Proteus和Keil C51在單片機實驗教學中的應用研究

郭一軍　周武　胡娟

摘 要 實驗教學是單片機教學的一個重要組成部分，對于提高學生動手能力，培養創新思維和科學探索精神具有非常重要的作用。本文針對單片機實驗教學的現狀，提出一種軟硬結合的單片機實驗教學方法，以增強學生的系統設計能力，提高單片機課程實驗的教學效果。

關鍵詞 單片機 教學效果 仿真實驗

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.028

Abstract Experimental teaching is an important part of the single chip microcomputer teaching， which plays a significant role in improving students' practical ability， cultivating innovative thinking and scientific exploration spirit. Aimed at the present situation of single chip microcomputer experiment teaching， a teaching method combined the software and hardware is proposed in this paper， so as to enhance the students' system design ability and to improve the experimental teaching effect of single-chip microcomputer.

Keywords single chip microcomputer; teaching effect; simulation experiment

單片機是高等學校電類專業的基礎核心課程，具有較強的實踐性和工程性，對培養學生實踐能力和創新能力、打造一批適應國際分工與合作的單片機開發工程師有著十分重要的作用。[1，2]單片機的課程性質及應用屬性決定了單片機課程實驗教學的重要地位，通過實驗教學不僅可以加深學生對理論知識的理解和掌握，鞏固所學理論知識，提升他們分析問題和解決問題的能力，而且還有助于培養他們的學習興趣，激發潛能，增強學習的積極性和主動性。基于虛擬仿真技術的實驗教學直觀生動，不受時間場地的限制，沒有器材消耗，容易開展創新性實驗，并且學生在實驗之前可以自由設計，充分發揮學生的主觀能動性及創新能力。[3-5]本文基于Proteus和Keil C51軟件，以無線遙控密碼鎖項目設計為例，研究了Proteus和Keil C51軟件在單片機實驗教學中的應用。

1 單片機實驗教學現狀

首先，多數高校的單片機實驗是在實驗箱上完成的，實驗箱面板提供了一些插口用于實現單片機與各外圍電路模塊的連接，同學做實驗時只要對照實驗指導書用導線連接相關插口，再用鍵盤輸入程序，即可完成實驗。這樣一種實驗方式注重的是結果，而不是過程，學生做完實驗后，僅僅是看到了實驗的結果，至于實驗背后的各芯片間是如何接口的、程序是如何設計的以及為了輸出這樣一個實驗結果軟硬件是如何調試的等問題，對于絕大多數同學來說是不清楚的。所以，在實驗箱上只能完成驗證性實驗的要求，整個實驗過程難以調動學生實驗學習的積極性，學生參與度不高，不利于所學理論知識的消化吸收。

其次，實驗內容安排極不合理，受到實驗課時或實驗設備等諸多因素的影響，單片機實驗幾乎都是驗證性實驗，沒有研究探索性或綜合性實驗，實驗內容缺乏挑戰性。在實驗教學中，如果以驗證性實驗為主，就無法保證實驗的創新性，不利于培養學生的創新能力，學生發現問題、解決問題的能力就得不到提高，[6]也不利于學生綜合設計能力的提升。另外，實驗項目以驗證性實驗為主，實驗過程中學生并未獲得充分的實踐性與自主性，學生對于單片機的理解和認識仍停留在表層，這樣使得單片機課程的教學效果與教學目標之間存在一定的差距。[7]

最后，實驗教學手段單一，所有學生在同一試驗箱上進行同樣的實驗，且實驗流程基本固定，留給學生自主思考和設計的空間很小，從而限制了他們創造力的發揮，不利于創新性人才的培養。

2 軟硬結合的單片機實驗教學方法

利用Proteus和Keil C51軟件學生可以在自己的電腦上構建功能強大的虛擬仿真實驗室。在進行實物驗證實驗之前，學生先用Proteus設計仿真電路，用Keil C51編寫實驗仿真程序，并將Keil C51編譯通過的程序下載到仿真電路的單片機中進行仿真實驗，從而驗證自己設計的程序和電路是否存在問題。當仿真通過以后，再到實驗室的硬件上進行實物驗證實驗，可以避免直接實物驗證實驗中只注重實驗結果不注重實驗過程的缺陷，使學生對實驗有一個更深刻、更直接的認識，顯著提高實驗效果。

在完成了實物驗證實驗后，教師可以安排一定課時開展實物設計實驗。實物設計實驗不僅要完成系統的硬件設計和軟件設計，還需要學生完成PCB板的制作、元器件焊接以及聯機調試等工作，是對學生所學理論知識的一次綜合考察，能夠很好地鍛煉和培養學生的實踐動手能力和創新能力，更能夠體現教師的教學水平。在進行實物設計時，教師可以給出一些設計項目供同學選擇，項目要求具有一定的難度，能夠體現學生對知識的綜合運用能力和設計水平。實物設計實驗不同于實物驗證實驗，實物設計實驗的硬件電路不是現成的是需要學生自己設計的，如果硬件電路設計出現問題，那么需要重新制版焊接，增加元器件及芯片的消耗，延長設計周期。因此，學生在進行實物設計實驗時不要急于搭建硬件電路，可以先查閱相關文獻，確定項目的設計方案，再利用仿真軟件設計項目的硬件和軟件并進行仿真調試，待仿真調試通過后再進行具體硬件電路的設計工作。這樣可以極大提高項目的設計效率，減少元器件及芯片的消耗。

3 單片機實驗教學案例設計

3.1 項目硬件電路設計

項目硬件電路設計包括：紅外遙控器電路、紅外遙控接收電路、穩壓電路、報警電路、液晶顯示電路、驅動電路、復位電路以及時鐘電路的設計。這里紅外遙控電路采用現成的紅外遙控器;紅外遙控接收電路由IR1308構成;穩壓電路由三端穩壓集成電路LM7805和電容構成;報警電路由無源蜂鳴器、P型MOS及10千歐的電阻構成;液晶顯示電路采用1602液晶顯示器，用于顯示密碼輸入提示信息、密碼修改提示信息及密碼錯誤信息等;驅動電路為密碼鎖驅動電路，由光耦、MOS管、電阻和電容構成。

3.2 項目軟件設計

完成項目的硬件電路設計后，即可進入項目的軟件設計部分。編寫軟件時，要求學生首先設計軟件系統整體工作流程圖，按功能劃分模塊，設計出每個模塊的工作流程圖并編寫軟件程序，最后進行軟件模塊集成。[8]軟件設計通過Keil C51完成，采用模塊化設計，主要包括主程序設計、紅外接收解碼子程序設計、密碼判斷子程序設計、報警子程序設計、密碼修改子程序設計、1602顯示子程序設計。

3.3 仿真調試

利用Proteus軟件設計好仿真原理圖以及由Keil C51軟件設計好系統程序后，即可進入仿真調試階段。通過仿真調試學生可以發現項目硬件設計和軟件設計中所存在的一些問題，從而鍛煉他們獨立分析問題和解決問題的能力。

3.4 項目實物設計

項目通過仿真調試后，如果需要進行實物設計，就可在Proteus軟件中將硬件電路仿真原理圖轉化為PCB圖，再由PCB圖制作印刷電路板，最后是完成電路的焊接組裝以及項目的軟硬件聯機調試工作。

4 結束語

本文將基于Proteus和Keil C51軟件的仿真技術融入單片機實驗教學，以解決現有實驗教學學生參與度低、實驗內容安排不合理以及實驗教學手段單一等問題。從而提升了單片機實驗教學的靈活性，激發了學生實驗探索的興趣，為他們全面掌握單片機系統的開發設計能力、將所學理論知識應用于實踐創新創造了充分的條件。

參考文獻

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[8] 譚筠梅，李玉龍，王履程.基于Proteus的單片機虛擬仿真實驗案例設計[J].實驗技術與管理，2018，35（05）：122-125.