虚拟仿真软件在单片机实验教学中的应用

宇文珊+王霞+井田

摘 要 本文主要总结《单片機技术》实验课程教学中的问题，着手研究，将虚拟仿真与实际硬件相结合，尽量运用直观，任务驱动型的教学，有的放矢的学习，侧重培养学生单片机设计的系统设计能力。

关键词 虚拟软件 任务驱动 单片机实验

中图分类号：G712 文献标识码：A

1 当前单片机教学中存在的问题

单片机技术是电子工程专业一门重要的专业基础课程，为以后的嵌入式学习，以及参加各类电子设计竞赛打下良好的基础，单片机技术在实践及毕业设计中应用也非常广泛。但是由于理论课知识点分散，而且当前的大多单片机实验课程采用已设计完成的实验板进行实验，侧重于软件编程的学习，而完整的单片机系统设计包括绘制电路原理--制作电路板--焊接元器件-硬件电路测试-软件编程及软硬件联调等步骤。因此，要完成一项单片机系统的设计，需经过较长的时间，只采用实验板进行实验教学，学生只能停留在课堂理论教学与实验室的验证实验层面上，对系统的开发得不到锻炼，而且实验离开实验室无法进行自主学习，有很大的局限性。引入Proteus虚拟仿真可以很好的解决这一问题，并为单片机课程的实验教学提供有力的支持。

2 Proteus软件在单片机技术实验教学中的作用

2.1 在单片机教学中引入Proteus仿真

Proteus仿真可以直观的让学生看到实验结果，加深对理论知识的理解，在教学过程中引入虚拟仿真，既不需要增加教学成本，又可以提高学生的学习兴趣。将小的知识点，验证性的实验主要由学生自主完成。对于验证性实验，可以由学生采用不同方法来实现，由于单片机是模块化的设计，不同的电路也具有良好的移植性。利用虚拟环境进行设计，修改调试，从而帮助学生拓展思路，提高学生举一反三的学习能力。Protues虚拟环境不仅为学生提供了自行学习和应用创新的平台，而且引入Proteus仿真还可以降低了实验室建设和运行成本。

2.2 Proteus在创新实践及毕业设计中应用

Proteus具有原理图编辑，印刷电路板设计及仿真功能。其中电路仿真的交互化、可视化，支持主流单片机系统的仿真是其最大特点。Proteus的ISIS编辑环境提供了大量的元器件，常见的芯片及各种虚拟仪器仪表如示波器，逻辑分析仪，电压表，电力表等，学生在参与创新实践及毕业设计时，利用Proteus完成前期的学习准备工作，进行辅助仿真，在利用元件库中的各种元器件搭建好需要的电路后，还可以利用系统里的各种虚拟仪器进行电路的调试，动态的人机交互式仿真非常接近现实的环境。学生利用一台电脑即可完成前期的准备工作，虚拟环境仿真成功后再加工制作实际电路，降低学习成本，提高了设计的效率。

3 教学实践案例

单片机学习必须经过硬件软件的联合系统设计才能领会其设计思路。所以在教学过程中将任务进行分解，首先了解设计目标，按照任务目标进行芯片资料收集及相关知识准备，再按照设计思路在Proteus中设计硬件模块，编写程序并在虚拟环境中调试仿真。虚拟环境侧重系统设计及逻辑验证，最后的编程要能通过实验板电路进行功能验证。

3.1 教学设计及安排

在教学中针对学生本身的特点进行分层次教学，有计划的训练学生的综合应用能力、实际动手能力、工程应用能力和创新能力。每一实验项目以任务为导向，首先按照任务目的，对所学知识进行梳理总结，围绕IO口实验、数码管显示实验、矩阵键盘实验、定时器中断实验、温度传感器实验展开单片机内外部资源的学习和应用。力求做到有的放矢的进行训练，学做合一，融趣味性于学习中。

3.2 实践教学案例

下面以温度传感器实验为例，利用单片机AT89C52RC与DS18B20设计一个数字温度计，检测并在数码管上实时显示温度值。先在虚拟环境中模拟实验板搭建硬件系统，再根据硬件电路进行编程，最后在两种环境中进行仿真验证。

设计任务分析：设计一个数显式温度计，要求使用范围-40～99摄氏度。

实验步骤及所需知识：

（1）收集芯片资料，了解DS18B20的引脚及功能；

（2）阅读时序图，充分掌握初始化流程，数据读写流程；

（3）延时函数的计算方法；

（4）学习数码管动态显示方式的原理及编程实现；

（5）根据任务需求，按功能模块完成实验电路的搭建；

（6）软件编程、编译及软硬件联合调试。

硬件电路设计及端口分配：根据任务要求，电路系统需要单片机最小系统，温度采集芯片DS18B20，以及温度显示模块。主控芯片选用AT89C52；温度采集电路中DS18B20采用单总线方式通讯，由P3.0端口控制；显示电路可选用四个共阳极数码管，分别显示温度的符号位，两位温度值，最低位显示C代表单位摄氏度，工作方式为动态显示，数码管段选由P0端口控制，位选由P2.0-P2.3控制（如图1）。

软件流程图 根据设计流程完成程序流程图的设计，如图2所示。

软硬件联合仿真及验证：分别将编译生成的目标文件分别加载到虚拟仿真环境及实验版中如图3所示。

5 总结

在单片机实验教学中，引入虚拟软件到单片机实验教学，改变了以往侧重软件编程而忽略电路设计的教学现状，不仅能促进学生对单片机的认识，同时有利于学生分析问题的应用单片机进行项目实现及创新的综合能力的提高。

参考文献

[1] 江世明.基于Proteus的单片机应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[2] 金红，蒋存波.单片机课程教学的探索与实践[J].电气电子教学学报.2013（02）.

[3] 张兰红.单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2012.endprint