基于proteus的虚拟实验室建立

报告编码：

安阳师范学院本科学生毕业设计报告

基于Proteus的虚拟实验室建立

作者齐军芳

系（院）物理与电气工程学院

专业电子信息工程

年级 2007 级专升本

学号 071851057

指导教师丁电宽

日期 2009.06.15

学生诚信承诺书

本人郑重承诺：所呈交的设计报告是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，报告中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在报告中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：日期：

报告使用授权说明

本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位报告的规定，即：

学校有权保留送交报告的复印件，允许报告被查阅和借阅；学校可以公布报告的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存报告。

签名：导师签名：日期：

基于Proteus的虚拟实验室建立

齐军芳

(安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳 455002)

摘要：本文以学校单片机课程的实验教学为背景,较为全面地阐述基于Proteus软件仿真的单片机虚拟实验室只需配置有限的硬件设备，就能够很好地解决资金和设备维护问题的建设方案，为精品课程的建立、教改项目打下基础。本设计所采用的大量仿真实验是在软件环境中实现的，利用 Proteus与Keil整合构建单片机虚拟实验室，解决了传统单片机教学中以理论为主、实践少的问题，使得每个学生都可以拥有自己的“实验室”。

关键词：虚拟实验室；Proteus；Keil；单片机；仿真

1.概述

1.1 虚拟实验室的介绍

虚拟实验室(Virtuallaboratory)，亦称为“合作实验室(Collaboratory)”，最早在1989年由美国University of Virginia 的William Wulf 教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。所谓的虚拟实验室就是以计算机网络为核心，利用鼠标的点击、拖动，将微机上各种虚拟仪器，按实验要求、过程组装成一个完整的实验系统，同时在这个系统上完成整个实验，包括元件的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模拟、分析。

虚拟实验室是一种特别的、分布式解决问题的环境，是提供给用户的一个基于网络的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的平台，是一种基于计算机虚拟原型系统的全新的科学研究与工程设计方法，是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式。目前，有关虚拟实验室的定义主要有两种：(1) 指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所取得的效果。(2) 指一个创造和引导模拟实验的交互环境，即实验场

所。它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。用户可以通过增加新的物体，建立新的实验并把它们转换成超文本文件来扩充实验室。这两种定义侧重不同方向，但都指出了虚拟实验室本质是一个无墙实验室，通过计算机网络系统远程控制与交互系统，研究人员或学生将不受时空限制，能随时随地进行拟实验操作，共享仪器设备，共享数据和计算机资源，进行协作或得到远程指导等。

虚拟实验室的组件一般包含以下几部分：实验虚拟原形、应用程序特定信息的数据库、连接到网络上的科学设备、互相合作的工具，基于模拟、数据的分析、发现和简化以及数据可视化等软件和对网络带宽的需求。虚拟实验室有验证型、测试型、设计型、纠错型、创新型等多种类型，本文主要介绍基于Proteus单片机虚拟实验室的建立。

1.2 国内外现状

虚拟实验室的研究和应用得到许多研究机构及软件供应商的重视，国内外有代表性的有[3～5]：

(1) 虚拟工程/科学实验室。该虚拟实验室是由 Johns Hop2kins 大

学建立,基于WWW

(World Wide Web)面向教育的工程/科学实验环境，可完成逻辑电路、两节机器手控制热传递过程、声波传播过程、桥梁设计等多种实验。

(2) 环境与分子科学协作机构。提供一个协同工作环境，并且可远程使用核磁共振(NMR)频谱仪。

(3) 远程实验环境。实时参与在General Atomics的DIIID托卡马克进行的实验。

(4) 医学协作机构。通过X射线照片及超声影像进行的同步或异步远程咨询。

(5) 德国Ruhr大学网络虚拟实验室。该实验室是一个有关控制工程的学习系统，它通过直观的三维实验场景视觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作。国内虚拟实验室的建设这几年也得到了迅速的发展，最具代表性的是一些著名大学开发出的远程教学虚拟实验室，涉及物理、化学、生物、医学等多门学科。

1.3 虚拟实验室的特点

(1) 成本低

虚拟实验室基于虚拟原型技术，即利用VR在可视化方面的强大优势以及可交互地探索虚拟物体的功能，对对象进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析。

(2) 效率高

虚拟实验室省去了大量的基于物理原型实验的简单劳动，使用者集中精力研究实验对象本身的特性和规律，还可充分利用计算机优势，使虚拟实验室具有良好的在线帮助和学习功能，从而可帮助使用者迅速掌握实验研究本身和达到实验研究的具体目标和要求，大大提高了学习和研究效率。

(3) 功能全

虚拟实验室的数据库可做到规格品种齐全，并易于升级换代和增加新品种，从根本上解决了因实验元器件和仪器仪表不全而影响实验的问题。

(4) 协作性

在协同虚拟环境技术下，可实现合作实验、远程实验、协同研究等。

1.4 虚拟实验室的发展趋势

虚拟实验室的发展趋势主要有以下三个[1～3]:

(1) 虚拟实验室的人—机界面目前多采用WIMP技术，即以窗口、图符、菜单、指向为特点的人—机界面技术。引入虚拟现实技术和自然人工场景技术，使用数字化仿真工具，可使操作者与虚拟仿真环境有着全面的感官接触与交融，使操作者有身临其境之感，用户使用虚拟原型交互仿真界面对虚拟原型进行操作。

(2) 提高虚拟实验室“自适应性”。“自适应”是指生物变更自己的习性以适应新的环境的一种特征。直观地说，“自适应实验”即指能修正自己的特征以响应规则原理的变化，并根据学习者的学习过程生成一个反馈回路，为学习者提供一个自适应的获取知识和技能的实验学习环境。该系统的基本特征是能从环境中获取信息，并能自动改善其性能。

(3) 增加协作性。科学实验常常是一种协作性的活动，与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因此基于协作虚拟原型的协同设计