高志遠

摘 ?要 在單片機原理及其應用課程教學中，由于課堂教學抽象不直觀，實驗過程受到時間和資源的限制，使得教學效果不佳?；谔摂M仿真技術對單片機原理及其應用課程教學進行研究分析，利用Proteus軟件對單片機的原理進行模擬仿真，并以七段數(shù)碼管的應用為例，有效地對七段碼顯示數(shù)字進行控制，以便讓學生更好地理解單片機的原理，極大地提升教學質量，有效地完善課程改革。與此同時，促進其他課程的進步和發(fā)展。

關鍵詞 單片機原理及其應用;虛擬仿真;Proteus

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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

隨著我國科學的發(fā)展和經濟的進步，促進更多的信息技術和電子技術在單片機原理及其應用課程教學中得到應用，而該課程也是高校電氣工程學院、計算機學院和自動化學院比較重視的一門課，尤其在培養(yǎng)對口專業(yè)的學生時，以一門專業(yè)核心課程的要求進行授課，讓學生學習和掌握單片機的原理及其應用的相關知識，對學生的專業(yè)水平有顯著提升，更好地適應當今中國智能制造的發(fā)展趨勢[1-3]。

該課程主要以單片機技術為基礎，銜接數(shù)電、通信、微機接口及編程等技術，以此實現(xiàn)控制設備的功能實現(xiàn)和正常作業(yè)[4]。該課程在高校的授課中，由于單片機技術包含的相關技術較多，增加了學生的理解難度，再加上傳統(tǒng)教學主要是理論講解形式，導致學生對單片機的知識難以掌握，尤其是電路部分和程序部分，不能直觀地反應，漸漸地使更多的學生失去學習該課程的興趣，教學效果很不理想。在此背景下，傳統(tǒng)的課程教育已經無法滿足專業(yè)人才的技能培養(yǎng)要求，將虛擬仿真技術與單片機原理及其應用課程有效結合，有助于吸引學生對單片機的熱愛，激發(fā)對該課程的求知欲，增強探索能力。本文以基于單片機的七段數(shù)碼管為研究對象，通過虛擬仿真技術將抽象的單片機教學內容形象化、直觀化，提高學生的學習能力和動手能力，大大改善教學效果。

2 單片機教學現(xiàn)狀

單片機原理及其應用課程課堂教學比較抽象，不能直觀展示在學生眼前，使得學生難以理解授課重點和難點，再加上高校教學資源有限，導致學生無法真正理解，喪失對該課程的興趣，教學效果不理想[5-7]。

課堂教學存在抽象和模糊的缺陷 ?當教師在課堂上講解單片機原理及其應用時，多以板書和多媒體課件的方法進行解讀，將單片機的理論知識告知學生，理論知識解析完后，再到實驗室模擬課堂上所講解的，并用單片機的實驗箱和計算機來進行課堂理論的驗證;驗證結果也只能讓學生看實驗現(xiàn)象，不能對理論課程的基礎知識進行驗證。實驗過程存在抽象和模糊的缺陷，導致學生無法掌握其原理和應用，所編程序不能讓學生有主觀的體驗，使得學習枯燥無味，授課質量不高。

實驗過程受到時間和資源的限制 ?在傳統(tǒng)模式的授課中，主要是以理論教學，然后開始實踐教學。在實驗過程中，實驗設備受到實踐和教學資源的限制，只能利用實驗箱和事先擬定好的程序進行實驗，學生不能根據(jù)現(xiàn)象去設計?？梢酝ㄟ^計算機對其進行驗證，由于硬件和模塊都已經集成，其功能相對比較簡單，連線也相對簡單，實驗方法沒有創(chuàng)新，極大地限制了學生的創(chuàng)新和主觀能動性。學生操作也呈流水線作業(yè)，缺乏對實驗過程的思考，也無法設計實驗原理，對單片機的原理掌握不夠透徹。

由于受到時間和資源的限制，學生實踐時的實驗課程也比較有限。對于實踐課程的電路板設計、組裝以及仿真分析，學生學習周期比較長，效率比較低。因此，對于學生而言，缺少動手動腦的機會，不能發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)新能力，思維能力也得不到提高。

3 虛擬仿真技術在單片機教學中的應用

基于傳統(tǒng)授課缺陷分析[8-9]，對于單片機原理的授課可以采用Proteus軟件對單片機相關的應用進行仿真分析，通過模擬單片機的原理和應用，搭建虛擬仿真實驗平臺，能夠有效提高單片機課堂的教學質量。

Proteus仿真模擬軟件是由英國的Labcenter Electro-

nics公司研制出來的，主要可以用來模擬單片機的原理和構造以及功能的模擬，支持PLM、匯編和C語言的程序設計。該軟件由ISIS和ARES兩部分組成。其中，前者是指通過搭建仿真平臺，模擬電子系統(tǒng)的仿真分析，主要可以對模電、數(shù)電等相關的電路實驗進行設計和模擬仿真并觀察其現(xiàn)象，得到理論上的結果;后者包含軟件部分，通過對程序的植入，達到程序控制的目的，可以模擬電子設備中的一些重要的電子元件、控制模塊、電子測量儀表和外圍設備電路元件?？梢灾苯釉赑roteus仿真軟件中對單片機的應用進行設計和搭建，做到實驗與理論的結合，得到相關的實驗現(xiàn)象，開發(fā)學生的創(chuàng)新能力和動手能力，做到真正地掌握并發(fā)揮單片機的功能。

由于Proteus軟件很強大，完全可以建立一個設備齊全的虛擬單片機實驗室，在電腦上就可以完成單片機的硬、軟件的組裝和系統(tǒng)的調試，這樣學生在實踐課上就可以通過利用虛擬軟件對單片機的原理和應用加以分析和探討，尤其是對實驗現(xiàn)象的發(fā)掘，提高創(chuàng)新能力，使單片機的功能得到最大限度的開發(fā)和應用，通過實驗現(xiàn)象和結論去掌握單片機的相關原理。除此之外，學生還可以在實驗平臺上動手操作，給感興趣的學生留有一定的研究空間，設計相關的電路和模型，驗證最初的設想和結論。因此，隨著虛擬仿真技術的不斷發(fā)展，有效地避免了單片機授課時存在的缺陷，可以提高授課的效率和學生學習的興趣，提高學生的創(chuàng)新能力。

利用Proteus仿真軟件對單片機原理和應用進行虛擬仿真流程如圖1所示。從圖中可以看出，即使在沒有相關電子元器件的情況下，只要對該軟件的掌握熟悉，就可以對單片機進行研究，掌握其原理及應用，用虛擬的儀表和電子元器件代替真實的模塊和儀表，而且不用考慮其儀表的損壞和成本等因素，大大提高了學生對單片機的掌握和應用。通過模擬的實驗現(xiàn)象和結論驗證單片機的理論知識，激發(fā)了學生的興趣，降低了學生對于單片機的理解難度，也控制了學校的實踐成本，彌補了教學課程的不足，這是傳統(tǒng)的單片機教學無法做到的。

4 單片機的Proteus虛擬仿真實例

以七段數(shù)碼管的應用為例，采用Proteus軟件對單片機的應用系統(tǒng)進行模擬仿真。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、尺寸小等優(yōu)點，被廣泛應用于單片機的控制系統(tǒng)中。七段數(shù)碼管的教學內容通常放在單片機的并行口的應用中，在講授七段數(shù)碼管的基本工作原理之后，可以通過Proteus軟件對教學內容進行仿真模擬，輔助課堂講授，以幫助學生對單片機控制七段數(shù)碼的內容進行深入理解。本文采用七段數(shù)碼對一位秒表進行設計，利用Proteus軟件對單片機的原理進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數(shù)的基礎上加1，使其在10個數(shù)字之間進行反復循環(huán)。

根據(jù)實驗要求，搭建模擬仿真的實驗平臺，最后對其七段數(shù)碼管進行虛擬仿真實驗。其中，在Proteus編寫的程序如下：

如果運行程序沒有錯誤，并得到正確的實驗結果，就可以直接讀到Proteus中進行調試實驗，其結果也能正常顯示。

通過對七段數(shù)碼管的一位秒表進行虛擬仿真后，還可以鼓勵學生將已經驗證過的電路和程序做成實物，可以用實驗室的單片機實驗箱實現(xiàn)，也可以自己焊板子搭建電路實現(xiàn)，并鼓勵學生課下進行各類創(chuàng)新實踐，從而熟練掌握七段數(shù)碼管的工作方式。虛擬仿真技術在單片機原理及其應用課堂中，可以有效對抽象的電路和集成芯片進行虛擬仿真，以此提升學生對單片機的認識和了解，拓展學生對單片機的興趣愛好，有效促進學生的創(chuàng)新能力和學習能力。

5 結語

在單片機授課過程中，利用虛擬仿真技術可以使學生充分接觸和利用現(xiàn)代信息技術的硬件和軟件，把抽象的理論知識以模擬仿真的實驗現(xiàn)象予以展示，極大地提升學生對單片機的原理和應用的認識，掌握拓展知識。另外，隨著虛擬仿真技術的不斷發(fā)展，擺脫了硬件的制約，通過實驗平臺可以直接對單片機的原理和應用進行模擬分析，不斷提高動手能力和創(chuàng)新能力。與此同時，避免了電子元器件等硬件的損壞，大幅度地提高了學生的認知能力，提高了學習質量，增強了學習能力。

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