基于PROTEUS的单片机虚拟实验室的构建

泰山学院 魏鲁原 崔 霞

基于PROTEUS的单片机虚拟实验室的构建

泰山学院 魏鲁原 崔 霞

本文提出一种基于PROTEUS软件仿真的单片机虚拟实验室构建方案 ，首先介绍了虚拟实验室的概念和特点，简要说明了PROTEUS软件的特点，最后通过实例介绍了基于PROTEUS的单片机虚拟实验室的搭建过程。

单片机；虚拟实验室；仿真；Proteus

1 引言

单片机课程是很多工科专业的重要课程,由于其独特的优点,单片机广泛应用于各个领域。近年来,随着技术的进步,单片机的性能不断提升,价格越来越来低,使得单片机的应用范围越来越大。但是很多人在学习单片机的过程中,感到困惑和吃力,觉得学了单片机的理论知识,却不知道如何进行实际应用。单片机是一门实践性很强的学科,然而个人配备单片机实验开发系统,成本较高,很多人无法承受,PROTEUS恰好解决了这个矛盾。利用PROTEUS实现虚拟实验不受时间、空间的限制,功能易于扩充、花费少、耗材少、加深对知识的理解并提高动手能力。

虚拟实验室(Virtual Laboratory)通过开发一系列虚拟实验组件来模拟和再现实验环境、实验设备和实验过程,使实验者脱离实际实验条件的束缚,互动的感受实验信息,在更加方便和快捷的条件下,以近似真实的方式实现实验过程。它是以计算机软件硬件技术为支撑,使用软件开发工具实现的一种虚拟实验环境,在虚拟实验室中,实验对象、实验设备用计算机软件模拟,实验者控制实验过程,实验结果可以进一步分析处理。虚拟实验室运用计算机强大的运算处理能力,借助于虚拟现实和仿真等技术,具有友好的互动能力和强大的数据处理功能、丰富的界面信息,再加上各种其他外部设备,利用多媒体、互联网,构成了一个精彩的虚拟实验室。

2 PROTEUS软件的特点

为了保证相应实验的开设,必须要有配套的实验系统。如果要保证一定的实验硬件设备套数,将是一笔更大的开支。实验设备在实验过程中也会有各种损害和损耗,Proteus软件较好地解决了这个问题。Proteus是英国Labcenter公司的嵌入式系统仿真开发软件,它包括原理图布图、VSM嵌入式仿真、混合模式仿真以及PCB制板等功能。它的主要特点是：

2.1 支持常用单片机系统的仿真

这是PSPICE电路仿真,EWB电路仿真,Multisim电路仿真等其他电路仿真软件不具备的功能。目前支持的单片机类型有：8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、68000系列以及各种外围芯片。

2.2 实现软件调试功能

Proteus能仿真单片机全速运行时的状态,也可以观察电路中各一件引脚的电平。因此在仿真时,可以像其他仿真软件一样,观察某些语句执行时存储器内容和单片机寄存器的改变,也能看到电路工作和程序运行的结果和过程。

2.3 提供丰富的外围接口器件

8000多种的可选虚拟器件,可以进行模拟电路仿真、数字电路仿真、RS-232动态仿真、I2C调试器、LCD系统仿真、SPI调试器、键盘和、单片机及其外围电路组成的系统的仿真的功能。在进行实验时,可以选择不同的电路,方便将来的设计与调试。

2.4 提供丰富的虚拟仪器

包含13种虚拟仪器,包括示波器、信号发生器、逻辑分析仪等。外观真实,功能齐全。

3 基于PROTEUS的单片机虚拟仿真实验的构造实例1

以下给出一个模拟开关灯的例子,来说明如何利用Proteus构造单片机虚拟仿真实验室。

3.1 实验原理

监视开关,用发光二极管D1显示开关状态,如果开关合上,D1亮;开关打开,D1灭。

开关状态的检测过程相对于单片机来说,是检测P1端口输入的信号,而输入的信号只有高电平和低电平两种。开始模拟后,开关可以动作,当开关拨上去,即输入高电平,相当于开关断开;当开关拨下去,即输入低电平,相当于开关闭合。单片机可以采用JB BIT,REL或者是JNB BIT, REL指令来完成对开关的检测。

3.2 硬件设计

硬件的组成和接线可以完全让学生自己完成,也可以给出器件和大部分连线,如图1所示,剩下的连线让学生完成。

图1 开关灯部分硬件电路图

3.3 程序设计

软件的设计可以完全让学生自己完成,也可以给出如图2的流程图,源程序由学生完成。

图2 开关灯程序流程图

本例的源程序如下：

3.4 调试与仿真

(1)选择CPU类型,此例子中选择ATMEL中的AT89C51单片机。

(2)新建汇编源文件(.ASM),编写程序,并保存。

(3)在“Project Workspace”窗口中,将新建的.ASM文件添加到“source Group”。

(4)在Proteus的菜单栏目中,打开“DebuG”菜单进行调试。

(5)调出“Proteus ISIS”界面,在程序运行过程中,闭合或断开开关,观察LED的变化。

4 基于PROTEUS的单片机虚拟仿真实验的构造实例2

利用单片机AT89S51与ADC0808实现一个数字电压表,能够测量0—5V之间的模拟电压值,利用四位数码管显示。

由于ADC0808的参考电压VREF=VCC,所以转换之后的数据要经过数据处理,在数码管上显示出电压值。电压表部分电路图如图3所示。剩下的连线让学生完成。也可以让学生自己选择器件来实现数字电压表的设计。

程序设计流程图如图4所示,源程序由学生自己完成。

调试与仿真过程同上例,最后,调节电位器RV1,可以看到数码管显示的A/D转换结果变化。

5 结语

图3 电压表部分电路图

图4 电压表程序流程图

我们设计了十五个基础实验,如I/O的应用、A/D转换、定时器实验等,每一个实验都分为实验原理、硬件设计、程序设计、调试与仿真这四个项目,部分硬件接线未给出全部的接线,留给学生思考完成,也可自行动手修改和搭建实验。通过对这些实验的操作可以加深对单片机的理解,在虚拟实验室操作实验,安全简单、操作快捷,可以省去实验板、电源等结构装置。另外Proteus具有丰富的虚拟仪器,如常见的交、直流电压电流表、示波器等,这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标,例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。Proteus还具有环境模拟、图表分析、噪声分析等高级应用。总之,利用Proteus组建的虚拟实验室具有很大的灵活性和可扩展性,节约经济成本。

[1]周润景,袁伟亭,景晓松．PROTEUS在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M]．北京:电子工业出版社,2006．

[2]林志琦等编著．基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2006．

[3]唐明翔等．浅谈“虚拟实验室”在高校教学中的应用[J]．成都:成都教育学院学报,2006(3):75-78．

[4]风标科技[EB]．http://www．windway．cn． PROTEUS嵌入式系统设计与仿真平台．

[5]蔡朝洋．单片机控制实习与专题制作[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2006．

魏鲁原（1972—），男，山东泰安人，主要从事单片机、工业控制方面的教学与科研工作。

崔霞（1974—），女，山东泰安人，主要从事模拟电子、计算机仿真方面的教学与科研工作。