虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)原理及其應(yīng)用教學(xué)中的應(yīng)用分析

高志遠(yuǎn)

摘 ?要 在單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程教學(xué)中，由于課堂教學(xué)抽象不直觀，實(shí)驗(yàn)過(guò)程受到時(shí)間和資源的限制，使得教學(xué)效果不佳?；谔摂M仿真技術(shù)對(duì)單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程教學(xué)進(jìn)行研究分析，利用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)的原理進(jìn)行模擬仿真，并以七段數(shù)碼管的應(yīng)用為例，有效地對(duì)七段碼顯示數(shù)字進(jìn)行控制，以便讓學(xué)生更好地理解單片機(jī)的原理，極大地提升教學(xué)質(zhì)量，有效地完善課程改革。與此同時(shí)，促進(jìn)其他課程的進(jìn)步和發(fā)展。

關(guān)鍵詞 單片機(jī)原理及其應(yīng)用;虛擬仿真;Proteus

中圖分類號(hào)：TP391.9 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）12-0031-03

Application Analysis and Analysis of Virtual Simulation Techno-

logy in Principle and Application of Single-Chip Computer//GAO

Zhiyuan

Abstract In the teaching of the Principle and Application of Single-Chip Microcomputer， ?because of classroom teaching is not intuitive and the experiment process is limited by time and resources， those

are leading teaching ineffective. Based on the virtual simulation tech-

nology， the Principle and Application of Single-Chip Microcomputer is analyzed. Through the use of Proteus software， the principle of single-chip microcomputer is simulated， and the application of seven-

segment digital tube is taken as an example. The effective control of

the seven-segment code display numbers allows students to better

understand the principle of the single-chip microcomputer， improves the teaching effect of the classroom， and further promote the progress

and development of other courses.

Key words principle and application of single-chip microcomputer; virtual simulation; Proteus

1 引言

隨著我國(guó)科學(xué)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，促進(jìn)更多的信息技術(shù)和電子技術(shù)在單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程教學(xué)中得到應(yīng)用，而該課程也是高校電氣工程學(xué)院、計(jì)算機(jī)學(xué)院和自動(dòng)化學(xué)院比較重視的一門課，尤其在培養(yǎng)對(duì)口專業(yè)的學(xué)生時(shí)，以一門專業(yè)核心課程的要求進(jìn)行授課，讓學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握單片機(jī)的原理及其應(yīng)用的相關(guān)知識(shí)，對(duì)學(xué)生的專業(yè)水平有顯著提升，更好地適應(yīng)當(dāng)今中國(guó)智能制造的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。

該課程主要以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，銜接數(shù)電、通信、微機(jī)接口及編程等技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)和正常作業(yè)[4]。該課程在高校的授課中，由于單片機(jī)技術(shù)包含的相關(guān)技術(shù)較多，增加了學(xué)生的理解難度，再加上傳統(tǒng)教學(xué)主要是理論講解形式，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)單片機(jī)的知識(shí)難以掌握，尤其是電路部分和程序部分，不能直觀地反應(yīng)，漸漸地使更多的學(xué)生失去學(xué)習(xí)該課程的興趣，教學(xué)效果很不理想。在此背景下，傳統(tǒng)的課程教育已經(jīng)無(wú)法滿足專業(yè)人才的技能培養(yǎng)要求，將虛擬仿真技術(shù)與單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程有效結(jié)合，有助于吸引學(xué)生對(duì)單片機(jī)的熱愛(ài)，激發(fā)對(duì)該課程的求知欲，增強(qiáng)探索能力。本文以基于單片機(jī)的七段數(shù)碼管為研究對(duì)象，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)將抽象的單片機(jī)教學(xué)內(nèi)容形象化、直觀化，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和動(dòng)手能力，大大改善教學(xué)效果。

2 單片機(jī)教學(xué)現(xiàn)狀

單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程課堂教學(xué)比較抽象，不能直觀展示在學(xué)生眼前，使得學(xué)生難以理解授課重點(diǎn)和難點(diǎn)，再加上高校教學(xué)資源有限，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法真正理解，喪失對(duì)該課程的興趣，教學(xué)效果不理想[5-7]。

課堂教學(xué)存在抽象和模糊的缺陷 ?當(dāng)教師在課堂上講解單片機(jī)原理及其應(yīng)用時(shí)，多以板書和多媒體課件的方法進(jìn)行解讀，將單片機(jī)的理論知識(shí)告知學(xué)生，理論知識(shí)解析完后，再到實(shí)驗(yàn)室模擬課堂上所講解的，并用單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行課堂理論的驗(yàn)證;驗(yàn)證結(jié)果也只能讓學(xué)生看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不能對(duì)理論課程的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在抽象和模糊的缺陷，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法掌握其原理和應(yīng)用，所編程序不能讓學(xué)生有主觀的體驗(yàn)，使得學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味，授課質(zhì)量不高。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程受到時(shí)間和資源的限制 ?在傳統(tǒng)模式的授課中，主要是以理論教學(xué)，然后開(kāi)始實(shí)踐教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備受到實(shí)踐和教學(xué)資源的限制，只能利用實(shí)驗(yàn)箱和事先擬定好的程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不能根據(jù)現(xiàn)象去設(shè)計(jì)。可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，由于硬件和模塊都已經(jīng)集成，其功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，連線也相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)方法沒(méi)有創(chuàng)新，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)新和主觀能動(dòng)性。學(xué)生操作也呈流水線作業(yè)，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的思考，也無(wú)法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)單片機(jī)的原理掌握不夠透徹。

由于受到時(shí)間和資源的限制，學(xué)生實(shí)踐時(shí)的實(shí)驗(yàn)課程也比較有限。對(duì)于實(shí)踐課程的電路板設(shè)計(jì)、組裝以及仿真分析，學(xué)生學(xué)習(xí)周期比較長(zhǎng)，效率比較低。因此，對(duì)于學(xué)生而言，缺少動(dòng)手動(dòng)腦的機(jī)會(huì)，不能發(fā)揮主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新能力，思維能力也得不到提高。

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

基于傳統(tǒng)授課缺陷分析[8-9]，對(duì)于單片機(jī)原理的授課可以采用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)相關(guān)的應(yīng)用進(jìn)行仿真分析，通過(guò)模擬單片機(jī)的原理和應(yīng)用，搭建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠有效提高單片機(jī)課堂的教學(xué)質(zhì)量。

Proteus仿真模擬軟件是由英國(guó)的Labcenter Electro-

nics公司研制出來(lái)的，主要可以用來(lái)模擬單片機(jī)的原理和構(gòu)造以及功能的模擬，支持PLM、匯編和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)。該軟件由ISIS和ARES兩部分組成。其中，前者是指通過(guò)搭建仿真平臺(tái)，模擬電子系統(tǒng)的仿真分析，主要可以對(duì)模電、數(shù)電等相關(guān)的電路實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬仿真并觀察其現(xiàn)象，得到理論上的結(jié)果;后者包含軟件部分，通過(guò)對(duì)程序的植入，達(dá)到程序控制的目的，可以模擬電子設(shè)備中的一些重要的電子元件、控制模塊、電子測(cè)量?jī)x表和外圍設(shè)備電路元件?？梢灾苯釉赑roteus仿真軟件中對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和搭建，做到實(shí)驗(yàn)與理論的結(jié)合，得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，做到真正地掌握并發(fā)揮單片機(jī)的功能。

由于Proteus軟件很強(qiáng)大，完全可以建立一個(gè)設(shè)備齊全的虛擬單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室，在電腦上就可以完成單片機(jī)的硬、軟件的組裝和系統(tǒng)的調(diào)試，這樣學(xué)生在實(shí)踐課上就可以通過(guò)利用虛擬軟件對(duì)單片機(jī)的原理和應(yīng)用加以分析和探討，尤其是對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)掘，提高創(chuàng)新能力，使單片機(jī)的功能得到最大限度的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論去掌握單片機(jī)的相關(guān)原理。除此之外，學(xué)生還可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上動(dòng)手操作，給感興趣的學(xué)生留有一定的研究空間，設(shè)計(jì)相關(guān)的電路和模型，驗(yàn)證最初的設(shè)想和結(jié)論。因此，隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，有效地避免了單片機(jī)授課時(shí)存在的缺陷，可以提高授課的效率和學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

利用Proteus仿真軟件對(duì)單片機(jī)原理和應(yīng)用進(jìn)行虛擬仿真流程如圖1所示。從圖中可以看出，即使在沒(méi)有相關(guān)電子元器件的情況下，只要對(duì)該軟件的掌握熟悉，就可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行研究，掌握其原理及應(yīng)用，用虛擬的儀表和電子元器件代替真實(shí)的模塊和儀表，而且不用考慮其儀表的損壞和成本等因素，大大提高了學(xué)生對(duì)單片機(jī)的掌握和應(yīng)用。通過(guò)模擬的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論驗(yàn)證單片機(jī)的理論知識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的興趣，降低了學(xué)生對(duì)于單片機(jī)的理解難度，也控制了學(xué)校的實(shí)踐成本，彌補(bǔ)了教學(xué)課程的不足，這是傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)無(wú)法做到的。

4 單片機(jī)的Proteus虛擬仿真實(shí)例

以七段數(shù)碼管的應(yīng)用為例，采用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。其中，七段數(shù)碼管是一種常用的數(shù)字顯示器件，具有功耗低、壽命長(zhǎng)、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)的控制系統(tǒng)中。七段數(shù)碼管的教學(xué)內(nèi)容通常放在單片機(jī)的并行口的應(yīng)用中，在講授七段數(shù)碼管的基本工作原理之后，可以通過(guò)Proteus軟件對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真模擬，輔助課堂講授，以幫助學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制七段數(shù)碼的內(nèi)容進(jìn)行深入理解。本文采用七段數(shù)碼對(duì)一位秒表進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用Proteus軟件對(duì)單片機(jī)的原理進(jìn)行電路仿真并編寫程序，使其顯示0，之后每間隔一秒在前一個(gè)數(shù)的基礎(chǔ)上加1，使其在10個(gè)數(shù)字之間進(jìn)行反復(fù)循環(huán)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，搭建模擬仿真的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最后對(duì)其七段數(shù)碼管進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。其中，在Proteus編寫的程序如下：

如果運(yùn)行程序沒(méi)有錯(cuò)誤，并得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就可以直接讀到Proteus中進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果也能正常顯示。

通過(guò)對(duì)七段數(shù)碼管的一位秒表進(jìn)行虛擬仿真后，還可以鼓勵(lì)學(xué)生將已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的電路和程序做成實(shí)物，可以用實(shí)驗(yàn)室的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)，也可以自己焊板子搭建電路實(shí)現(xiàn)，并鼓勵(lì)學(xué)生課下進(jìn)行各類創(chuàng)新實(shí)踐，從而熟練掌握七段數(shù)碼管的工作方式。虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)原理及其應(yīng)用課堂中，可以有效對(duì)抽象的電路和集成芯片進(jìn)行虛擬仿真，以此提升學(xué)生對(duì)單片機(jī)的認(rèn)識(shí)和了解，拓展學(xué)生對(duì)單片機(jī)的興趣愛(ài)好，有效促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)能力。

5 結(jié)語(yǔ)

在單片機(jī)授課過(guò)程中，利用虛擬仿真技術(shù)可以使學(xué)生充分接觸和利用現(xiàn)代信息技術(shù)的硬件和軟件，把抽象的理論知識(shí)以模擬仿真的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象予以展示，極大地提升學(xué)生對(duì)單片機(jī)的原理和應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，掌握拓展知識(shí)。另外，隨著虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，擺脫了硬件的制約，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以直接對(duì)單片機(jī)的原理和應(yīng)用進(jìn)行模擬分析，不斷提高動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。與此同時(shí)，避免了電子元器件等硬件的損壞，大幅度地提高了學(xué)生的認(rèn)知能力，提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)能力。

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