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

王　瑾，袁戰(zhàn)軍

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽　712000；2.陜西國際商貿(mào)學(xué)院 電子系，陜西 咸陽　712046）

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

王瑾1，袁戰(zhàn)軍2

（1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽712000；2.陜西國際商貿(mào)學(xué)院 電子系，陜西 咸陽712046）

針對(duì)以往單片機(jī)課程教學(xué)中存在的問題，提出了將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到該課程實(shí)踐教學(xué)中。通過三個(gè)Proteus仿真實(shí)例，詳細(xì)介紹了虛擬仿真技術(shù)在單片機(jī)課程教學(xué)中的實(shí)現(xiàn)過程，包括系統(tǒng)仿真電路設(shè)計(jì)、軟件編程和交互仿真。實(shí)踐結(jié)果表明，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用增加了單片機(jī)課程教學(xué)的直觀性、可視性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提高了單片機(jī)課程的教學(xué)質(zhì)量；同時(shí)，還有效地縮短了單片機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)周期，降低了電子元件的購買費(fèi)用。

虛擬仿真技術(shù)；單片機(jī)課程；Proteus軟件；Keil軟件

《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程是高校電子信息工程、電氣自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。在課程教學(xué)中通常按照先介紹單片機(jī)內(nèi)部資源和基本組成，再講解單片機(jī)基本指令和編程方法的步驟進(jìn)行；由于該課程內(nèi)容較抽象并且前半部分理論知識(shí)過多，在實(shí)際教學(xué)中常常使學(xué)生感覺枯燥，失去學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)重影響了課堂教學(xué)效果[1]。

為了提高《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程的教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)中引入了虛擬仿真技術(shù)，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法，通過由淺入深的案例講解單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程方法。例如：在虛擬仿真環(huán)境下，通過用一個(gè)端口實(shí)現(xiàn)對(duì)LED閃爍控制的案例，來講解單片機(jī)最小系統(tǒng)的組成和編程方法，并通過在虛擬仿真軟件和Keil軟件中的系統(tǒng)仿真聯(lián)調(diào)，使學(xué)生不但掌握了基本指令的功能，還親眼看見了系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，保證了教學(xué)效果[2]。

1　虛擬仿真軟件簡介

目前主流的虛擬仿真軟件有Multisim和Proteus等軟件。Multisim是由NI公司推出的一款仿真軟件，它包含電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述的語言輸入功能，具有豐富的仿真分析能力，適用于電工電路、通信電路等仿真。Proteus是Labcenter Electronics公司研制的一款電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，它包括了ISIS、ARES等模塊，ARES模塊的功能是用來完成PCB設(shè)計(jì)，而ISIS模塊的功能是用來完成電路原理圖的布圖和仿真；由于Proteus軟件具有豐富的器件資源和完美的仿真功能，可以用來仿真和分析各種模擬電路與集成電路；同時(shí)，Proteus軟件還提供了大量模擬與數(shù)字元器件和外部設(shè)備，其中包括了各種虛擬儀器（如電壓表、電流表、示波器和信號(hào)發(fā)生器等），特別是它還能對(duì)單片機(jī)及其外圍電路組成的綜合系統(tǒng)進(jìn)行交互仿真，因此，在單片機(jī)教學(xué)中主要使用Proteus軟件來進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[3]。

2　單片機(jī)教學(xué)中Proteus仿真實(shí)現(xiàn)

在單片機(jī)教學(xué)中，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要通過Proteus軟件和Keil軟件的共同配合來實(shí)現(xiàn)。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在Keil軟件中進(jìn)行系統(tǒng)編程和調(diào)試，生成.HEX文件；接著，在Proteus環(huán)境下搭建系統(tǒng)硬件電路模型；然后，將.HEX文件導(dǎo)入系統(tǒng)硬件電路模型中，進(jìn)行系統(tǒng)交互仿真，觀察運(yùn)行效果。注意在單片機(jī)系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)，雖然匯編語言或C語言均可使用，但由于C語言編程可以縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，并且程序易于移植，所以目前主要使用C語言進(jìn)行編程。下面通過3個(gè)仿真實(shí)例來介紹如何利用虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)教學(xué)。

2.1單個(gè)LED閃爍控制仿真實(shí)例

實(shí)例要求：用AT89C51單片機(jī)的P1.0引腳控制單個(gè)LED的閃爍，并通過軟件參數(shù)調(diào)整實(shí)現(xiàn)LED閃爍頻率調(diào)節(jié)。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）根據(jù)要求在Proteus ISIS編輯區(qū)內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)仿真電路設(shè)計(jì)，電路如圖1所示。設(shè)計(jì)電路講解時(shí)，要告訴學(xué)生必須先搭建單片機(jī)最小系統(tǒng)（包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等），才能保證系統(tǒng)正常工作；接著，用P1.0引腳外接一個(gè)LED，通過控制P1.0腳的輸出電平實(shí)現(xiàn)LED的閃爍。

2）在Keil軟件中實(shí)現(xiàn)編程設(shè)計(jì)。通過硬件電路分析啟發(fā)學(xué)生思考“既然LED閃爍由P1.0高、低電平控制，那么閃爍頻率如何控制？編程如何實(shí)現(xiàn)？”，使學(xué)生自然想到LED閃爍頻率可由P1.0引腳輸出高、低電平的切換頻率來控制，編程時(shí)可在 P1.0引腳電平取反后調(diào)用一段延時(shí)子程序 delay （uchar n），通過改變n值控制LED的閃爍頻率，并畫出系統(tǒng)程序流程，如圖2所示[4]。該程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并給n賦初值；然后給P1.0引腳電平取反使LED燈交替亮、滅，并調(diào)用延時(shí)子程序使該狀態(tài)保持一段時(shí)間；隨后每當(dāng)延時(shí)時(shí)間到就給P1.0引腳取反，依次循環(huán)。

圖1　單個(gè)LED閃爍控制電路圖Fig.1　Circuit diagram of single LED flashing control

3）在Proteus環(huán)境下，將在Keil中生成的.hex文件加載到AT89C51單片機(jī)上，進(jìn)行仿真調(diào)試并觀察程序運(yùn)行時(shí)LED的亮、滅情況；同時(shí)，通過對(duì)延時(shí)子程序中n值的修改，觀察LED燈的閃爍頻率變化。

圖2　單個(gè)LED閃爍控制的流程圖Fig.2　Flow chart of single LED flashing control

2.2流水燈控制系統(tǒng)仿真實(shí)例

實(shí)例要求：用AT89C51單片機(jī)的P2口控制8只LED的亮滅，要求由最左邊那只LED開始先從左到右依次點(diǎn)亮1只LED；當(dāng)最右邊那只LED亮后，再從右到左依次點(diǎn)亮1只LED；然后，循環(huán)進(jìn)行以上兩個(gè)過程，產(chǎn)生左右來回循環(huán)的流水燈控制效果[5]。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）首先在Proteus環(huán)境下設(shè)計(jì)流水燈控制系統(tǒng)仿真電路，如圖3所示。電路中，將8只LED（D1-D8）的陽極分別與P2.0-P2.7引腳相連，D1-D8的陰極分別通過限流電阻R2-R9后共地，LED為共陰極接法[6]。

2）接著，在Keil軟件中編寫、調(diào)試程序。通過硬件電路分析可知，要使某只LED亮而其余LED滅，只需P2口中控制該只LED的引腳輸出高電平其余引腳輸出低電平即可。當(dāng)8 只 LED從左到右點(diǎn)亮?xí)r，P2口需要依次輸出 00000001、00000010、00000100、……、10000000；當(dāng)從右到左點(diǎn)亮?xí)r，P2口需要依次輸出01000000、00100000、……、00000001；根據(jù)以上分析，給出流水燈控制程序流程，如圖4所示。程序先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，給P2口賦值0x01使D1發(fā)光；然后，將P2口內(nèi)容左移一位，并調(diào)用延時(shí)子程序；接著，判斷是否滿足循環(huán)左移結(jié)束條件，是否已循環(huán)左移7次，不滿足條件 （未到7次）則繼續(xù)左移，否則進(jìn)入循環(huán)右移。在循環(huán)右移過程中，不斷給P2口內(nèi)容右移，并調(diào)用延時(shí)子程序，然后進(jìn)行循環(huán)右移結(jié)束條件判斷；不滿足條件則繼續(xù)右移，滿足條件轉(zhuǎn)到循環(huán)左移過程，不斷重復(fù)上述過程。

3）最后，在Proteus中仿真運(yùn)行，觀察8只LED先從左至右又從右至左循環(huán)點(diǎn)亮的過程，不斷重復(fù)。

2.3模擬交通燈控制系統(tǒng)仿真實(shí)例

實(shí)例要求：模擬十字路口交通信號(hào)燈的切換和控制過程，本設(shè)計(jì)要求選用12只LED分成東、西、南、北方向4組，每組均有1只紅色、1只黃色和1只綠色LED指示燈，用它們來模擬每個(gè)路口紅燈、黃燈和綠燈的交通指示[7-8]。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）先在Proteus環(huán)境下設(shè)計(jì)LED交通燈控制系統(tǒng)仿真電路，如圖5所示。由于南北方向路口交通指示情況相同，東西方向交通指示情況相同，因此用單片機(jī)P0.0-P0.2引腳分別控制東西方向紅、黃和綠燈，用P0.3-P0.5引腳控制南北方向紅、黃和綠燈；同時(shí)12只LED均為共陽極接法，當(dāng)P0.0-P0.5引腳有低電平輸出時(shí)，其所控制的LED點(diǎn)亮。

圖3　流水燈控制系統(tǒng)仿真電路Fig.3　System simulation circuit of the running water lights control

圖4　流水燈控制程序流程圖Fig.4　Flow chart of the running water lights control program

圖5　LED交通燈控制系統(tǒng)仿真電路Fig.5　System simulation circuit of the LED traffic light control

2）按照實(shí)際十字路口紅綠燈切換情況，程序共設(shè)計(jì)了四個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)1：東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮；狀態(tài)2:東西方向黃燈閃爍且綠燈滅，南北方向紅燈亮；狀態(tài)3:南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮；狀態(tài)4:南北方向黃燈閃爍且綠燈滅，東西方向紅燈亮；并按照狀態(tài)1到狀態(tài)4的過程循環(huán)執(zhí)行，LED交通燈控制程序流程如圖6所示。

3）最后，在Proteus中進(jìn)行仿真，觀察12只LED模擬十字路口交通信號(hào)燈的切換和控制過程，并可通過改變每個(gè)狀態(tài)所調(diào)用延時(shí)子程序delay（uchar n）中參數(shù)n的值，實(shí)現(xiàn)十字路口紅綠燈持續(xù)時(shí)間控制，從而有效調(diào)節(jié)各路口通行時(shí)間。

圖6　LED交通燈控制程序流程圖Fig.6　Flow chart of the LED traffic light control program

3　結(jié)束語

文中針對(duì)以往《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)中，存在著學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高、課堂教學(xué)質(zhì)量差等情況，提出了將虛擬仿真技術(shù)引入本門課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。通過近幾年來的教學(xué)實(shí)踐證明：虛擬仿真技術(shù)的使用，提高了《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程教學(xué)的直觀性、可視性，激發(fā)了學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力；甚至有許多同學(xué)通過本門課程的學(xué)習(xí)后，購買了單片機(jī)開發(fā)板，下載了單片機(jī)視屏教學(xué)資料，還積極參加了各種大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目活動(dòng)和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大賽，并取得了優(yōu)異成績。同時(shí)，該技術(shù)的使用還可以有效地縮短單片機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間，降低電子元器件的購買費(fèi)用。

[1]李云勝.PROTEUS在電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].信息化研究，2010，36（4）:58-60.

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The application of virtual simulation technology in the teaching of single-chip microcomputer course

WANG Jin1，YUAN Zhan-jun2
（1.College of Information Engineering，Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang 712000，China；2.Department of Electronics，Shaanxi Institute of International Trade&Commerce，Xianyang 712046，China）

Aiming at the problems in the previous teaching of single-chip microcomputer course，this paper puts forward the application of virtual simulation technology in the practice teaching of this course.Through three Proteus simulation examples，the implementation process of virtual simulation technology in the teaching of single-chip microcomputer course are introduced in detail，including system simulation circuit design，software programming and interactive simulation.The practical results show that the application of virtual simulation technology increases the intuitiveness and visibility of single-chip microcomputer teaching，stimulates the students'learning interest and innovation ability，and improves the teaching quality of the course.At the same time，it also shortens the development period of single chip microcomputer system effectively，and reduces the buying expenses of electronic components.

virtual simulation technology；single-chip microcomputer course；Proteus software；Keil software

TN7

A

1674－6236（2016）01-0045-03

2015-02-03稿件編號(hào)：201502018

陜西省教育廳2012年科學(xué)研究項(xiàng)目（12JK0549）；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013k07-44）

王 瑾（1974—），女，陜西咸陽人，碩士，副教授。研究方向：計(jì)算機(jī)控制及電子信息。