仿真技术在单片机教学中的应用

石 瑛

（黄山学院信息工程学院，安徽黄山245041）

仿真技术在单片机教学中的应用

石 瑛

（黄山学院信息工程学院，安徽黄山245041）

通过研究传统单片机教学的弊端,结合教学的实际条件，把PROTEUS应用到单片机课堂教学中，它真正实现了在计算机上完成从原理图与电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的设计与仿真过程。实际应用表明,不但解决了学生实践能力的培养问题，而且提高了单片机设计过程的效率。

仿真；单片机；PROTEUS；汇编编译；调试

1 引言

由于计算机技术的飞速发展，许多领域都出现了仿真系统，明显促进了各领域科技事业的发展。仿真技术的出现与发展是科技发展的必然结果，是现代科技的关键技术之一，并逐渐成为科技人员的必备技术。[1]PROTEUS是英国Iabcenter公司研发的多功能电子辅助仿真设计软件。[2]PROTEUS是模拟电路、数字电路、模数混合电路的设计与仿真平台,也更是单片机系统先进的设计与仿真平台。它真正实现了在计算机上完成从原理图与电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的设计与仿真过程。[3]

PROTEUS能设计并仿真由ARM7、805x、PIC、AVR、HCll等系列单片机构成的系统，有数千种元器件仿真模型，有示波器、逻辑分析仪等10多种虚拟仪器，有各种信号激励源，有ASF高级图表仿真。PROTEUS还提供了编辑源程序、生成目标代码、调试和与第三方集成开发环境联合仿真的环境。PROTEUS为单片机教学与应用研发提供了一个完整的虚拟实验室。[4]由于PROTEUS仿真模型是根据生产厂家提供的技术参数文件来建立的，所以仿真极接近实际，这使它超越了“虚拟”成为具有现实意义的教学、研发平台。

单片机教学和实验中很多重点、难点也无法用演示实验解释清楚。学生用单片机实验箱做实验，因实验箱封闭性、显示信号不佳等缺点致使效果不佳。学生感到难做、难懂，而这些问题都可以用PROTEUS解决。单片机教学的主要目的是让学生掌握单片机硬件、软件开发的技能，初步具备一般应用课题设计开发的能力。但是由于教学资源有限，使单片机理论教学和培养学生的实践能力的差距很大，甚至有些学生学完了一学期的理论课，遇到一个简单的设计课题就感到无从下手。究其原因，主要是由于课堂教学和实践相脱节，教师没有通过课堂教学为学生提供一个设计开发的应用平台，使得原本简单的设计过程变得复杂而难以理解，学生没有得到一定实践能力的培养。例如，做“用SRAM扩展单片机RAM技术”实验，如果学生先用PROTEUS进行该实验的设计与仿真，效果明显增大。[5]

2 研究内容、目标、要解决的问题和主要特色

2.1 研究内容

2.1．1 将PROTEUS引入课堂教学

依据单片机应用与技术教学大纲的内容，设计演示实验，根据每章的教学内容，设计实验见表1。

表1 仿真实验计划表

2.1．2 将PROTEUS引入单片机原理实验室

学生先进行PROTEUS设计与仿真，仿真成功后，再进行实际实验。PROTEUS参与的单片机系统开发过程一搬分为4步。

1.在PROTEUS平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等(简称PROTEUS电路设计)；

2.在PROTEUS平台上进行单片机系统潦程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件(*．hex)(简称PROTEUS软件设计)；

3.在PROTEUS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真（PROTEUS仿真)；

4.仿真正确后，安装实际单片机系统电路，并将网标代码文体(*．hex)下载到实际单片机中运行、调试。若出现问题，可与PROTEUS设计与仿真相互配合调试，直至运行成功（简称实际产品安装、运行与调试)。[6]

2.2 研究目标

1.为提高教学效果，利用PROTEUS仿真软件把教学大纲的里包含的部分软件和硬件实验，在课堂演示，提高授课的效果。

2.把PROTEUS仿真软件应用在实验教学中，提高单片机设计的成功率，避免多次修改软件费时费力。[6]

2.3 要解决的问题

1.教师必须掌握PROTEUS仿真软件的基本操作，完成单片机教材中的演示实验内容。

2.实验教学中学生利用PROTEUS仿真软件开发产品或进行课程设计，可以经过PROTEUS仿真软件的操作培训，这项工作有本项目组成人员共同承担。[7]

2.4 主要特色

在教学中学生反映单片机课难懂，难学。为提高教学效果，曾将演示电路板或单片机实验箱带到教室演示。但教学效果并不理想，而且每次演示前要做很多的准备工作，甚至超过了正常备课工作量的几倍，费时费力。因为演示的时候除了要带电路板或实验箱外，还需要携带计算机、电源、仿真器、编程器等。[8]

单片机实验教学是以MCS-51单片机为核心，在实验课程设计中单片机应用设计分为硬件和软件设计的两方面内容。传统单片机的设计流程为：

图1 传统单片机设计流程图

把PROTEUS仿真软件引入到教学和实验中，使教学效果更生动，更容易让学生接受，更能激发学生的学习兴趣。[9]例如高考倒计时LED显示牌的设计课题，教师通过板书画图可以勾画出设计的基本界面，或通过多媒体让学生看到设计的界面和电路板外观，但是在解释电路板原理、软件设计过程和产品工作的动态过程，仅仅用板书和多媒体是远远不够的。图2是PROTEUS仿真软件对高考倒计时LED显示牌的设计课题的仿真截图和电路板的3D效果图，学生在课堂上就可以看到整个单片机设计的过程，直观又生动。

图2 高考倒计时LED显示牌仿真效果图

3 预期效果与具体成果

用PROTEUS仿真软件把教学大纲里包含的部分软件和硬件实验，在课堂演示，提高授课的效果。[10]把PROTEUS仿真软件应用在实验教学中，在学生进行单片机课程设计的时候运用PROTEUS仿真，提高单片机设计的成功率，避免多次软件和硬件，可以节约制作电路板的费用，同时也提高了学生课程设计的效率。

图3 PROTEUS仿真3D图

[1]陈炳杰,余里超.基于Proteus与Keil的虚拟实验室构建[J].茂名学院学报，2009，19（03）:65-68.

[2]庄立运,王晓辉.Proteus在数字电子技术课堂教学中的应用探讨[J]，科技信息，2011，13:86.

[3]夏新恩.基于PROTEUS仿真设计的实验教学探索[J].韶关学院学报，2009，30(06):146-150.

[4]赵巧妮.Proteus在单片机仿真中的应用[J].自动化技术与应用，2009，28(06):113-115.

[5]周灵彬,张靖武.创建Proteus动态器件仿真模型的技术[J].现代电子技术，2009，32(12):152-155.

[6]陆中宏.基于Proteus软件的单片机控制系统设计与制作工业技术与职业教育[J].2011,8(1):40-41.

[7]陈昶.电子仿真软件在单片机电路仿真中的应用[J].山西科技，2009，(2):35-36.

[8]范程华,蒋先伟,鲁世斌,等.Proteus在电工电子实训中的应用[J].电子设计工程，2011，19（7）:17-19.

[9]苏变玲,朱志平,袁卫.基于Proteus的单片机仿真教学的研究[J].实验室研究与探索，2009，28(4):75-78.

[10]黄贞,李俊雄,周朱武.Proteus软件在单片机实验教学中的应用[J].中国教育技术装备，2009，(9):57-59.

责任编辑：胡德明

Abstract:By studying the defect of the traditional SCM education and combining the actual conditions of teaching,this paper tries to apply Proteus into SCM classroom teaching to complete whole design and simulation process from schematic and circuit design to circuit analysis and simulation to SCM code debugging to system testing to function verification and PCB design and simulation.Practical application shows that it can not only solve problems of training students'practice skill but also improve the efficiency of SCM design process.

Key Words:simulation;single chip microcomputer;PROTEUS;assemble and compile;debug

The Application of Simulation Techniques in Single Chip Microcomputer Education

Shi Ying
(School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan245021,China)

G642.0

A

1672-447X（2012）03-0128-003

2011-11-09

安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ2011B164);黄山学院教学研究项目(2009JXYJ10)

石瑛（1974－），江苏溧阳人，黄山学院信息工程学院实验师，硕士，研究方向为机器人及语音识别。