仿真軟件在單片機教學中的應用

李輝

摘 要：keil和proteus這兩款功能強大的仿真軟件的發展，近年來這兩款軟件的仿真能力以及穩定性得到了行業內部的認可。另一方面，來自實驗器材種類和元件經費的限制，也讓學生將目光投向了軟件仿真領域，如果在教學中將keil和proteus結合起來，一個基于單片機的虛擬的系統就在軟件環境中被虛擬的組建起來了。課堂教學或實踐教學中引入keil、proteus軟件，對促進課程和教學改革不僅有利，同時對學生的學習興趣和創新能力方面也是有提高的。

關鍵詞：單片機 虛擬仿真環境 keil Proteus

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（b）-0206-01

單片機的出現改變了整個電子行業的前景。如今，高校里面將單片機這門課程列為專業必修課的有電子信息工程、通信工程和電氣工程及其自動化等專業，而從專業的角度講單片機又是一門實踐性很強的課程。教學過程中可以發現，運用傳統的教學方式在很多方面都趕不上仿真軟件教學。例如：學生只需在電腦上面安裝仿真軟件即可隨時隨地編程和仿真練習，而不受教學場地等的影響，這樣也便于學生課余時間自主學習。在某些不需要硬件電路的課程中，使用keil軟件進行仿真練習就能滿足要求了。大多數的情況下學生因受到場地和器械等限制，而無法正常進行電路的焊接以及搭建練習。如果將keil、proteus兩款軟件在教學環節中有機地結合在一起，那么在組建單片機仿真系統時就會變得容易多了。該系統不僅可以直接仿真硬件，仿真結果還能直接查看，而且操作起來也很靈活。如此一來，學生的學習積極性和教學效果都得到了極大的提高。實踐教學的加強，能讓學生更好的了解和掌握單片機應用系統設計的概念和方法，也是提高教學質量和培養實用型人才的一個重要環節。

1 新形勢下傳統教學模式中顯現出來的弊端

傳統課堂教學介紹的最多的就是單片機片電路接口、程序設計及內資源。而這些教學內容對剛開始接觸的學生來說學起來有一定的難度，甚至有些學生在學完整門課程后，還不知道單片機內部的定時器、中斷等設備到底是如何工作的。即使在多媒體教學廣泛應用的今天，但光靠枯燥的投影、圖片是無法讓學生真正學懂、學透知識的。在以往的課程設計中通常都是采用操作實驗臺的方式來完成的。而以往的課內實驗過程主要完成的步驟依次是連接導線組成電路-運行程序-觀察效果-分析結論，以驗證性實驗為主。但是實驗之后，學生對具體硬件電路和程序編寫還是知之甚少。比方說，在學生完成實驗后提問其某一元器件在電路中所起到作用，或者某條（段）語句的實現功能等，就無法回答了。另一方面，在實驗室做單片機相關實驗時，一旦沒有得到預期的效果，原因查找更為困難，比如線路通斷、焊點虛焊及芯片好壞等問題。實驗臺體積的龐大以及內部結構的復雜，也給維護增加了困難。

2 將仿真軟件引入單片機課堂教學

keil軟件為項目的開發制定了一套完整的方案，其中除了有c編譯、宏匯編外，就連連接器庫管理和仿真調試器都涵蓋了。學生在使用過程中可以進行c語言編程或者是利用匯編語言編程，接著可以進行編譯和仿真方面的練習。

proteus是集電路分析和硬件電路仿真于一體的軟件，有非常好的實用性能，可提供30多個元件庫，混合了模擬電路仿真和spice的數字、自動布線功能及pcb的設計，一個完整的電路設計系統也就實現了。同時，該軟件還提供交流和直流等數千種元器件，以及像電壓表、電流表、示波器、信號發生器等虛擬的電子儀器儀表，使電路測量變得更加方便直觀。此外，還可直接在基于原理圖的虛擬原型上進行編程，并進一步配合顯示及輸出，運行后輸入輸出的效果就可以看到了。結合系統配置的示波器、虛擬邏輯分析儀等，proteus系統還建立了完備的電子設計開發環境。

首先，在進行單片機課堂教學時，可以通過仿真軟件來模擬單片機的運行狀態和過程，比較常用的有proteus。proteus可以實時顯示單片機以及整個電路的工作狀態，大大提高了實驗效果的直觀性。比如：教師可以在課上編寫一些經典的程序并演示，如：跑馬燈、籃球24 s計時器、電機調速及液晶顯示等實驗進行演示。讓學生對單片機應用系統的籠統的感性認識轉變為更為直觀的認識，知其然知其所以然。其次，教學中引入proteus對明確概念、解決疑難也是有利的。教學中較難掌握的一個問題如P0端口作為準雙向口的這個概念以及如何來應用，另外還有中斷是如何產生的，如何區別數碼管的位選和段選，每一位數據是如何在串行通信過程中傳輸教學的重點和難點，這些問題通過在proteus虛擬環境中的演示，就可以讓學生清楚地掌握。另一方面，在仿真過程中，單片機的每一個管腳上面的高低電平變化也被proteus仿真環境中用色點顯示的方式直觀地反映給了使用者。除此之外，學生還可以觀察通過單步調試的方法而導致的引腳的高低電平變化。

3 仿真軟件使單片機實驗教學效果得以提高

在實驗環節的教學過程中，應該高度重視像單片機這種實踐性很強的課程。學生使用實驗臺來完成實驗，因受到單片機課程的課內實驗學時的限制，其效果只能達到演示性及驗證性實驗的層次。要使問題得以解決，則可通過proteus所提供的外設模型和元器件模型，按實驗內容來設計原理圖，再利用儀器儀表的輸入輸出的相關資料來檢測實驗結果，整個顯示電路是由80C51單片機、一個排阻和一個四位一體數碼管便組成。但剛學習單片機的學生在簡單系統的結構、組成及連接方式方面還是很陌生，而這個棘手的問題遇到proteus仿真軟件便迎刃而解了。在課堂上不能見到的實際器件，能夠通過proteus提供的元件庫虛擬化地展現在學生面前，使學生在理解系統硬件組成及設計方法時更加容易，并且學生們可以大膽放手地去做，不必擔心損壞元器件、儀器。再通過keil軟件編寫相關的程序源代碼，最后編譯得到可以輸入到虛擬芯片上面的可執行代碼文件，也就是Led.Hex文件，這個Hex文件不僅可以用于仿真，當仿真完成后也可不做任何改動地直接“燒寫”到實際芯片中。原理圖經過proteus繪制后，再將編譯好的目標代碼文件：Led.Hex調入其中，然后在芯片上雙擊，通過Program File后的文本框調入代碼所在的路徑，通過proteus的原理圖就可以看到模擬的實物運行狀態和過程。

由以上可以看出，通過proteus除了能將許多單片機實例功能形象化可將許多單片機實例運行過程也被形象化了。

4 結語

隨著Proteus軟件被引入課堂教學中，大大刺激了單片機這門課程的教學改革，從經濟性、安全性、可行性等方面都得到了學生們的認可。甚至有很多學生在自己的宿舍組建了項目小組，通過Proteus仿真模擬在項目中即將要遇到的問題，從而大大提高了學生的動手能力以及項目開發的效率，并在最后將其“燒寫”到實際的硬件電路中，獲得了喜人的效果！這樣也在單片機課程設計、畢業設計和大學生電子設計大賽等方面提供了有利的條件。endprint