虛擬仿真軟件在單片機實驗教學中的應用

宇文珊+王霞+井田

摘 要 本文主要總結《單片機技術》實驗課程教學中的問題，著手研究，將虛擬仿真與實際硬件相結合，盡量運用直觀，任務驅動型的教學，有的放矢的學習，側重培養學生單片機設計的系統設計能力。

關鍵詞 虛擬軟件 任務驅動 單片機實驗

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A

1 當前單片機教學中存在的問題

單片機技術是電子工程專業一門重要的專業基礎課程，為以后的嵌入式學習，以及參加各類電子設計競賽打下良好的基礎，單片機技術在實踐及畢業設計中應用也非常廣泛。但是由于理論課知識點分散，而且當前的大多單片機實驗課程采用已設計完成的實驗板進行實驗，側重于軟件編程的學習，而完整的單片機系統設計包括繪制電路原理--制作電路板--焊接元器件-硬件電路測試-軟件編程及軟硬件聯調等步驟。因此，要完成一項單片機系統的設計，需經過較長的時間，只采用實驗板進行實驗教學，學生只能停留在課堂理論教學與實驗室的驗證實驗層面上，對系統的開發得不到鍛煉，而且實驗離開實驗室無法進行自主學習，有很大的局限性。引入Proteus虛擬仿真可以很好的解決這一問題，并為單片機課程的實驗教學提供有力的支持。

2 Proteus軟件在單片機技術實驗教學中的作用

2.1 在單片機教學中引入Proteus仿真

Proteus仿真可以直觀的讓學生看到實驗結果，加深對理論知識的理解，在教學過程中引入虛擬仿真，既不需要增加教學成本，又可以提高學生的學習興趣。將小的知識點，驗證性的實驗主要由學生自主完成。對于驗證性實驗，可以由學生采用不同方法來實現，由于單片機是模塊化的設計，不同的電路也具有良好的移植性。利用虛擬環境進行設計，修改調試，從而幫助學生拓展思路，提高學生舉一反三的學習能力。Protues虛擬環境不僅為學生提供了自行學習和應用創新的平臺，而且引入Proteus仿真還可以降低了實驗室建設和運行成本。

2.2 Proteus在創新實踐及畢業設計中應用

Proteus具有原理圖編輯，印刷電路板設計及仿真功能。其中電路仿真的交互化、可視化，支持主流單片機系統的仿真是其最大特點。Proteus的ISIS編輯環境提供了大量的元器件，常見的芯片及各種虛擬儀器儀表如示波器，邏輯分析儀，電壓表，電力表等，學生在參與創新實踐及畢業設計時，利用Proteus完成前期的學習準備工作，進行輔助仿真，在利用元件庫中的各種元器件搭建好需要的電路后，還可以利用系統里的各種虛擬儀器進行電路的調試，動態的人機交互式仿真非常接近現實的環境。學生利用一臺電腦即可完成前期的準備工作，虛擬環境仿真成功后再加工制作實際電路，降低學習成本，提高了設計的效率。

3 教學實踐案例

單片機學習必須經過硬件軟件的聯合系統設計才能領會其設計思路。所以在教學過程中將任務進行分解，首先了解設計目標，按照任務目標進行芯片資料收集及相關知識準備，再按照設計思路在Proteus中設計硬件模塊，編寫程序并在虛擬環境中調試仿真。虛擬環境側重系統設計及邏輯驗證，最后的編程要能通過實驗板電路進行功能驗證。

3.1 教學設計及安排

在教學中針對學生本身的特點進行分層次教學，有計劃的訓練學生的綜合應用能力、實際動手能力、工程應用能力和創新能力。每一實驗項目以任務為導向，首先按照任務目的，對所學知識進行梳理總結，圍繞IO口實驗、數碼管顯示實驗、矩陣鍵盤實驗、定時器中斷實驗、溫度傳感器實驗展開單片機內外部資源的學習和應用。力求做到有的放矢的進行訓練，學做合一，融趣味性于學習中。

3.2 實踐教學案例

下面以溫度傳感器實驗為例，利用單片機AT89C52RC與DS18B20設計一個數字溫度計，檢測并在數碼管上實時顯示溫度值。先在虛擬環境中模擬實驗板搭建硬件系統，再根據硬件電路進行編程，最后在兩種環境中進行仿真驗證。

設計任務分析：設計一個數顯式溫度計，要求使用范圍-40～99攝氏度。

實驗步驟及所需知識：

（1）收集芯片資料，了解DS18B20的引腳及功能；

（2）閱讀時序圖，充分掌握初始化流程，數據讀寫流程；

（3）延時函數的計算方法；

（4）學習數碼管動態顯示方式的原理及編程實現；

（5）根據任務需求，按功能模塊完成實驗電路的搭建；

（6）軟件編程、編譯及軟硬件聯合調試。

硬件電路設計及端口分配：根據任務要求，電路系統需要單片機最小系統，溫度采集芯片DS18B20，以及溫度顯示模塊。主控芯片選用AT89C52；溫度采集電路中DS18B20采用單總線方式通訊，由P3.0端口控制；顯示電路可選用四個共陽極數碼管，分別顯示溫度的符號位，兩位溫度值，最低位顯示C代表單位攝氏度，工作方式為動態顯示，數碼管段選由P0端口控制，位選由P2.0-P2.3控制（如圖1）。

軟件流程圖 根據設計流程完成程序流程圖的設計，如圖2所示。

軟硬件聯合仿真及驗證：分別將編譯生成的目標文件分別加載到虛擬仿真環境及實驗版中如圖3所示。

5 總結

在單片機實驗教學中，引入虛擬軟件到單片機實驗教學，改變了以往側重軟件編程而忽略電路設計的教學現狀，不僅能促進學生對單片機的認識，同時有利于學生分析問題的應用單片機進行項目實現及創新的綜合能力的提高。

參考文獻

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