、形象地模拟实际单片机系统的运行，下面以"数码管动态显示8位固定数字"的任务为例，介绍如何利用Proteus软件来实现单片机系统的设计与仿真，完成对控制方案的验证。

3.1 任务介绍

动态显示是把各数码管的相同段选线并联在一起，由一个I/O口控制，而其公共端由其他的I/O口控制，然后采用扫描方法轮流点亮各位数码管，使每位数码管分时显示各自应该显示的字符。各数码管虽然是分时轮流导通，但由于发光二极管的余辉效应和人眼的视觉暂留作用，当循环扫描频率选取适当时，看上去所有的数码管是同时点亮的。本任务要求编程实现8个LED数码管动态显示"87654321"8个数字。

3.2 电路设计

按照任务要求设计电路原理图。点击Proteus软件的ISIS 7 Professional选项，进入Proteus的编辑窗口。通过对象选择按钮将所需元器件（AT89C51、74HC244、7SEG-MPX8-CA-BLUE等）加到对象选择器窗口，然后再在对象选择器窗口中选中所需元器件放到图形编辑窗口，元器件添加结束后，完成元器件之间的连线，最后的硬件电路如图1所示。

3.3 程序设计

虽然Proteus软件自带的ASEM51代码生成工具可以编辑汇编源程序，但使用其他专用软件进行源程序的编辑与编译更为方便，这里使用Wave软件。启动Wave软件，新建一个程序文件，然后在编辑窗口中编写程序，如图2所示。程序编辑好后，保存为DTXS.ASM，然后按下编译按钮或F9键，编译源程序，生成DTXS.HEX文件。

3.4 仿真运行

在Proteus原理图编辑窗口中，双击单片机，弹出编辑元件属性对话框，在时钟频率项中设置单片机的时钟频率为12MHz，在源文件项中把生成的DTXS.HEX文件加载进去，然后按确定按钮，退出对话框。再点击Proteus原理图编辑窗口下方的开始按钮或按F12键，单片机开始仿真运行。此时，可以清楚地观察到单片机每一个引脚的电平变化，同时可以看到数码管上显示数字"87654321"，如图3所示。也可以点击调试按钮实现程序的仿真调试，在调试过程中，可以观察内部存储器、通用寄存器和特殊功能寄存器的相关状态。

仿真运行正确后，可直接进行实际电路的制作和焊接，并将目标代码下载到单片机后，实际电路就能正常工作。同时，在Proteus软件仿真完成这一工作任务之后，老师再给学生讲授LED数码管动态显示的工作原理和程序设计方法，学生很快就会掌握相关的知识和编程方法。

4 结论

利用Proteus软件的仿真功能，在教学过程中，老师可以随时对所讲内容通过Proteus构建虚拟实验系统来验证和演示，做到"边教边做"；另一方面，学生可以在基于Proteus软件的虚拟实验系统上完成各种实验，同时还可自行设计实验，做到"边做边学"。利用Proteus软件能够弥补单片机教学中的不足，达到理论和实践的有机融合和统一，增强了学生的动手能力，培养了学生的学习兴趣。

参考文献：

[1] 彭伟. 单片机C语言程序设计实训100例：基于8051+Proteus仿真. 北京：电子工业出版社，2009.

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[3] 仝战营. 高职高专单片机课程一体化教学改革的探索与实践. 中国科技信息，2012，6.

[4] 陈丹. 基于Proteus的单片机虚拟实验设计. 计算机教育，2014，5.

[5] 孙敏. 基于Proteus的汽车起重机监控系统设计. 机械设计与研究，2013，2（29）.

科研项目：湖南铁路科技职业技术学院院级科研课题（HNTKY-KT2014-1）。