虚拟仿真技术在《单片机原理及应用》课程教学中的应用

张 鑫

（1.云南丽江师范高等专科学校数学与计算机科学系，云南 丽江 674199）

虚拟仿真技术在《单片机原理及应用》课程教学中的应用

张 鑫

（1.云南丽江师范高等专科学校数学与计算机科学系，云南 丽江 674199）

虚拟技术是提高课堂教学质量与效率的重要手段。本文结合《单片机原理及应用》课程中交通灯设计的实际案例，对虚拟技术在课程教学中应用作了分析和提出了教学建议。

虚拟仿真；单片机技术；交通灯；课程教学

1 什么是虚拟仿真技术

虚拟仿真技术是指用一个系统模仿另一个真实系统的技术，在不同的领域有不同的应用。单片机是现代电子技术的新兴领域，是嵌入式系统的基础。单片机技术在高职高专计算机应用及相关专业中处于核心地位，它是联系计算机应用中软硬件相互依赖和作用的桥梁与纽带。单片机技术在教学中存在原理相对复杂，外围电路涉及面广，在教学的实验操作部分，由于接线繁琐、电子元器件参数难以匹配等，使得学生对该门课程的学习产生了畏难情绪。通过使用虚拟仿真技术，在原理图的设计阶段就可以很方便地对系统进行设计与评估，并可以通过对元器件参数的调整来达到各项要求，使系统的性能达到最优化，并在此基础上进行实物的连接与调试，这样就能很好地解决了理论与实践之间的关联问题，提高了教学的效率。

2 什么是Proteus虚拟仿真

Proteus是英国Labcenter公司推出的单片机应用开发平台，它特有的虚拟仿真技术很好地解决了单片机及其外围电路的设计与协同仿真的问题，它可以在没有单片机硬件支持的环境下利用PC以虚拟仿真的方式实现单片机系统的软硬件同步仿真调试，使单片机应用系统的设计变得简单易用。Proteus软件涵盖了C51、AVR、ARM等目前单片机和嵌入式系统常用的微处理器模型，系统集成了大量74系列、CMOS系列、A/D、D/A转换器、键盘、LCD显示器等常用器件，还提供了示波器、逻辑分析仪、通信终端等各种虚拟仪表，这些都可直接用于仿真设计，提高了教学原理讲解和学生课外拓展的能力训练，为单片机方面课程的教学提供了极大的便利。

3 如何开展Proteus的虚拟仿真教学

（1）学会使用Keil编译软件

要求学生能在C或汇编语言环境下编写程序并进行编译，生成在Proteus下可执行的.hex文件。Keil安装界面如图1所示。

图1 Keil编译软件的安装界面

（2）使用Proteus绘制原理图

以交通灯设计为例，通过Proteus软件中的元器件搜索按钮“P”，找出系统所需要的器件：单片机（AT89C52）、电容（CAP/CAP-ELEC）、晶振（CRYSTAL）、电阻（RES）、指示灯（LED），按以下方式进行连接，并对相关参数进行设置，即可完成硬件设计任务，如图2如示。

图2 交能灯仿真线路图

对交通灯控制的程序内容设计如下：

Main.C

/*************交通灯的设计**************

*功能说明：模仿十字路口交通灯，由红灯转向

*绿灯经过25S，绿灯转向黄灯经过5S，黄灯转向

*红灯经过20S。

*****************************************/ #include//调用Delay头文件

P1=0xde;//南北向绿灯亮P1.5=0，东西向红灯亮P1.0= 0;

P1=0xee;//南北向黄灯亮P1.4=0，东西向红灯亮P1.0= 0;

P1=0xf3;//南北向红灯亮P1.3=0，东西向绿灯亮P1.1= 0;

P1=0xf5;//南北向红灯亮P1.3=0，东西向黄灯亮P1.2=0;

其中Delay.c函数如下：

/********S级延时函数*********/

DELAY头文件定义如下：

对以上文件进行编译后生成相应的.hex文件，调入之前设计好的硬件图中便可实现简单交通灯的设计与调试。

在此基础上，可增加显示模块，最终实现具有计时显示功能的普通道路十字路口交通控制灯的模型（程序略），如图3所示。

图3 带计时显示功能能的交通灯仿真线路图

（3）加载程序后进行调试，使其达到预先设计的要求和效果。

交通灯是单片机技术学习中具有代表性的案例，学生通过以上仿真技术的练习，能达到对该内容中硬件电路的设计与程序部分的运行调试技术的学习，能使学生快速、准确地掌握单片机的入门知识，对该课程教学有很好的帮助和促进作用。

（4）在调试运行正确的基础上进行实际电路的焊接与调试，最终完成系统的实际应用。

在完成仿真调试的基础上，可实施实际电路的设计与调试。对于元器件相对较少、线路连接简单的电路，可直接进行搭建和连接；对于连线较为复杂的电路，可利用proteus软件中的ARES模块功能，实现印刷电路板的设计与调试。

4 仿真教学中需要加强的方面

虚拟仿真技术对知识点的学习与提高具有很好的帮助与促进作用，其核心内容是对硬件的理解与掌握，学习的关键内容是程序设计的思想和技巧。在已能对虚拟仿真技术熟练应用的基础上，要学会通过实物元器件的连接完成相关的实验操作要求，只有这样才能算对单片机技术有较为深入和系统的掌握。

4.1 加强对仿真软件的熟练应用

虚拟仿真软件proteus虽然对单片机技术的学习有很好的帮助，但作为初学者而言，要掌握虚拟软件需要一定的时间和精力，尤其是计算机应用方面基础较弱的学生更要花费较多的时间去熟悉软件的操作，这比运用单片机实验箱来完成相关教学内容需要付出更多的时间和精力，一旦掌握了该软件的基本使用方法，在其后的学习中就会有事半功倍的效果，因此老师在讲解单片机的工作原理的同时，就应开始让学生在课后对软件的使用多做练习，这样当学生对单片机有了一定的认识后就可以独立开展学习探究了，当然，学习是一个循序渐进的过程，需要学生在老师的指导下多加练习和探索。

4.2 通过网络加强交流

虚拟仿真技术的使用虽然已经有二十多年的时间，但作为真正应用于课堂教学来辅助单片机技术的学习时间还不长，要用好这门技术，除了通过对软件的学习外，还应利用好互联网平台，通过网络进行提问及搜寻答案，以求在最短的时间内达到最好的学习效果，这也是当今基于网络和虚拟仿真技术的最好应用。

[1]张志良．单片机原理与控制技术—双解汇编和C51[M]．北京：机械工业出版社，2013．

[2]冯川放．单片机原理及接口技术[M]．长春：东北现范大学出版社，2014．

[3]彭同明等．单片机原理及应用[M]．北京：中国电力出版社，2014.

[4]班永鑫，贾英民．基于Proteus的嵌入式系统开发方法研究[J]．控制工程，2008，15(6)：692-695．

[5]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等．Proteus教程——电子线路设计、制版与仿真[M]．北京：清华大学出版社，2008．

[6]陈玮，罗庆跃，王晓芳，等．虚实结合的单片机教学案例创新研究与实践[J]．电脑与电信，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 文献表示码：A

1008-6609(2016)09-0014-04

张鑫，男，云南丽江玉龙人，副教授，研究方向：数字电路、单片机技术及计算机仿真技术等。

云南省教育科学规划（高等学校教师教育联盟）教师教育专项课题2015年度推进边疆民族地区现代信息技术与学校教育教学融合研究，项目编号：GJZ1406。