單片機實驗室的建設

摘 要：單片機是電子工程專業的一門關鍵學科，也是一門實踐性很強的學科，因此在單片機教學過程中，單片機實驗室發揮著重要的作用。但是就目前而言，單片機實驗室教學存在著很多問題，通常情況下只配置了數量有限的硬件設備，不能提供數量足夠的仿真器、編程器、實驗電路等設備，在理論課堂中也沒有足夠的輔助軟件協助教學，缺乏軟環境的建設，在設備維護保養方面也沒有做出相應的重視。

關鍵詞：單片機；實驗室；建設

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.096

0 引言

單片機課程是一門實踐性非常強的課程，原理性非常抽象，學生學習起來比較困難，因此需要開設單片機實驗實訓課程輔助教學，通過大量的實驗項目幫助學生更好的理解課程理論知識，同時不斷提高學生的實踐操作能力，讓學生真正掌握單片機在實際生活中的運用。近年來，隨著仿真技術的發展，仿真單片機的建設已經在高校得到了廣泛的應用。

1 仿真單片機實驗室的建設方案

1.1 傳統單片機實驗室存在的不足

在傳統的的單片機實驗室中，學校需要投入大量的資金建設各項設備，隨著高校招生規模不斷擴大，需要建設大量的實驗設備，者對學校來說是非常困哪的，很多單片機教學儀器和設備都得不到及時的配置和更新，一些硬件設備還停留在比較落后的階段。此外，由于儀器設備的重復使用，很多儀器容易老化和發生故障，而對儀器設備的維護和維修力度不夠。在實驗教學過程中，教學內容往往局限了一些驗證性實驗，缺乏對學生自主探究能力的提高和培養。在以往的實驗教學過程中，學生通常是在教師的引導下完成實驗步驟，從而掌握一定的實驗技能。通過這種實驗方式，雖然學生對于單片機技術有一定的了解，同時也掌握了相關的實驗技能，在一定程度上提高了學生的實踐動手能力。但是，學生在實驗過程中，依然沒有進行主動學習，無論是實驗步驟還是實驗探究目的都是固定的，學生并沒有經過自身的思考，對于提高學生的實驗探究能力并沒有多大幫助。

1.2 仿真單片機實驗室的優勢

考慮到傳統單片機實驗室存在的多種問題，基于仿真軟件的單片機實驗室建設的運用越來越廣泛。通過單片機仿真實驗室，很多仿真的實驗和工作都可以在軟件的環境中得以實現，不僅使學生的實驗教學更加便捷，同時還可以減少單片機實驗室建設的大量資金，解決了資金不足的困境。仿真單片機實驗室的建設是以 Proteus 為軟件平臺設計制作的一套單片機實驗系統，在這套單片機實驗系統中，主要包括LCD 模塊、數碼顯示模塊、板上集成 LED 模塊、鍵盤模塊、串口通信模塊和蜂鳴器模塊等，可以實現串口通信系統、I/O 口設計系統的應用等。在仿真單片機實驗室中，學生可以從簡單到困難掌握單片機技術，通過對復雜項目的分解，可以幫助學生更直觀的認識、更好的理解。在仿真單片機實驗室中，可以實現傳統實驗室的所有功能，此外，還可以提供開放性實驗的服務，學生可以利用自己所掌握的知識設計自己的電子產品。

1.3 Proteus 軟件的強大功能

Proteus 軟件是混合電路仿真軟件，具有數字電路、模擬電路和模/數混合電路的仿真平臺和設計平臺，也是多種型號微控制器系統的仿真平臺和設計平臺。通過Proteus 軟件，可以在計算機上進行電路分析和設計等。Proteus 軟件主要有兩個部分組成，智能原理圖輸入、模擬系統和高級布線及編輯軟件。Proteus 軟件具有非常強大的功能，可以提供非常豐富的元器件庫，共有三十多個庫共八千多個元器件，具有數字電路、模擬電路的仿真，用戶主要通過單機鼠標、可調電阻和電位器等外設的模型，就可以根據輸入的信號使單片機做出對應的響應，并且將處理結果顯示在動態的顯示器中，從而是吸納了用戶和系統的交互性仿真。其次，Proteus 軟件還可以提供多種虛擬儀器和各種調試信號，例如信號發生器、示波器以及顯示設備，從而使系統的仿真調試更加方便。除此之外，Proteus 軟件還可以支持主流單片機系統的仿真，比傳統的單片機實驗班支持的系統和芯片要多的多。Proteus軟件具有調試功能，具有設置斷點、單步和全速等功能，還可以通過第三方的軟件編譯和調試環境實現調試功能。Proteus軟件還具有PCB設計功能和原理圖繪制功能，可以生成多種不同形式的文件，并且提供專用的PCB設計工具，從而進行設計。

2 仿真單片機實驗室的建設過程

在構建仿真單片機實驗室的過程中，主要包括四個方面的過程，Proteus仿真軟件的安裝運行、設置實驗室的硬件電路、由Proteus仿真軟件提供實驗室資源和Proteus仿真軟件的調試。

2.1 Proteus仿真軟件的安裝運行

Proteus仿真軟件的安裝是在默認的目錄下完成的，安裝完成之后就是要運行Proteus仿真軟件的ISIS程序。ISIS程序的運行是在仿真軟件的主頁面上，將system下的圖形、顏色以及view菜單下的捕捉等設置好。選擇工具欄中的p命令，此時就可以在pick devices的窗口中選擇實驗室構建需要使用的元件，并將這些元件放置在相應的位置，設置好元件的參數，并將不同的元器件之間用線連接。完成之后，則需要在source菜單下選擇Define code generation tools菜單命令，選擇編譯程序的方法、擴展名和工具等，在source菜單命令下加入單片機硬件電路的對應程序，通過一定的命令仿真電路和程序的具體運行情況。用debug菜單下的execute菜單項或F12快捷鍵啟動程序使其運行，選擇debug菜單下的pause 健或者pause animation菜單項使系統的運行暫停，而debug菜單下的stop animation菜單項則可以使系統的運行停止。

2.2 設置實驗室的硬件電路

設置實驗室的硬件電路需要從兩個方面來完成，包括系統擴展和系統配置。系統配置主要是按照系統的實際要求來對外周設備進行配置，并且設計合適的電路接口。系統擴展是當單片機自身的功能單元不能滿足應用系統的需求時使用的功能，例如單片機的計數器、定時器等功能單元不能滿足系統的需求，就需要在片外進行擴展，選擇合適的芯片設計電路，從而使容量滿足系統的需求。

2.3 Proteus仿真軟件提供實驗室資源

Proteus仿真軟件提供的實驗室資源主要有三個方面的資源，主要包括元件庫、虛擬測量工具箱和圖形顯示功能模塊。Proteus仿真軟件可以提供三十多個元件庫，共有八千多個元器件。元件庫主要包括二極管、三極管、電阻、電路和電容、交流電路、直流電路等各種元器件的元件庫。正是因為Proteus仿真軟件可以提供豐富的元器件庫，因此在進行原理布圖時，只需要通過對應的元器件之間的連線和調用就可以實現，正確的設置每一個元件的屬性，就可以完成整個原理的繪圖，接下來就可以進行仿真實驗和虛擬測量了。

Proteus仿真軟件提供的虛擬測量工具箱就是提供虛擬測量功能的工具，在單片機的實驗室中，儀器儀表的測量工作是一個非常關鍵的工作，因此必須要具備一定數量的測量工具，包括各種類型的，才能保證對不同測量要求都可以進行測量工作，為了保證測量的精密度，還需要保證工具箱的質量。Proteus仿真軟件的虛擬工具箱具有電路測試中常見的工具和儀器，在仿真測量的過程中，可以對相關的電路參數進行觀測，并且在測量過程中還可以實時觀查測量的結果。

Proteus仿真軟件還具有圖形顯示功能模塊，可以通過圖形的形式將線路上的變化信號顯示出來，作用好示波器的功能差不多，但是比示波器的功能更強大。操作人員可以利用圖形顯示功能模塊觀察電路的運行情況。

2.4 Proteus仿真軟件的調試

Proteus仿真軟件提供了多種測量信號，可以實現對單片機硬件電路的測量和測試，這些測量信號主要包括數字信號和模擬信號。Proteus仿真系統中具有調試功能，具有設置斷點、單步和全速等功能，還可以通過第三方的軟件編譯和調試環境實現調試功能。雖然Proteus 軟件不支持C語言，但是卻可以連接C語言 KeilC51 集成開發環境，可以將C語言編寫的程序使用匯編進行編譯，然后進行系統的仿真。

3 結語

隨著仿真技術的不斷發展，仿真單片機實驗室建設已經成為了高校人才培養的新方向，仿真單片機實驗室的構建避免了傳統單片機實驗室的多項缺點，滿足了學生對單片機教學大量實驗的要求，并且可以有效減少學校的實驗室建設的資金投入，不用過多的考慮單片機實驗設備和器材的維護和保養問題等，取得比傳統實驗室更好的實踐效果，提高學生單片機實踐能力和應用能力。

參考文獻：

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作者簡介：楊博（1981-），男，湖南常德人，本科。