运用实验仿真板和仿真软件在单片机教学的探讨

单片机是一门实践性非常强的课程，又是一门非常抽象的课程，并且是电子、电气相关专业的必修课。对于这样的一门课程，课堂演示和学生实验有着至关重要的作用，课堂演示可以将抽象的理论、枯燥的程序分析转化为生动的实例，而实验则能够培养学生的动手能力，独立思考能力，进一步理解有关理论知识。但在传统的单片机教学中，几乎不可能见到课堂演示，而学生实验中也存在诸多问题。

一、如何创新，问题提出

课堂教学演示难以见到的原因很多，其中有一个很重要的原因：课堂教学演示太困难、效果也不理想。通常，要做一次课堂演示实验，教师要准备如下设备：计算机、仿真机或编程器、电源、实验电路板。其中仿真机或编程器要和计算机相连，电源要接到实验电路板上，为了上一节课，要准备较长时间;如果用仿真机做实验，那么仿真头要和实验电路板相连。在真正做开发工作时，电路板放置好后就不必动了，但在课堂教学中却需要拿起来实验电路板来展示，稍有不慎，仿真头会从电路板中脱落而造成错误，需要重新编译，甚至可能损坏仿真头或实验电路板;如果用编程器写片的方法来验证实验结果，那么就得多次在实验板和编程器之间拨、插芯片，很麻烦，课堂效率低;即使勉强做，由于实验电路板上的器件较小，学生很难看清有关现象，效果非常有限。

学生实验中也存在问题，单片机除了一些验证性实验外，主要是通过实验来培养学生的动手能力，并通过实验加深对理论知识的理解，传统的单片机实验是不可能做到这一点，单片机实验所必须的仿真机、实验板、电源等等价格高，专业性很强，学生不可能自行装备;学校单片机实验室设备陈旧，由于单片机技术发展很快，单片机仿真机一般每过2-3年即更新换代，而学校的单片机实验室是非营利的，相对于计算机实验室，利用率不高，价格却不低，学和用就会脱节。这也是老问题一直也没能很好地解决，只是由于单片机发展速度快，开发要求高，所以显示得更严重一些。

二、大胆创新、解决方案

针对以上的问题，通过深入研究，利用“单片机实验仿真板”软件，并结合Proteus软件，为解决这类问题寻找了一些思路。

1.仿真板软件

以目前最流行的80C51系列单片机开发软件Keil C为基础，利用其提供的AGSI接口开发而成。

图1是该软件运行后的情况，右侧注有“51实验仿真板”的窗口是自编的软件界面，而其它部份是Keil软件的界面。从图中可以看出，仿真板由4个按钮、8个LED、2位数码管、带有计数器的脉冲发生器、中断按钮等部份组成。该窗口的左侧是一段源程序，用于实现接在P1.0上的led闪烁发光，程序正在运行中。对源程序的任何修改都将直接表现在该仿真板上，重新编译连接再运行后，仿真板即出现该有的现象。如果运用实际硬件，那么把该段源程序的目标代码写入芯片，进行实际运行，就是这么一个效果，也就是说这个界面可以替代实际的、真实的硬件，该仿真板上的其它部份也具有这样的功能。借助于Keil软件的强大的调试功能，可以用单步、全速、加入断点等方式执行程序，观察各指令执行的效果。

图1 单片机实验仿真板用于教学

将该软件用于课堂教学演示有如下的优势：

a：速度快，程序修改、编译后马上就可以看到效果，不需要拨片、写片、插片这么麻烦，提高了课堂效率;

b：效果好，可以放在多媒体教室上课，投影在大屏幕上，比之真实的实验板要大很多，非常清楚;

c：方便，由于仅仅只有一个软件，不需要任何的硬件连线，所以课堂演示非常容易;

d：起点高，由于Keil软件是目前最流行的单片机开发软件，所以学生学习的起点高。

图2是已开发的两块仿真电路板。可以完成键盘、流水灯、中断系统等类型的多个实验。

图2 实验仿真板

2.Proteus仿真软件

这种软件相对于较难的硬件设备可以由仿真电路图进行仿真，并且也是再计算机上操作完成。简单方便，有效避开了传统教学的硬件繁琐和容易出错。

传统的教学中是基本固定的硬件，很少有机会让学生亲自设计电路和对内容的自动设计，不能以达到真正的学习目的。传统的教学方式会使学生的学习兴趣降低，对学生动手能力的培养很不利。基于Proteus的单片机教学在很多方面都有所改善，能够达到较好的实验效果，硬件方面的开支也得到很大程度的节省，很大程度上帮助学生提高了独立创新能力和学习的积极性，成为不可或缺的单片机教学软件。

基于Proteus教学流程的优势：

（1）作为EDA工具软件Proteus由两个软件构成即ISIS和ARES，Proteus印刷电路板设计和Proteus虚拟系统模型是Proteus的两大基本结构部分。它不仅是是一种多种型号微控制器系统的设计与仿真平台，更是模/数混合电路、数字电路、模拟电路的设计与仿真平台。从原理图设计、单片机代码级调试与仿真、电路分析与仿真、功能验证、系统测试到形成PCB的完整的电子研发、设计，它真正实现了这些过程在计算上完成。在教育、生产、和设计等方面Proteus得到了广泛的应用。基于Proteus的单片机教学流程图如图3所示：

图3 基于Proteus的单片机教学流程图

（2）基于Proteus教学设计流程的优势

建立在标准模块硬件上的实验，对有关实验内容学生只是需要课前进行预习，把编好的程序在实验时进行烧录，然后验证实验结果。而基于Proteus单片机实验拥有的优势如下：

a：提供大量可供学生参考与自学的范例。在原设计上学生可以进行自己的修改、设计，拓展自己的知识和编程能力。

b：激发学习兴趣。学生可以利用该软件进行路图设计和仿真，避免了传统实验板上的学生不能更改的局限性、硬件电路固定，学习兴趣得到提高、学生的思路得以扩展，学生的创新能力和创新意识也得到了一定程度上的提高。

c：较真实的硬件软件仿真调试，操作简单。Proteus能够使学生对程序设计和电路设计的学习得到满足。首先设计电路是在Proteus的ISIS环境下，其次编写程序是在Keil等环境下。当编写、设计好基该电路的程序和该电路时，程序联调可以在Proteus环境下进行，对设计的系统能否达到预期控制要求进行验证。在仿真的过程中能够随时修改编程方面或硬件的不足。

d：具有明显的经济优势，较少的硬件投入费用。AVR、PIC、ARM的微处理器CPU模型Proteus都支持，购买各种系列单片机的费用将不存在。Proteus元件库中的元件很丰富，其中大部分元件可以直接用于搭建接口电路，并且经济、可靠。为了减少试验中元器件的损耗采用Proteus软件进行实验而且比较安全。

图4 K1-K4按键状态显示

在K1-K4按键状态显示的实验中，电路仿真原理图如图4所示。使用proteus软件画出仿真原理图，在80C51中载入程序并运行，即可以K1、K2按下时LED点亮，松开时熄灭，K3、K4按下并释放时LED点亮，再次按下并释放时熄灭。

总之，基于Proteus的单片机教学在很多方面都有改善，能够达到较好的实验效果，硬件方面的开支也得到很大程度的节省，很大程度上帮助学生提高了独立创新能力和学习的积极性，成为不可或缺的单片机教学软件。

在传统实验教学中利用软件资源进行辅助即基于Proteus仿真平台的单片机教学，作为教学方法的一项改革开辟了一个新的有效单片机实验教学，能够达到较好的实验效果，硬件方面的开支也得到很大程度的节省，很大程度上帮助学生提高了独立创新能力和学习的积极性。

这两种方法同样为单片机课程的远程教学提供了技术手段。现在网上教学正在迅速发展，然而对于像单片机这样与实验紧密相关的课程，网上教学很不方便，该软件提供了一个虚拟的实验平台，为解决这一问题提供了思路。当然，软件并不能替代硬件实验，硬件实验是必须的，学生的动手能力在计算机上是练不出来的。不过借助于该软件，可以将学生的软、硬件动手能力的培养分开，更合理地利用单片机实验室。随着发展迅速的单片机技术在很多领域都的应用，微控制系统的核心就是单片机，在国内各个高校中理工科电子信息专业只有对该领域专业的人才培养的过程中，只有不断摸索研究才能不断适合社会发展的需要。

参考文献

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作者简介：孙岩（1985―），女，吉林松原人，大学本科，助理讲师，现供职于中山市技师学院，主要从事单片机、DXP、CAD的教学研究工作，讲授电子专业的所有专业基础和专业课程。