虛擬仿真技術在《單片機原理及應用》課程教學中的應用

張 鑫

（1.云南麗江師范高等專科學校數學與計算機科學系，云南 麗江 674199）

虛擬仿真技術在《單片機原理及應用》課程教學中的應用

張 鑫

（1.云南麗江師范高等專科學校數學與計算機科學系，云南 麗江 674199）

虛擬技術是提高課堂教學質量與效率的重要手段。本文結合《單片機原理及應用》課程中交通燈設計的實際案例，對虛擬技術在課程教學中應用作了分析和提出了教學建議。

虛擬仿真；單片機技術；交通燈；課程教學

1 什么是虛擬仿真技術

虛擬仿真技術是指用一個系統模仿另一個真實系統的技術，在不同的領域有不同的應用。單片機是現代電子技術的新興領域，是嵌入式系統的基礎。單片機技術在高職高專計算機應用及相關專業中處于核心地位，它是聯系計算機應用中軟硬件相互依賴和作用的橋梁與紐帶。單片機技術在教學中存在原理相對復雜，外圍電路涉及面廣，在教學的實驗操作部分，由于接線繁瑣、電子元器件參數難以匹配等，使得學生對該門課程的學習產生了畏難情緒。通過使用虛擬仿真技術，在原理圖的設計階段就可以很方便地對系統進行設計與評估，并可以通過對元器件參數的調整來達到各項要求，使系統的性能達到最優化，并在此基礎上進行實物的連接與調試，這樣就能很好地解決了理論與實踐之間的關聯問題，提高了教學的效率。

2 什么是Proteus虛擬仿真

Proteus是英國Labcenter公司推出的單片機應用開發平臺，它特有的虛擬仿真技術很好地解決了單片機及其外圍電路的設計與協同仿真的問題，它可以在沒有單片機硬件支持的環境下利用PC以虛擬仿真的方式實現單片機系統的軟硬件同步仿真調試，使單片機應用系統的設計變得簡單易用。Proteus軟件涵蓋了C51、AVR、ARM等目前單片機和嵌入式系統常用的微處理器模型，系統集成了大量74系列、CMOS系列、A/D、D/A轉換器、鍵盤、LCD顯示器等常用器件，還提供了示波器、邏輯分析儀、通信終端等各種虛擬儀表，這些都可直接用于仿真設計，提高了教學原理講解和學生課外拓展的能力訓練，為單片機方面課程的教學提供了極大的便利。

3 如何開展Proteus的虛擬仿真教學

（1）學會使用Keil編譯軟件

要求學生能在C或匯編語言環境下編寫程序并進行編譯，生成在Proteus下可執行的.hex文件。Keil安裝界面如圖1所示。

圖1 Keil編譯軟件的安裝界面

（2）使用Proteus繪制原理圖

以交通燈設計為例，通過Proteus軟件中的元器件搜索按鈕“P”，找出系統所需要的器件：單片機（AT89C52）、電容（CAP/CAP-ELEC）、晶振（CRYSTAL）、電阻（RES）、指示燈（LED），按以下方式進行連接，并對相關參數進行設置，即可完成硬件設計任務，如圖2如示。

圖2 交能燈仿真線路圖

對交通燈控制的程序內容設計如下：

Main.C

/*************交通燈的設計**************

*功能說明：模仿十字路口交通燈，由紅燈轉向

*綠燈經過25S，綠燈轉向黃燈經過5S，黃燈轉向

*紅燈經過20S。

*****************************************/ #include//調用Delay頭文件

P1=0xde;//南北向綠燈亮P1.5=0，東西向紅燈亮P1.0= 0;

P1=0xee;//南北向黃燈亮P1.4=0，東西向紅燈亮P1.0= 0;

P1=0xf3;//南北向紅燈亮P1.3=0，東西向綠燈亮P1.1= 0;

P1=0xf5;//南北向紅燈亮P1.3=0，東西向黃燈亮P1.2=0;

其中Delay.c函數如下：

/********S級延時函數*********/

DELAY頭文件定義如下：

對以上文件進行編譯后生成相應的.hex文件，調入之前設計好的硬件圖中便可實現簡單交通燈的設計與調試。

在此基礎上，可增加顯示模塊，最終實現具有計時顯示功能的普通道路十字路口交通控制燈的模型（程序略），如圖3所示。

圖3 帶計時顯示功能能的交通燈仿真線路圖

（3）加載程序后進行調試，使其達到預先設計的要求和效果。

交通燈是單片機技術學習中具有代表性的案例，學生通過以上仿真技術的練習，能達到對該內容中硬件電路的設計與程序部分的運行調試技術的學習，能使學生快速、準確地掌握單片機的入門知識，對該課程教學有很好的幫助和促進作用。

（4）在調試運行正確的基礎上進行實際電路的焊接與調試，最終完成系統的實際應用。

在完成仿真調試的基礎上，可實施實際電路的設計與調試。對于元器件相對較少、線路連接簡單的電路，可直接進行搭建和連接；對于連線較為復雜的電路，可利用proteus軟件中的ARES模塊功能，實現印刷電路板的設計與調試。

4 仿真教學中需要加強的方面

虛擬仿真技術對知識點的學習與提高具有很好的幫助與促進作用，其核心內容是對硬件的理解與掌握，學習的關鍵內容是程序設計的思想和技巧。在已能對虛擬仿真技術熟練應用的基礎上，要學會通過實物元器件的連接完成相關的實驗操作要求，只有這樣才能算對單片機技術有較為深入和系統的掌握。

4.1 加強對仿真軟件的熟練應用

虛擬仿真軟件proteus雖然對單片機技術的學習有很好的幫助，但作為初學者而言，要掌握虛擬軟件需要一定的時間和精力，尤其是計算機應用方面基礎較弱的學生更要花費較多的時間去熟悉軟件的操作，這比運用單片機實驗箱來完成相關教學內容需要付出更多的時間和精力，一旦掌握了該軟件的基本使用方法，在其后的學習中就會有事半功倍的效果，因此老師在講解單片機的工作原理的同時，就應開始讓學生在課后對軟件的使用多做練習，這樣當學生對單片機有了一定的認識后就可以獨立開展學習探究了，當然，學習是一個循序漸進的過程，需要學生在老師的指導下多加練習和探索。

4.2 通過網絡加強交流

虛擬仿真技術的使用雖然已經有二十多年的時間，但作為真正應用于課堂教學來輔助單片機技術的學習時間還不長，要用好這門技術，除了通過對軟件的學習外，還應利用好互聯網平臺，通過網絡進行提問及搜尋答案，以求在最短的時間內達到最好的學習效果，這也是當今基于網絡和虛擬仿真技術的最好應用。

[1]張志良．單片機原理與控制技術—雙解匯編和C51[M]．北京：機械工業出版社，2013．

[2]馮川放．單片機原理及接口技術[M]．長春：東北現范大學出版社，2014．

[3]彭同明等．單片機原理及應用[M]．北京：中國電力出版社，2014.

[4]班永鑫，賈英民．基于Proteus的嵌入式系統開發方法研究[J]．控制工程，2008，15(6)：692-695．

[5]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等．Proteus教程——電子線路設計、制版與仿真[M]．北京：清華大學出版社，2008．

[6]陳瑋，羅慶躍，王曉芳，等．虛實結合的單片機教學案例創新研究與實踐[J]．電腦與電信，2015(3)：29-30．

TheApplication of Virtual Simulation Technology in SCM Teaching

Zhang Xin
(1.Lijiang Teachers College,Lijiang 674199,Yunnan)

tract】 Virtual technology is the important means to improve classroom teaching quality and efficiency.By introducing the actual case of traffic light design in SCM teaching,the application of virtual technology in teaching is analyzed and some advices for teaching are proposed.

words】 virtual simulation;SCM;traffic light;curriculum teaching

TP368.1-4；G712 文獻表示碼：A

1008-6609(2016)09-0014-04

張鑫，男，云南麗江玉龍人，副教授，研究方向：數字電路、單片機技術及計算機仿真技術等。

云南省教育科學規劃（高等學校教師教育聯盟）教師教育專項課題2015年度推進邊疆民族地區現代信息技術與學校教育教學融合研究，項目編號：GJZ1406。