Proteus和Keil C51在单片机实验教学中的应用研究

郭一军　周武　胡娟

摘 要 实验教学是单片机教学的一个重要组成部分，对于提高学生动手能力，培养创新思维和科学探索精神具有非常重要的作用。本文针对单片机实验教学的现状，提出一种软硬结合的单片机实验教学方法，以增强学生的系统设计能力，提高单片机课程实验的教学效果。

关键词 单片机 教学效果 仿真实验

中图分类号：G642                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.028

Abstract Experimental teaching is an important part of the single chip microcomputer teaching， which plays a significant role in improving students' practical ability， cultivating innovative thinking and scientific exploration spirit. Aimed at the present situation of single chip microcomputer experiment teaching， a teaching method combined the software and hardware is proposed in this paper， so as to enhance the students' system design ability and to improve the experimental teaching effect of single-chip microcomputer.

Keywords single chip microcomputer; teaching effect; simulation experiment

单片机是高等学校电类专业的基础核心课程，具有较强的实践性和工程性，对培养学生实践能力和创新能力、打造一批适应国际分工与合作的单片机开发工程师有着十分重要的作用。[1，2]单片机的课程性质及应用属性决定了单片机课程实验教学的重要地位，通过实验教学不仅可以加深学生对理论知识的理解和掌握，巩固所学理论知识，提升他们分析问题和解决问题的能力，而且还有助于培养他们的学习兴趣，激发潜能，增强学习的积极性和主动性。基于虚拟仿真技术的实验教学直观生动，不受时间场地的限制，没有器材消耗，容易开展创新性实验，并且学生在实验之前可以自由设计，充分发挥学生的主观能动性及创新能力。[3-5]本文基于Proteus和Keil C51软件，以无线遥控密码锁项目设计为例，研究了Proteus和Keil C51软件在单片机实验教学中的应用。

1 单片机实验教学现状

首先，多数高校的单片机实验是在实验箱上完成的，实验箱面板提供了一些插口用于实现单片机与各外围电路模块的连接，同学做实验时只要对照实验指导书用导线连接相关插口，再用鍵盘输入程序，即可完成实验。这样一种实验方式注重的是结果，而不是过程，学生做完实验后，仅仅是看到了实验的结果，至于实验背后的各芯片间是如何接口的、程序是如何设计的以及为了输出这样一个实验结果软硬件是如何调试的等问题，对于绝大多数同学来说是不清楚的。所以，在实验箱上只能完成验证性实验的要求，整个实验过程难以调动学生实验学习的积极性，学生参与度不高，不利于所学理论知识的消化吸收。

其次，实验内容安排极不合理，受到实验课时或实验设备等诸多因素的影响，单片机实验几乎都是验证性实验，没有研究探索性或综合性实验，实验内容缺乏挑战性。在实验教学中，如果以验证性实验为主，就无法保证实验的创新性，不利于培养学生的创新能力，学生发现问题、解决问题的能力就得不到提高，[6]也不利于学生综合设计能力的提升。另外，实验项目以验证性实验为主，实验过程中学生并未获得充分的实践性与自主性，学生对于单片机的理解和认识仍停留在表层，这样使得单片机课程的教学效果与教学目标之间存在一定的差距。[7]

最后，实验教学手段单一，所有学生在同一试验箱上进行同样的实验，且实验流程基本固定，留给学生自主思考和设计的空间很小，从而限制了他们创造力的发挥，不利于创新性人才的培养。

2 软硬结合的单片机实验教学方法

利用Proteus和Keil C51软件学生可以在自己的电脑上构建功能强大的虚拟仿真实验室。在进行实物验证实验之前，学生先用Proteus设计仿真电路，用Keil C51编写实验仿真程序，并将Keil C51编译通过的程序下载到仿真电路的单片机中进行仿真实验，从而验证自己设计的程序和电路是否存在问题。当仿真通过以后，再到实验室的硬件上进行实物验证实验，可以避免直接实物验证实验中只注重实验结果不注重实验过程的缺陷，使学生对实验有一个更深刻、更直接的认识，显著提高实验效果。

在完成了实物验证实验后，教师可以安排一定课时开展实物设计实验。实物设计实验不仅要完成系统的硬件设计和软件设计，还需要学生完成PCB板的制作、元器件焊接以及联机调试等工作，是对学生所学理论知识的一次综合考察，能够很好地锻炼和培养学生的实践动手能力和创新能力，更能够体现教师的教学水平。在进行实物设计时，教师可以给出一些设计项目供同学选择，项目要求具有一定的难度，能够体现学生对知识的综合运用能力和设计水平。实物设计实验不同于实物验证实验，实物设计实验的硬件电路不是现成的是需要学生自己设计的，如果硬件电路设计出现问题，那么需要重新制版焊接，增加元器件及芯片的消耗，延长设计周期。因此，学生在进行实物设计实验时不要急于搭建硬件电路，可以先查阅相关文献，确定项目的设计方案，再利用仿真软件设计项目的硬件和软件并进行仿真调试，待仿真调试通过后再进行具体硬件电路的设计工作。这样可以极大提高项目的设计效率，减少元器件及芯片的消耗。

3 单片机实验教学案例设计

3.1 项目硬件电路设计

项目硬件电路设计包括：红外遥控器电路、红外遥控接收电路、稳压电路、报警电路、液晶显示电路、驱动电路、复位电路以及时钟电路的设计。这里红外遥控电路采用现成的红外遥控器;红外遥控接收电路由IR1308构成;稳压电路由三端稳压集成电路LM7805和电容构成;报警电路由无源蜂鸣器、P型MOS及10千欧的电阻构成;液晶显示电路采用1602液晶显示器，用于显示密码输入提示信息、密码修改提示信息及密码错误信息等;驱动电路为密码锁驱动电路，由光耦、MOS管、电阻和电容构成。

3.2 项目软件设计

完成项目的硬件电路设计后，即可进入项目的软件设计部分。编写软件时，要求学生首先设计软件系统整体工作流程图，按功能划分模块，设计出每个模块的工作流程图并编写软件程序，最后进行软件模块集成。[8]软件设计通过Keil C51完成，采用模块化设计，主要包括主程序设计、红外接收解码子程序设计、密码判断子程序设计、报警子程序设计、密码修改子程序设计、1602显示子程序设计。

3.3 仿真调试

利用Proteus软件设计好仿真原理图以及由Keil C51软件设计好系统程序后，即可进入仿真调试阶段。通过仿真调试学生可以发现项目硬件设计和软件设计中所存在的一些问题，从而锻炼他们独立分析问题和解决问题的能力。

3.4 项目实物设计

项目通过仿真调试后，如果需要进行实物设计，就可在Proteus软件中将硬件电路仿真原理图转化为PCB图，再由PCB图制作印刷电路板，最后是完成电路的焊接组装以及项目的软硬件联机调试工作。

4 结束语

本文将基于Proteus和Keil C51软件的仿真技术融入单片机实验教学，以解决现有实验教学学生参与度低、实验内容安排不合理以及实验教学手段单一等问题。从而提升了单片机实验教学的灵活性，激发了学生实验探索的兴趣，为他们全面掌握单片机系统的开发设计能力、将所学理论知识应用于实践创新创造了充分的条件。

参考文献

[1] 张承畅，吴孟林，张华誉.面向学生工程能力达成的单片机技术实验案例设计[J].实验技术与管理，2018，35（05）：178-182.

[2] 张飞，钱金法.基于单片机和虚拟仪器的粉尘浓度检测装置[J].实验室研究与探索，2017，36（4）：137-140.

[3] 王清樹，刘成刚.校企联合实践的能源应用专业创新人才培养[J].教育教学论坛，2016（39）：25-27.

[4] 陈丽霞，李敏.虚拟仿真技术在电气类实验教学中的应用[J].中国现代教育装备，2018（07）：49-50.

[5] 金国华，翟朝霞，周丽娜，张大力.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（03）：43-45.

[6] 曾繁政.单片机技术实验教学的优化思路与实践[J].电子世界，2020（01）：47-48.

[7] 李佳佳，贺伟，刘晓芳，樊晓虹.新工科背景下单片机课程教学的研究与探索[J].教育现代化，2019，6（24）：80-81.

[8] 谭筠梅，李玉龙，王履程.基于Proteus的单片机虚拟仿真实验案例设计[J].实验技术与管理，2018，35（05）：122-125.