虚拟单片机实验实例的设计与实践

摘  要：文章根据高职院校单片机实验室的现状和存在的问题，结合多年单片机实验课程的教学经验，提出了利用仿真模拟技术来实现虚拟单片机实验的设计，并在宿迁泽达职业技术学院18级机电班中开展了实验性质的实践教学。在考虑到高职院校实际情况的基础上对该虚拟单片机实验系统提出了现阶段的要求：在花费较小成本和较短时间内满足学生开展单片机实验。

关键词：单片机原理及应用;实验教学;虚拟仿真技术;Proteus软件

中图分类号：TP368.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）16-0031-04

Design and Implementation of Virtual MCU Experiments

WU Qiuli

（Suqian Zeda Vocational & Technical College，Suqian  223800，China）

Abstract：According to the current situation and existing problems of MCU laboratory in higher vocational colleges，combined with the teaching experience of many years of MCU experiment course，this paper puts forward the design of virtual MCU experiment by using simulation technology，and carries out the experimental teaching in the mechanical and electrical class of grade 18 in Suqian Zeda Vocational & Technical College. On the basis of considering the actual situation of higher vocational colleges，this paper puts forward the requirements of the virtual single-chip microcomputer experimental system at the present stage：It can meet the needs of students to carry out single chip microcomputer experiment with less cost and shorter time.

Keywords：single chip microcomputer principle and application;experimental teaching;virtual simulation technology;Proteus software

0  引  言

“单片机原理及应用”课程是高等院校測控、机电、仪表、计算机和通信电子等专业本科和专科阶段学生的一门重要的核心专业课程，“单片机原理及应用”实验教学是指导帮助学生更好的学习单片机应用技术的重要途径。因此本论文提出的基于Proteus软件的虚拟单片机实验成为改善学生实验条件，提高学生学习质量，进行适合高校特别是高职院校实验教学改革的重要手段之一。

1  虚拟单片机实验设计要求

单片机实验在“单片机原理及应用”课程中有着重要的地位，通过实验教学能让学生比较直观的理解单片机的原理和工作方式。是对于课堂教学一个很好的补充。随着课程的深入，通过一些跨课程的实验设计能开拓学生的眼界，提高学习的兴趣。但是随着社会对单片机工程师的要求越来越高，学校陈旧的教学体系和落后的实验器材已经无法满足深层次高要求的学习任务，因此利用Proteus软件和Keil软件建立的虚拟单片机实验室就成为了解决这一难题的好办法。本文中选择了单片机教学中的几个重点难点章节，以中断、定时、存储器及I/O端口控制外围设备作为实例，设计了与理论课程配合的单片机实验实例来帮助学生学习这些重点章节。最后学生上交的实验报告可以是传统的纸质报告本，也可以采用电子实验报告的形式，更方便学生记录得到的实验数据和实验图表。

在单片机实验中，硬件电路在Proteus上完成，软件程序在Keil上完成，最后通过联合调试完成实验。实验种类则根据使用到的知识点和复杂程度分为基础实验和综合实验。基础实验强调的是与理论知识的结合，强调验证结果;综合类验强调开发性，鼓励学生自由发挥，提高学生的自主开发能力。

在虚拟实验室的课程设计上要根据“单片机原理及应用”课程的不同章节内容重新安排实验教学课时。在教学过程中，可以采用局域网多媒体教学的方式，通过在教师机上由教师先进行实验原理的讲解，并演示电路图;学生通过元件库找出实验所需的实验元件并完成接线。在通过电气规则检测后，统一进行Keil软件编程生成.HEX文件，随后将实验数据仿真输入到单片机芯片完成实验，并完成实验报告;最后教师通过原理图、.HEX文件以及最后实验效果进行打分。由此可见，虚拟实验室比较传统的实验室具有更好的交互性，实验进行效率也更高，而且免去了误操作造成元件、仪器损坏的风险。同时教师在教师机上可以实时查看学生的实验进度，更好的督促学生完成实验。因为传统的实验室里元器件有限，只能完成常规的实验，而虚拟实验室里庞大的元器件库可以让学生在虚拟实验过程中自由的组合，创新性得到激发，从而获得更好的学习效果。这些都是虚拟单片机实验室的巨大优势，是传统实验室无法比拟的。

2  虚拟单片机基础实验

虚拟单片机基础实验是单片机理论教学的重要部分，可以帮助学生更好的理解单片机的基本功能，并进行相关实验的验证，为之后的综合实验打下基础。在基础实验中更多考查的是学生对理解程序知识的要求，因此选择的实验硬件电路比较简单，容易完成。在本论文中选择了存储器实验、中断实验和定时器实验作为例子说明虚拟单片机实验如何完成实验设计的。在实验过程中应对不同组的学生布置不同参数的实验要求，一方面避免了抄袭现象，另一方面让学生通过不同的实验结果真正掌握相应知识的精髓。

3  单片机存储器实验实例

单片机存储器实验是学生接触到的比较早也是比较简单的一个实验，但是在传统实验课程中会存在不能直观看到存储器工作的过程，也不能理解存储器结构的内容。通过虚拟软件对单片机存储器的仿真可以解决这些问题。

实验要求：通过汇编语言的MOV指令来传送不同数据到不同的寄存器中，通过仿真对存储器的实时跟踪掌握片内数据存储器的地址分配以及掌握对片内数据存储器进行数据读写的方法，使学生对存储器的结构和数据存储的过程有直观的理解。

该实验的电路也比较简单，只需要选取AT89C51单片机芯片，并与电源（POWER）相连电路的设计就完成了。完成硬件电路的设计后加载之前生成的源代码文件运行仿真。单击源代码调试窗口“单步执行”按钮一次，就可以执行下一条指令。通过观察调试窗口上每条指令执行完毕，数据改变后的结果，可以帮助学生加深对硬件结构和指令的理解。从存储器图表中可以清晰地看到数据在随着程序的逐条进行而发生着变化，在具体实验教学过程中可以要求学生通过输入不同的程序数据，通过数据的变化让对比更加明显。该虚拟单片机实验达到了预期的设计目的。

4  虚拟单片机综合实验

虚拟单片机综合实验利用Proteus软件强大的仿真模拟功能设计出来的跨学科的单片机实验。要求学生具有较高的理论水平和动手能力，对51单片机有较深的理解并对不同学科的知识融会贯通。综合性实验即对学生的程序编写提出了更高的要求，又对实验硬件电路的选择有所考查。在本文中设计了一个综合实验：汽车转向灯实验，使用了LED硬件模块，主要强调了汇编指令通过I/O端口对硬件的控制。在具体使用中可以选择总体硬件电路中的部分电路来实现，也可以让学生自由组合，增加了实验难度，更好地对学生综合能力进行考查。

5  单片机汽车转向灯实验实例

单片机控制的汽车转向灯实验是在流水灯实验基础上的延伸实验，同样是I/O端口控制外围设备的实验，但是使用了多重分支程序来实现，程序结构更加复杂，同时利用了P3口作为控制口来控制开关。实现了P3口对P1口的控制。现在利用虚拟单片机实验室的软件、硬件系统来实现单片机控制汽车转向灯的实训。

实验要求：选择某个串行口（如P1口）做输出口控制汽车转向时的信号灯，可以选择使用某个串行口（如P3口）做输入口来连接五个控制开关，来设计一个简易的汽车转向信号灯控制系统。晶振频率12 Mhz。具体要求为：

（1）当车辆正常驾驶时，按下代表左转弯的开关，左侧的转弯灯、头灯、尾灯同时闪烁;按下右转弯开关时右侧对应的灯亮起。设置闪烁频率为1 Hz。

（2）当车辆正常停止时，按下停靠开关，左侧头灯、右侧头灯、左侧尾灯、右侧尾灯同时闪烁，设置闪烁频率相同。

（3）当刹车时，按下刹车开关，两侧尾灯同时亮。

（4）当出现紧急情况时，按下紧急开关，左侧转弯灯、右侧转弯灯、左侧头灯、右侧头灯、左侧尾灯、右侧尾灯同时闪烁，闪烁频率为5 Hz。

首先假设P1口输出低电平时灯被点亮，实验时可用发光二极管替代灯;假设控制开关输出低电平有效，控制开关的信号通过P3口送入单片机，控制开关与P3口各管脚的对应关系如表1所示。串行口控制状态和P1口的控制内容，如表2所示。

然后利用JNB指令来实现位的控制完成源程序，设计中有两个延时子程序（DELYA1，DELAY2）来表示1 Hz和5 Hz的闪烁频率。最后完成硬件电路图，把红黄绿三种颜色的LED共6个连接到P1口的的P1.2位至P1.7位，5个表示5种不同状态的开关（左转，右转，刹车，停靠，紧急状态）连接到P3口的P3.0至P3.4口，电路图如图1所示。

当SW1开关按下时左侧D1、D3、D5亮起，表示汽车在进行左转弯;当SW2按下时右侧D2、D4、D6亮起，表示汽车在进行右转弯;当SW3按下时D1、D2亮起，表示刹车;当SW4按下时前后D1、D2、D5、D6亮起，表示汽车停靠时的双跳灯;当SW5按下时所有灯同时亮起，并以1秒5次的速度闪烁，表示紧急状态。该虚拟单片机实验达到了预期的设计目的。

6  虚拟单片机实验实例的教学测试分析

通过对宿迁泽达职业技术学院原有的传统单片机实验室进行升级改造，在使用较低成本和较短时间里基于Proteus软件的虚拟单片机实验系统已经初具规模。在计算机中心的电脑中安装Proteus软件后，选取几个文中设计的单片机实验实例，请宿迁泽达职业技术学院18级机电一体化专业8名学生进行了实验教学模拟测试：在指导教师进行一个课时的理论知识和实验要求的讲解后，让学生在两个课时内完成实验实例。实验效果如表3所示。

通过表3可以发现对于单片機基础性实验实例学生可以得到比较好的实验效果，并且在之后的实验实例测试中能够做到举一反三，使得实验完成速度与传统实验方法相比越来越快;对于单片机综合实验实例学生虽然在遇到较为复杂的实验电路和程序时表现一般，特别是步进电机实验，只有3个学生独立完成了实验，但是最后仍然能够在教师的提示和指导下全部完成实验要求。因此可以说虚拟单片机实验基本达到了本文设计的要求，取得了较好的实验教学效果，完成了对传统单片机实验的替代。

7  结  论

本文以“单片机原理及应用”课程实验对单片机实验教学的更高要求作为切入点，研究了虚拟单片机实验系统的理论与实际操作问题;并结合传统单片机实验教学面临的困难和挑战，选用了最具代表性的虚拟仿真软件Proteus;详细地介绍了仿真软件的特点和组成，尝试用单片机虚拟实验来取代传统的单片机实验教学。本论文进行的主要工作包括：

虚拟仿真技术的整合。将复杂的单片机实验教学明确分为硬件和软件教学两个部分：Proteus仿真模拟硬件电路;Keil编制程序模拟软件部分，与传统实验教学相比取得了相同甚至更佳的实验教学效果。

设计了一系列常用的单片机虚拟实验。所设计的实验直观地展现了虚拟单片机实验室的强大仿真模拟能力，通过丰富的元器件库使得更加复杂和贴近现实新技术的实验得以在较低成本的基础上开发出来，同时也激发了学生的想象力和创新力。

虚拟实验系统平台的延伸。跨学科实验的选用使得学生能在单片机实验中把以前学过的课程知识运用其中，可以更好地融会贯通并建立起完整的知识体系。同时虚拟单片机实验系统是一个集教学和研发的平台，为青年教师提高理论实践能力和学习新技术提供了基础。

虚拟实验系统的新方向。在替代传统单片机实验室的基础上，提出了网络化和完全虚拟化的新一代虚拟实验室的构思。在未来条件成熟后能够更好地整合教学资源，让单片机应用技术和实验的覆盖面更加广泛，让更多的学生通过虚拟实验系统进行学习。

参考文献：

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作者簡介：吴秋立（1984.09—），男，满族，浙江杭州人，助

教，本科，硕士，主要研究方向：机电信息专业在职业教育的发展。