虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

胡慧鋪+金玉葉+李世紅+倪孔釋

基金項目：2013年溫州科技職業(yè)學(xué)院教育科學(xué)研究課題“電子類專業(yè)學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的研究”［課題編號：wzkj2013009］。

作者簡介：胡慧鋪（1983—），浙江溫州人，碩士，溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系教師，主要研究方向：信息檢測與分析。摘要：單片機(jī)課程是一門實踐性很強(qiáng)的課程，將Proteus仿真軟件應(yīng)用在單片機(jī)實踐教學(xué)中，提高了學(xué)生實踐能力，降低了實驗成本。本文以開發(fā)溫濕度采集系統(tǒng)為例，介紹Proteus軟件在單片機(jī)實踐教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Proteus；SHT11；單片機(jī)實踐

圖1溫濕度采集系統(tǒng)原理仿真圖

圖2虛擬串口的設(shè)置1引言

單片機(jī)課程是電子信息工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，是一門實踐性很強(qiáng)的課程，加大實踐教學(xué)的比例，有利于提高學(xué)生對單片機(jī)知識的掌握，提高教學(xué)質(zhì)量。Proteus是英國Labcenter electronics 公司推出的一款EDA仿真軟件，它將電路仿真、PCB設(shè)計結(jié)合到一起，解決了單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計和協(xié)同仿真問題。目前在國內(nèi)高校單片機(jī)課程教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。

2虛擬實驗平臺的搭建

下面我們利用Proteus 和Keil 構(gòu)建一個適合“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)的單片機(jī)虛擬實驗平臺。

（1）硬件電路的搭建。Proteus提供了數(shù)千種虛擬元器件，滿足了課程實驗的需求，學(xué)生就可以利用Proteus軟件搭建出應(yīng)用電路。

（2）應(yīng)用程序的編寫與調(diào)試。學(xué)生通過使用Keil開發(fā)環(huán)境來編寫與調(diào)試程序。

（3）軟硬件聯(lián)調(diào)。利用Proteus提供的開發(fā)插件，可以實現(xiàn)Keil與Proteus的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

3實踐教學(xué)實例

利用89C51單片機(jī)，設(shè)計一個溫濕度采集系統(tǒng)，要求能夠?qū)崟r顯示溫濕度并可上傳到上位機(jī)。

（1）硬件電路設(shè)計。本系統(tǒng)以SHT11為溫濕度傳感器、串口為通訊接口、LCD1602為顯示系統(tǒng)、AT89C51單片機(jī)為控制核心組成基于虛擬串口的溫濕度采集系統(tǒng)，如圖1所示。其中溫濕度傳感器，選擇使用基于I2C協(xié)議的SHT11。該器件的溫度測量范圍為-40℃～+1238℃，實現(xiàn)溫度信號的14位數(shù)字轉(zhuǎn)換精度；濕度測量范圍為0~100%RH，實現(xiàn)濕度信號的12位的數(shù)字轉(zhuǎn)換精度，最高分辨率可達(dá)003%RH。Proteus元件庫中直接提供了SHT11，其中第二和第三引腳為數(shù)據(jù)通訊引腳。本系統(tǒng)中通過單片機(jī)IO引腳與SHT11的數(shù)據(jù)通訊連接，模擬I2C總線編程實現(xiàn)溫度和濕度信號的采集。

數(shù)據(jù)通信——我們利用Proteus中的COMPIM器件和虛擬串口軟件搭建串口通訊接口，將實時采集溫度和濕度信息上傳給上位機(jī)。虛擬串口設(shè)置如圖2所示。PC機(jī)上使用串口軟件采集下位機(jī)上傳的溫濕度數(shù)據(jù)，本實驗中采用串口調(diào)試助手采集濕度和溫度數(shù)據(jù)，如

圖3所示。顯示部分采用LM016L液晶顯示屏，能夠滿足溫度和濕度的實時顯示要求。

（2）程序設(shè)計。單片機(jī)上電后先對串口、LCD進(jìn)行初始化，接著通過convert_SHT（）對SHT11啟動溫度和濕度轉(zhuǎn)化并讀取實際溫度和濕度，然后在LCD上顯示結(jié)果并用串口發(fā)送數(shù)據(jù)，最后經(jīng)虛擬串口軟件將結(jié)果同步顯示在串口調(diào)試助手上。程序流程圖如圖4所示。

（3）系統(tǒng)調(diào)試。在Proteus硬件電路圖中雙擊單片機(jī)，打開軟件編輯窗口，在Program File一欄中選擇有Keil編譯器生成的hex程序文件，單擊OK按鈕，程序下載完畢，點擊運(yùn)行觀察效果，系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖1所示。

4教學(xué)組織

在單片機(jī)實踐教學(xué)中，所涉及的內(nèi)容包括三方面：即單片機(jī)系統(tǒng)資源、硬件接口電路、軟件編程，教學(xué)時，充分考慮課程的特點將課程內(nèi)容進(jìn)行合理的劃分。

（1）單片機(jī)系統(tǒng)資源教學(xué)。單片機(jī)系統(tǒng)資源教學(xué)是圍繞著寄存器和存儲器展開的。可以通過執(zhí)行Keil軟件中的Debug菜單中的Register選項打開相應(yīng)的寄存器觀察窗口，查看寄存器變化，執(zhí)行Debug菜單下的Internal Memory選項打開存儲器觀察窗口，查看存儲器內(nèi)容變化。加深學(xué)生對相關(guān)知識點的理解。

（2）硬件電路教學(xué)。單片機(jī)的接口電路所涉及的知識較廣，在教學(xué)安排上應(yīng)循序漸進(jìn)，帶領(lǐng)學(xué)生分析實踐項目需求，確定設(shè)計方案。如本文實例，讓學(xué)生自主查找溫濕度傳感器，不限制器件型號。將學(xué)生方案匯總，進(jìn)行比較，最后引入本設(shè)計方案。要求學(xué)生自主完成Proteus仿真圖的繪制。

（3）軟件編程的教學(xué)。軟件編程教學(xué)，主要是具體語句的執(zhí)行效果驗證、算法的具體實現(xiàn)、程序中語法錯誤的檢查和邏輯錯誤的驗證等內(nèi)容，在軟件教學(xué)安排中考慮到學(xué)生的能力，提供了包含共性錯誤的程序，由學(xué)生自行分析改正。

5結(jié)束語

基于Proteus的虛擬實驗平臺應(yīng)用于單片機(jī)實踐教學(xué)中，可降低教學(xué)成本，減少系統(tǒng)的開發(fā)周期。通過完成相對復(fù)雜的課程實踐內(nèi)容，每個學(xué)生進(jìn)行獨立設(shè)計，不僅完成了知識建構(gòu)，鍛煉了操作能力，而且激發(fā)了他們學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，有助于后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)：

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朱清慧．Proteus教程——電子線路設(shè)計、制版與仿真．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

張慶芳．Proteus軟件在高職單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用．輕工科技，2013，178（9）：88—89．

圖3上位機(jī)數(shù)據(jù)采集

圖4程序流程圖

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