虚拟仿真技术在单片机教学中的应用分析

许燕

摘   要：单片机具有体积小、耗能低、控制功能强、扩展灵活等特点，已经在多个领域得到广泛应用，各大高校电子信息专业也逐渐开始开设单片机课程。单片机课程是一门实践性非常强的课程，为了解决课堂教学死板、受时间与空间限制等问题，将虚拟仿真技术运用在单片机教学中，通过实例分析来验证虚拟仿真技术在单片机教学中应用的可行性。

关键词：虚拟仿真;单片机教学;应用分析

随着社会科技的进步与发展，高等院校的教学已经将单片机课程放在重要位置。单片机技术成为工科专业学生必须掌握的基本技术，是学生走向社会需要具备的重要专业技能。单片机技术会涉及通信、微机接口、编程等多方面知识，是一项软件、硬件相结合的技术。先理论后实践的传统教学方式的教学效果并不乐观，单片机教学需要结合应用型人才的需求，将虚拟仿真技术融入教学的各个环节中，培养学生软硬件设计能力，提高实践能力与创新能力，将抽象的教学内容直观化，进一步改善教学效果。

1    单片机教学现状分析

1.1  课堂教学不够直观

传统的单片机教学大多采用板书与多媒体课件相结合的手段来进行理论教学，然后通过试验箱进行一些验证性的实验，实践操作与理论知识脱节。在理论教学中，讲解的内容往往比较抽象，课堂实例也不能够检验接口电路的可行性，无法对电路运行的最终结果进行判定，学生缺乏直观的体验与认识，严重影响学生积极性，试验箱的验证也仅是简单地连线便可完成，学生无法了解单片机接口电路的工作原理。

1.2  实践环节受资源与时间限制

在课堂上，由于硬件设备量大，所以很难进行实际演示，单片机实践环节的要求非常高，而在计算机、电源、试验箱等设备的连接中，一旦出现失误，会导致电路板、仿真接口烧毁，造成一定的损失[1]，导致学生在针对单片机功能进行自主设计时存在一定的局限，学生实际动手机会不多，无法发挥主观能动性，导致学生综合设计能力与创新意识受限。

1.3  缺乏设计的整体协调性

单片机教学的最终目标在于让学生能够掌握单片机软件编程以及了解单片机内部结构。而现阶段软件与硬件分离的教学方式，学生很难从单片机系统的角度来对单片机软硬件结合技术进行理解，教学中工程实践设计的缺失导致学生丧失了整体设计与协调能力。许多院校在实验设计方面投入有限，无法进行综合性实验操作，严重影响学生对系统设计的整体协调性。

2    虚拟仿真技术的特点

虚拟仿真技术是一种模拟技术，通过虚拟系统来对真实技术进行试验。在单片机教学中，经常会运用到Proteus仿真软件对单片机系统进行虚拟仿真[2-3]。该软件能够对单片机及外围器件进行仿真，实现从概念到产品的仿真设计，能够将电路仿真软件、印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）设计、虚拟模型仿真软件3者合为一体。Keil软件是单片机系统开发软件，能够支持C语言及混合编程，是一款兼容51系列单片机的开发工具，能够在无硬件情况下进行程序的调试与仿真。运用Proteus仿真软件来建立单片机虚拟系统，然后运用Keil软件对程序进行调试，通过二者的结合来模拟出单片机系统的运行效果。

3    Proteus与Keil联合仿真

Proteus与Keil的联合仿真，首先，需要在Keil环境下安装驱动程序并且建立起相应的项目文件，根據仿真内容来绘制电路图并且编写单片机程序代码，设置Keil环境下项目文件的“Target”选项，选择“Debug”方式为“Proteus VSM Simulator”。其次，在Keil环境下进行项目文件编译，运行单片机程序。最后，在Proteus环境中对运行结果进行观测，一旦结果出现错误，要及时到Keil环境中进行修改，直至运行结果正确为止。

4    Proteus在单片机教学中的应用

学生可以在仿真的环境下，运用Proteus虚拟技术，结合任务需求来进行电路设计，对任务的完成不会受到空间与时间的限制，而且不会产生过多成本，为学生的实践操作提供一定自主性，让学生加强对考察内容的思考，通过虚拟技术来提升学生解决问题的能力。在单片机教学过程中，可以通过Proteus虚拟技术来对教学内容进行演示，使知识点体现地更加直观，促进学生学习的积极性。教师也可以通过仿真技术来制作教学课件，通过生动的演示，让学生对单片机产生感性认识，通过Proteus有助于对概念进行明确，有效解决难点，在单片机教学中会存在大量的重点与难点，例如终端优先级便是比较难掌握的内容。运用Proteus进行仿真，学生能够直接参与操作，使显示更加直接，在Proteus仿真演示界面中，会对仿真片段进行演示，运用两个按键来控制外中断上溢中断（Interrupt on Overflow，INTO）和INTI，启动仿真程序之后，数码管会从0到9反复循环显示，假设在数码管显示3时按下低优先级按键，则主程序中断数码管会显示停留在3，再次启动低优先级中断服务程序，数码管又会从0开始运行，假设运行到显示7时按下高优先级按键，产生高优先级INTI外中断，这时高优先级中断打断低优先级中断，低优先级数码管显示停留在7，启动高优先级中断服务程序。高优先级数码管从0开始运行，直到显示9后结束高优先级中断服务程序，返回执行低优先级尚未完成的中断服务程序，结束后再返回执行主程序。在这种虚拟的环境下，单片机技术课程实践教学会变得更加形象、直观，教师与学生能够通过对原理图的虚拟来完成编程，学生可以对单片机应用系统进行设计，提高教学效率与教学效果[4]。

5    单片机教学中虚拟仿真实例

实例要求：运用AT89C51单片机的P1.0引脚控制单个LED的闪烁，通过调整软件参数来调节LED闪烁频率。

5.1  仿真电路设计

根据电路设计要求，在Proteus ISIS编辑区对系统仿真电路进行设计，在进行电路设计时，学生要对单片机的最小系统进行搭建，包括时钟电路、复位电路等。确保系统能够正常运行，然后用P1.0引脚外接一个LED，通过对P1.0引脚的输出电平来对LED的闪烁进行控制。

5.2  编程设计

编程设计需要在Keil软件环境下完成，在硬件电路图完成之后，学生会了解高LED闪烁是由P1.0高低电平来进行控制的，在编程时，可以在P1.0引脚电平取反后调用一段延时子程序delay（uchar n），通过对n值的改变来控制LED闪烁频率，系统流程图如图1所示。

该程序首选对系统进行初始化，并给出n赋初值，然后根据P1.0引脚电平取反使LED灯交替亮灭，通过延时子程序保持该状态，当延时时间到时就给P1.0引脚取反，以此循环。在Proteus环境下，将Keil所生成的.hex文件加载到单片机上，经过仿真调试来观察在程序运行时LED灯的亮灭，通过修改延时子程序中的n值，来观察LED灯的闪烁变化[5]。

5.3  实验总结

学生在进行实践操作之后，要对仿真实验所运用的单片机理论知识及原理进行总结，生成实验报告，在老师的建议与指导下进行优化与完善。

6    虚实结合教学模式

实际电路的布局、搭建与仿真电路是存在一定区别的，不能完全用理论电路图来替代实际电路的布局与接线，训练学生能力的重要途径是提升学生解决问题的能力，硬件电力实训对学生学习识别元器件、焊接训练、接线等都有着重要意义。在硬件电路实训中，如果电路设计成功，学生便能够直观地看到自己的设计成果得以实际运行，能够激发学生的学习兴趣以及提升成就感，促进学生积极主动学习。

针对以上问题进行分析，在单片机教学中，要采用虚实结合的教学手段，既要进行虚拟仿真又要进行硬件电路实训，在实验课程中，要正确引导学生按照产品开发的思路，对产品需求进行分析，然后选择电路元器件，查询外围电路的原理以及功能，对电路框架进行分析，画出电路图进行虚拟仿真，通过硬件平台、软件系统来进行实际操作，最后，对运行结果进行观察并且写出实验报告，通过这些环节能够培养学生认真的学习态度与严谨的学习思路。另外，对理论知识的讲解要由浅入深，将理论教学与实践教学相互穿插，当学生掌握了基本的体系结构以及汇编语言后便可以进行简单的实训，让学生能够及时地看到学习成效。在虛拟结合教学方法中，老师要引导学生对比虚拟仿真与硬件电路实训的差异，分析各自的特点，结合学生的各自兴趣来培养特长，拓宽学生的学习层面，将单片机与相关领域相结合，通过典型的案例将所学知识进行贯通。

7    结语

单片机属于现代电子技术的新兴领域，单片机的出现促进了电子工业的发展。单片机课程实践性很强，并且运用过程以及内部构造都比较抽象，传统的教学模式很难提高教学质量。在单片机教学中，运用虚拟仿真技术能够让学生与现代信息技术下的硬件与软件系统充分接触，通过仿真技术将抽象的理论知识进行形象化，帮助学生深入理解单片机的结构、原理以及应用。虚拟仿真技术的优点在于不会受到硬件实验资源的限制，学生可以随时随地地进行实践，经过教师的正确指导来完成各类项目任务，从而提升教学效果。

[参考文献]

[1]程艺苑，李根全，姬晓旭，等.虚拟仿真技术在《单片机原理及其应用》教学中的应用[J].南阳师范学院学报，2018（4）：58-61.

[2]周克辉.虚拟仿真技术在高职单片机课程教学中的应用与实践[J].电子测试，2018（16）：119-120.

[3]胡克满，胡海燕.虚拟现实与仿真技术在单片机技术课程教学中的应用研究[J].模具工业，2017（5）：66-67.

[4]王   瑾，袁战军.虚拟仿真技术在单片机课程教学中的应用[J].电子设计工程，2016（1）：45-47.

[5]金国华，翟朝霞，周丽娜，等.Proteus和Keil软件在单片机理论与实践教学中的应用[J].中国现代教育装备，2017（3）：43-45.