虛擬仿真軟件在單片機實驗教學(xué)中的應(yīng)用

宇文珊+王霞+井田

摘 要 本文主要總結(jié)《單片機技術(shù)》實驗課程教學(xué)中的問題，著手研究，將虛擬仿真與實際硬件相結(jié)合，盡量運用直觀，任務(wù)驅(qū)動型的教學(xué)，有的放矢的學(xué)習(xí)，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生單片機設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞 虛擬軟件 任務(wù)驅(qū)動 單片機實驗

中圖分類號：G712 文獻標(biāo)識碼：A

1 當(dāng)前單片機教學(xué)中存在的問題

單片機技術(shù)是電子工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，為以后的嵌入式學(xué)習(xí)，以及參加各類電子設(shè)計競賽打下良好的基礎(chǔ)，單片機技術(shù)在實踐及畢業(yè)設(shè)計中應(yīng)用也非常廣泛。但是由于理論課知識點分散，而且當(dāng)前的大多單片機實驗課程采用已設(shè)計完成的實驗板進行實驗，側(cè)重于軟件編程的學(xué)習(xí)，而完整的單片機系統(tǒng)設(shè)計包括繪制電路原理--制作電路板--焊接元器件-硬件電路測試-軟件編程及軟硬件聯(lián)調(diào)等步驟。因此，要完成一項單片機系統(tǒng)的設(shè)計，需經(jīng)過較長的時間，只采用實驗板進行實驗教學(xué)，學(xué)生只能停留在課堂理論教學(xué)與實驗室的驗證實驗層面上，對系統(tǒng)的開發(fā)得不到鍛煉，而且實驗離開實驗室無法進行自主學(xué)習(xí)，有很大的局限性。引入Proteus虛擬仿真可以很好的解決這一問題，并為單片機課程的實驗教學(xué)提供有力的支持。

2 Proteus軟件在單片機技術(shù)實驗教學(xué)中的作用

2.1 在單片機教學(xué)中引入Proteus仿真

Proteus仿真可以直觀的讓學(xué)生看到實驗結(jié)果，加深對理論知識的理解，在教學(xué)過程中引入虛擬仿真，既不需要增加教學(xué)成本，又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將小的知識點，驗證性的實驗主要由學(xué)生自主完成。對于驗證性實驗，可以由學(xué)生采用不同方法來實現(xiàn)，由于單片機是模塊化的設(shè)計，不同的電路也具有良好的移植性。利用虛擬環(huán)境進行設(shè)計，修改調(diào)試，從而幫助學(xué)生拓展思路，提高學(xué)生舉一反三的學(xué)習(xí)能力。Protues虛擬環(huán)境不僅為學(xué)生提供了自行學(xué)習(xí)和應(yīng)用創(chuàng)新的平臺，而且引入Proteus仿真還可以降低了實驗室建設(shè)和運行成本。

2.2 Proteus在創(chuàng)新實踐及畢業(yè)設(shè)計中應(yīng)用

Proteus具有原理圖編輯，印刷電路板設(shè)計及仿真功能。其中電路仿真的交互化、可視化，支持主流單片機系統(tǒng)的仿真是其最大特點。Proteus的ISIS編輯環(huán)境提供了大量的元器件，常見的芯片及各種虛擬儀器儀表如示波器，邏輯分析儀，電壓表，電力表等，學(xué)生在參與創(chuàng)新實踐及畢業(yè)設(shè)計時，利用Proteus完成前期的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備工作，進行輔助仿真，在利用元件庫中的各種元器件搭建好需要的電路后，還可以利用系統(tǒng)里的各種虛擬儀器進行電路的調(diào)試，動態(tài)的人機交互式仿真非常接近現(xiàn)實的環(huán)境。學(xué)生利用一臺電腦即可完成前期的準(zhǔn)備工作，虛擬環(huán)境仿真成功后再加工制作實際電路，降低學(xué)習(xí)成本，提高了設(shè)計的效率。

3 教學(xué)實踐案例

單片機學(xué)習(xí)必須經(jīng)過硬件軟件的聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計才能領(lǐng)會其設(shè)計思路。所以在教學(xué)過程中將任務(wù)進行分解，首先了解設(shè)計目標(biāo)，按照任務(wù)目標(biāo)進行芯片資料收集及相關(guān)知識準(zhǔn)備，再按照設(shè)計思路在Proteus中設(shè)計硬件模塊，編寫程序并在虛擬環(huán)境中調(diào)試仿真。虛擬環(huán)境側(cè)重系統(tǒng)設(shè)計及邏輯驗證，最后的編程要能通過實驗板電路進行功能驗證。

3.1 教學(xué)設(shè)計及安排

在教學(xué)中針對學(xué)生本身的特點進行分層次教學(xué)，有計劃的訓(xùn)練學(xué)生的綜合應(yīng)用能力、實際動手能力、工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。每一實驗項目以任務(wù)為導(dǎo)向，首先按照任務(wù)目的，對所學(xué)知識進行梳理總結(jié)，圍繞IO口實驗、數(shù)碼管顯示實驗、矩陣鍵盤實驗、定時器中斷實驗、溫度傳感器實驗展開單片機內(nèi)外部資源的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。力求做到有的放矢的進行訓(xùn)練，學(xué)做合一，融趣味性于學(xué)習(xí)中。

3.2 實踐教學(xué)案例

下面以溫度傳感器實驗為例，利用單片機AT89C52RC與DS18B20設(shè)計一個數(shù)字溫度計，檢測并在數(shù)碼管上實時顯示溫度值。先在虛擬環(huán)境中模擬實驗板搭建硬件系統(tǒng)，再根據(jù)硬件電路進行編程，最后在兩種環(huán)境中進行仿真驗證。

設(shè)計任務(wù)分析：設(shè)計一個數(shù)顯式溫度計，要求使用范圍-40～99攝氏度。

實驗步驟及所需知識：

（1）收集芯片資料，了解DS18B20的引腳及功能；

（2）閱讀時序圖，充分掌握初始化流程，數(shù)據(jù)讀寫流程；

（3）延時函數(shù)的計算方法；

（4）學(xué)習(xí)數(shù)碼管動態(tài)顯示方式的原理及編程實現(xiàn)；

（5）根據(jù)任務(wù)需求，按功能模塊完成實驗電路的搭建；

（6）軟件編程、編譯及軟硬件聯(lián)合調(diào)試。

硬件電路設(shè)計及端口分配：根據(jù)任務(wù)要求，電路系統(tǒng)需要單片機最小系統(tǒng)，溫度采集芯片DS18B20，以及溫度顯示模塊。主控芯片選用AT89C52；溫度采集電路中DS18B20采用單總線方式通訊，由P3.0端口控制；顯示電路可選用四個共陽極數(shù)碼管，分別顯示溫度的符號位，兩位溫度值，最低位顯示C代表單位攝氏度，工作方式為動態(tài)顯示，數(shù)碼管段選由P0端口控制，位選由P2.0-P2.3控制（如圖1）。

軟件流程圖 根據(jù)設(shè)計流程完成程序流程圖的設(shè)計，如圖2所示。

軟硬件聯(lián)合仿真及驗證：分別將編譯生成的目標(biāo)文件分別加載到虛擬仿真環(huán)境及實驗版中如圖3所示。

5 總結(jié)

在單片機實驗教學(xué)中，引入虛擬軟件到單片機實驗教學(xué)，改變了以往側(cè)重軟件編程而忽略電路設(shè)計的教學(xué)現(xiàn)狀，不僅能促進學(xué)生對單片機的認(rèn)識，同時有利于學(xué)生分析問題的應(yīng)用單片機進行項目實現(xiàn)及創(chuàng)新的綜合能力的提高。

參考文獻

[1] 江世明.基于Proteus的單片機應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2] 金紅，蔣存波.單片機課程教學(xué)的探索與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報.2013（02）.

[3] 張?zhí)m紅.單片機原理及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2012.endprint