虚拟仿真技术在单片机原理及其应用教学中的应用分析

    高志远

    摘 ?要 在单片机原理及其应用课程教学中，由于课堂教学抽象不直观，实验过程受到时间和资源的限制，使得教学效果不佳。基于虚拟仿真技术对单片机原理及其应用课程教学进行研究分析，利用Proteus软件对单片机的原理进行模拟仿真，并以七段数码管的应用为例，有效地对七段码显示数字进行控制，以便让学生更好地理解单片机的原理，极大地提升教学质量，有效地完善课程改革。与此同时，促进其他课程的进步和发展。

    关键词 单片机原理及其应用;虚拟仿真;Proteus

    中图分类号：TP391.9 ? ?文献标识码：B

    文章编号：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

    隨着我国科学的发展和经济的进步，促进更多的信息技术和电子技术在单片机原理及其应用课程教学中得到应用，而该课程也是高校电气工程学院、计算机学院和自动化学院比较重视的一门课，尤其在培养对口专业的学生时，以一门专业核心课程的要求进行授课，让学生学习和掌握单片机的原理及其应用的相关知识，对学生的专业水平有显著提升，更好地适应当今中国智能制造的发展趋势[1-3]。

    该课程主要以单片机技术为基础，衔接数电、通信、微机接口及编程等技术，以此实现控制设备的功能实现和正常作业[4]。该课程在高校的授课中，由于单片机技术包含的相关技术较多，增加了学生的理解难度，再加上传统教学主要是理论讲解形式，导致学生对单片机的知识难以掌握，尤其是电路部分和程序部分，不能直观地反应，渐渐地使更多的学生失去学习该课程的兴趣，教学效果很不理想。在此背景下，传统的课程教育已经无法满足专业人才的技能培养要求，将虚拟仿真技术与单片机原理及其应用课程有效结合，有助于吸引学生对单片机的热爱，激发对该课程的求知欲，增强探索能力。本文以基于单片机的七段数码管为研究对象，通过虚拟仿真技术将抽象的单片机教学内容形象化、直观化，提高学生的学习能力和动手能力，大大改善教学效果。

    2 单片机教学现状

    单片机原理及其应用课程课堂教学比较抽象，不能直观展示在学生眼前，使得学生难以理解授课重点和难点，再加上高校教学资源有限，导致学生无法真正理解，丧失对该课程的兴趣，教学效果不理想[5-7]。

    课堂教学存在抽象和模糊的缺陷 ?当教师在课堂上讲解单片机原理及其应用时，多以板书和多媒体课件的方法进行解读，将单片机的理论知识告知学生，理论知识解析完后，再到实验室模拟课堂上所讲解的，并用单片机的实验箱和计算机来进行课堂理论的验证;验证结果也只能让学生看实验现象，不能对理论课程的基础知识进行验证。实验过程存在抽象和模糊的缺陷，导致学生无法掌握其原理和应用，所编程序不能让学生有主观的体验，使得学习枯燥无味，授课质量不高。

    实验过程受到时间和资源的限制 ?在传统模式的授课中，主要是以理论教学，然后开始实践教学。在实验过程中，实验设备受到实践和教学资源的限制，只能利用实验箱和事先拟定好的程序进行实验，学生不能根据现象去设计。可以通过计算机对其进行验证，由于硬件和模块都已经集成，其功能相对比较简单，连线也相对简单，实验方法没有创新，极大地限制了学生的创新和主观能动性。学生操作也呈流水线作业，缺乏对实验过程的思考，也无法设计实验原理，对单片机的原理掌握不够透彻。

    由于受到时间和资源的限制，学生实践时的实验课程也比较有限。对于实践课程的电路板设计、组装以及仿真分析，学生学习周期比较长，效率比较低。因此，对于学生而言，缺少动手动脑的机会，不能发挥主观能动性和创新能力，思维能力也得不到提高。

    3 虚拟仿真技术在单片机教学中的应用

    基于传统授课缺陷分析[8-9]，对于单片机原理的授课可以采用Proteus软件对单片机相关的应用进行仿真分析，通过模拟单片机的原理和应用，搭建虚拟仿真实验平台，能够有效提高单片机课堂的教学质量。

    Proteus仿真模拟软件是由英国的Labcenter Electro-

    nics公司研制出来的，主要可以用来模拟单片机的原理和构造以及功能的模拟，支持PLM、汇编和C语言的程序设计。该软件由ISIS和ARES两部分组成。其中，前者是指通过搭建仿真平台，模拟电子系统的仿真分析，主要可以对模电、数电等相关的电路实验进行设计和模拟仿真并观察其现象，得到理论上的结果;后者包含软件部分，通过对程序的植入，达到程序控制的目的，可以模拟电子设备中的一些重要的电子元件、控制模块、电子测量仪表和外围设备电路元件。可以直接在Proteus仿真软件中对单片机的应用进行设计和搭建，做到实验与理论的结合，得到相关的实验现象，开发学生的创新能力和动手能力，做到真正地掌握并发挥单片机的功能。

    由于Proteus软件很强大，完全可以建立一个设备齐全的虚拟单片机实验室，在电脑上就可以完成单片机的硬、软件的组装和系统的调试，这样学生在实践课上就可以通过利用虚拟软件对单片机的原理和应用加以分析和探讨，尤其是对实验现象的发掘，提高创新能力，使单片机的功能得到最大限度的开发和应用，通过实验现象和结论去掌握单片机的相关原理。除此之外，学生还可以在实验平台上动手操作，给感兴趣的学生留有一定的研究空间，设计相关的电路和模型，验证最初的设想和结论。因此，随着虚拟仿真技术的不断发展，有效地避免了单片机授课时存在的缺陷，可以提高授课的效率和学生学习的兴趣，提高学生的创新能力。

    利用Proteus仿真软件对单片机原理和应用进行虚拟仿真流程如图1所示。从图中可以看出，即使在没有相关电子元器件的情况下，只要对该软件的掌握熟悉，就可以对单片机进行研究，掌握其原理及应用，用虚拟的仪表和电子元器件代替真实的模块和仪表，而且不用考虑其仪表的损坏和成本等因素，大大提高了学生对单片机的掌握和应用。通过模拟的实验现象和结论验证单片机的理论知识，激发了学生的兴趣，降低了学生对于单片机的理解难度，也控制了学校的实践成本，弥补了教学课程的不足，这是传统的单片机教学无法做到的。

    4 单片机的Proteus虚拟仿真实例

    以七段数码管的应用为例，采用Proteus软件对单片机的应用系统进行模拟仿真。其中，七段数码管是一种常用的数字显示器件，具有功耗低、寿命长、尺寸小等优点，被广泛应用于单片机的控制系统中。七段数码管的教学内容通常放在单片机的并行口的应用中，在讲授七段数码管的基本工作原理之后，可以通过Proteus软件对教学内容进行仿真模拟，辅助课堂讲授，以帮助学生对单片机控制七段数码的内容进行深入理解。本文采用七段数码对一位秒表进行设计，利用Proteus软件对单片机的原理进行电路仿真并编写程序，使其显示0，之后每间隔一秒在前一个数的基础上加1，使其在10个数字之间进行反复循环。

    根据实验要求，搭建模拟仿真的实验平台，最后对其七段数码管进行虚拟仿真实验。其中，在Proteus编写的程序如下：

    如果运行程序没有错误，并得到正确的实验结果，就可以直接读到Proteus中进行调试实验，其结果也能正常显示。

    通过对七段数码管的一位秒表进行虚拟仿真后，还可以鼓励学生将已经验证过的电路和程序做成实物，可以用实验室的单片机实验箱实现，也可以自己焊板子搭建电路实现，并鼓励学生课下进行各类创新实践，从而熟练掌握七段数码管的工作方式。虚拟仿真技术在单片机原理及其应用课堂中，可以有效对抽象的电路和集成芯片进行虚拟仿真，以此提升学生对单片机的认识和了解，拓展学生对单片机的兴趣爱好，有效促进学生的创新能力和学习能力。

    5 结语

    在单片机授课过程中，利用虚拟仿真技术可以使学生充分接触和利用现代信息技术的硬件和软件，把抽象的理论知识以模拟仿真的实验现象予以展示，极大地提升学生对单片机的原理和应用的认识，掌握拓展知识。另外，随着虚拟仿真技术的不断发展，摆脱了硬件的制约，通过实验平台可以直接对单片机的原理和应用进行模拟分析，不断提高动手能力和创新能力。与此同时，避免了电子元器件等硬件的损坏，大幅度地提高了学生的认知能力，提高了学习质量，增强了学习能力。

    参考文献

    [1]程艺苑，李根全，姬晓旭，等.虚拟仿真技术在《单片机原理及其应用》教学中的应用[J].南阳师范学院学报，

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    [2]蔡植善，陈木生，等.基于单片机技术与LabVIEW软件的项目开发与实践[J].实验科学与技术，2018，16（2）：5-8.

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    [4]陈宁宁.产品制作引领单片机原理及应用课程改革的探索[J].现代职业教育，2017（36）：136-137.

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