張琳琳

（蘇州高博軟件技術職業(yè)學院信息工程系，江蘇蘇州 215163）

Proteus仿真軟件在高職單片機課程改革中的應用

張琳琳

（蘇州高博軟件技術職業(yè)學院信息工程系，江蘇蘇州 215163）

針對學生學習單片機的積極性不高、系統(tǒng)設計難等問題，設計出基于Proteus的單片機實訓模塊，從而使學生主動參與單片機系統(tǒng)設計。將單片機開發(fā)過程中常用的單片機最小系統(tǒng)、二極管點亮電路、數(shù)碼管顯示電路、矩陣鍵盤、溫度采集、模數(shù)轉換、數(shù)模轉換進行集成，并對各模塊的作用進行了詳細的說明。學生在設計控制系統(tǒng)原理圖時，只需將模塊進行相應的組裝并加以設計即可達到目的。以溫度測量存儲系統(tǒng)的設計實例，學生采用模塊式的設計方法，既降低了開發(fā)系統(tǒng)的難度，又使其參與細節(jié)設計，對單片機實訓課程的學習起到了一定的促進作用。

Proteus；電路集成；模塊組裝；溫度測量

1 單片機教學中存在的問題

單片機課程往往采用理論授課為主、實驗為輔的教學方式。理論教學主要講解單片機的內部結構、指令系統(tǒng)、接口技術等，學生普遍覺得枯燥無味，并且感到很抽象，一些知識點很難掌握；實驗教學主要采用實驗箱[1]，其內部電路連接圖都已封裝好，學生只需按照實驗步驟將程序下載到單片機上，即可得出實驗結果。綜上所述，學生在學完這門課之后，對單片機的了解僅限于一個驗證的階段，很難掌握具體電路的內部細節(jié)，動手能力也沒有得到很好的提高，這就違背了單片機課程開設的初衷。

2 Proteus軟件在單片機教學中的作用

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能（原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真），還能仿真單片機及外圍器件[2]。

2.1 仿真處理器及其外圍電路

Proteus軟件可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流單片機，同時還支持各種數(shù)字和模擬電路的仿真，軟件還自帶各種虛擬儀器[3]。學生只需直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，就能看到運行后輸入輸出的效果。

2.2 減少硬件投入

學生在單片機課程學習過程中，可以在Proteus軟件中搭建實際電路，然后將編譯好的程序下載到相應的單片機中觀察其結果。這一過程只需安裝Proteus仿真軟件和KEIL的編程軟件即可[4]，不需要額外的硬件投入，就可以達到較好的效果。

3 Proteus在單片機實訓系統(tǒng)中的應用

單片機是一門理論與實踐相結合的課程，如何使學生在學習理論知識的同時，將其應用于實際是任課教師需要考慮的問題。因此，在單片機實訓環(huán)節(jié)，采用一種循序漸進的系統(tǒng)，對學生掌握單片機知識有一定的幫助。

單片機系統(tǒng)設計中常用的電路模塊主要有單片機最小系統(tǒng)、二極管點亮模塊、數(shù)碼管顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、DS18B20溫度采集模塊、模數(shù)轉換模塊、數(shù)模轉換模塊等。本文所介紹的單片機實訓模塊，既能使學生參與到具體電路的設計中，又不至于讓學生感覺知識太難。采用的方法是將常用的電路模塊設計好，并預留相應的接口，學生在使用過程中只需根據(jù)不同系統(tǒng)的需求將相應的模塊組裝到一起即可。

3.1 單片機最小系統(tǒng)

AT89S51單片機最小系統(tǒng)，就是使單片機正常運行的最低配置，如圖1所示。它由一系列模塊組成[5]：

（1）復位系統(tǒng)。當引腳9出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平時，單片機復位，程序從頭開始運行。

（2）時鐘系統(tǒng)。有振蕩器電路產(chǎn)生頻率等于晶振頻率，這時用的是外界晶振。也可以由外部單獨輸入，此時XTAL2腳接地，時鐘信號由XTAL1輸入。

（3）電源系統(tǒng)。VCC和GND引腳，供電電壓4～5.5V。

圖1 單片機最小系統(tǒng)

圖2 二極管點亮電路

3.2 二極管點亮電路

二極管點亮電路主要由74HC573和發(fā)光二極管構成，如圖2所示。其中，74HC573在電路中是對數(shù)碼管的驅動，還可以作為數(shù)據(jù)鎖存器、緩沖器，在74HC573的輸入端留有接口，用于連接單片機的輸出端。學生可以根據(jù)該二極管點亮模塊實現(xiàn)的程序有：8個二極管同時亮或滅、順次點亮、循環(huán)點亮等。

3.3 矩陣鍵盤電路

如圖3所示，該4×4矩陣鍵盤電路由4根行線和4根列線構成，在其行、列交匯點處接有16個鍵盤。

（1）判斷鍵盤中有無鍵按下。將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。

（2）判斷閉合鍵所在的位置。確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。

學生可以根據(jù)此模塊設計出矩陣鍵盤輸入等電路。

圖3 矩陣鍵盤電路

3.4 DS18B20溫度采集模塊

如圖4所示，該模塊采用DS18B20溫度傳感器，采集到的溫度值輸入單片機進行處理。DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，只需一根通信線，就可以連接很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。

圖4 DS18B20溫度采集電路

3.5 A/D轉換電路

如圖5所示，該電路采用ADC0809芯片實現(xiàn)將模擬量轉化為數(shù)字量的過程。ADC0809是美國國家半導體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選8通路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換，是目前國內應用最廣泛的8位通用A/D芯片。

圖5 A/D轉換電路

3.6 D/A轉換電路

如圖6所示，該電路采用DAC0832芯片實現(xiàn)將數(shù)字量轉化為模擬量的過程。DAC0832也是單片機教學中常用的芯片，它需要和一個運算放大器配合使用，可以把8位二進制數(shù)變換成模擬電壓。

圖6 D/A轉換電路

AD變換的公式為：

4 系統(tǒng)設計實例

學生根據(jù)本課程所學知識，能夠利用模塊化的方法設計出溫度采集存儲系統(tǒng)的電路仿真，并運用程序編寫實現(xiàn)具體的功能。

4.1 溫度采集存儲系統(tǒng)功能

（1）數(shù)碼管采用十進制顯示當前采集的環(huán)境溫度；

（2）當測量溫度≤5℃時，發(fā)光二極管D2閃爍，提示溫度過低；

（3）當測量溫度≥40℃時，發(fā)光二極管D1閃爍，提示溫度過高；

（4）當測量溫度≥45℃時，單片機將DS18B20采集到的溫度存儲。

4.2 仿真系統(tǒng)設計

基于DS18B20的溫度采集存儲系統(tǒng)包括數(shù)碼管驅動和顯示模塊、DS18B20溫度測量模塊、二極管發(fā)光模塊和單片機最小系統(tǒng)。

在Proteus中設計出溫度采集存儲系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)（其中涉及到的仿真元件清單見表1），具體操作步驟如下：

（1）新建文件；

（2）添加元件，按照表1所示的元器件清單，搜索相應元器件；

（3）繪制仿真圖，用鼠標將元器件放置到編輯區(qū)的合適位置，并修改相應參數(shù)；

（4）連線，將鼠標放到每個元件的引腳處，鼠標會自動變成連線狀態(tài)，單擊鼠標即可連線；（5）添加電源和地；（6）設計完成。

溫度采集存儲系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 溫度采集存儲系統(tǒng)

表1 溫度采集存儲系統(tǒng)仿真元件清單

4.3 軟件設計

在進行該系統(tǒng)的軟件設計之前，先根據(jù)系統(tǒng)要求設計出系統(tǒng)流程圖，明確各模塊的作用以及單片機的時序。系統(tǒng)上電后，先進行必要的初始化，然后溫度傳感器DS18B20測量出環(huán)境溫度，送入單片機進行處理。如果測量溫度≤5℃，發(fā)光二極管D2閃爍，提示溫度過低；如果測量溫度≥40℃，發(fā)光二極管D1閃爍，提示溫度過高；如果測量溫度≥45℃，單片機保存此溫度。圖8為軟件設計流程圖。

圖8 軟件設計流程圖

4.4 聯(lián)合調試

在Keil uVision4中，根據(jù)圖8的流程編寫程序，并將其下載到單片機芯片AT89C51中。步驟如下：

（1）啟動Keil uVision4，新建工程，選擇與單片機型號相匹配的CPU（Atmel公司的AT89C51），再新建文件，保存為“溫度采集.asm”；

（2）根據(jù)圖8的流程編寫程序；

（3）程序編寫完成后，進行編譯，確認無誤后，生成“溫度采集.hex”文件；

（4）啟動Proteus，打開如圖7所示的溫度采集存儲系統(tǒng)；

（5）雙擊圖7中的AT89C51，將步驟（3）生成的“溫度采集.hex”文件下載到單片機中；

（6）運行該仿真，出現(xiàn)仿真結果，如圖9所示。

圖9 仿真圖

5 結論

本文設計的單片機實訓系統(tǒng)涉及到的常用電路模塊有：單片機最小系統(tǒng)、二極管點亮電路、數(shù)碼管顯示電路、矩陣鍵盤、溫度采集、模數(shù)轉換、數(shù)模轉換。在該系統(tǒng)中將這些單片機常用的電路模塊進行封裝，學生在搭建系統(tǒng)的過程中，只需根據(jù)實際系統(tǒng)的需求對這些模塊進行組裝。這一過程既能使學生參與到系統(tǒng)原理圖的設計中，又減少了重復勞動，提高了設計效率。該系統(tǒng)在學生學習單片機的過程中，真正達到了理論與實際相結合的目的，增強了學生學習的積極性。

［1］王開，劉美，曾憲橋.基于Proteus的單片機控制系統(tǒng)的仿真設計［J］.電子設計工程，2015，23（8）：180-184.

［2］高艷芬，蔡恒.基于Proteus仿真與實驗板結合的單片機實驗教學改革探討［J］.教育教學論壇，2015（23）：138-139.

［3］劉文光，張銘銘.Proteus仿真在單片機課程項目式教學中的應用［J］.信息技術與信息化，2012（2）.

［4］徐金增.單片機編程仿真實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.濟南：山東師范大學，2009.

［5］陳淑芳.基于51單片機的教學實驗系統(tǒng)的設計與開發(fā)［D］.青島：中國海洋大學，2011.

The application of Proteus in the curriculum reform of single-chip computer

ZHANG Lin-lin
(Department of information engineering,Global Institute of Software Technology,Jiangsu Suzhou 215163,China)

In order to improve students'interest in MCU learning,this thesis designs some training modules which are based on Proteus.Using the models,students can active－ly participate in curriculum design aspects.This thesis integrates some circuits which are in common use of MCU development process,such as,single chip microcomputer system、diode light circuit、matrix keyboard circuit、DS18B20 temperature acquisition circuit、A/D Circuit and D/A Circuit. The role of each module,in this thesis,has a detailed description.In the design of control system schematics,students only need to assemble appropriated models and in addition with their own idea,they can achieve their goals.Finally,a system with storage temperature measurement is given in this thesis.Students use a modular design approach to achieve it.This approach not only reduces the difficulty of system development,but also enables students to participate in it.So,the modular design approach has played a certain role in the MCU learning.

Proteus;integrated circuits;module assemble; temperature measurement

G642

A

1673-2022（2016）04-0060-05

2016－06－13

張琳琳（1988-），女，江蘇泰州人，講師，碩士，主要從事工業(yè)自動化和智能控制方面的研究。