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摘要：本文提出在单片机课程教学的实验教学环节中引入仿真技术，利用软件Proteus进行电路分析与单片机程序仿真，从硬件搭接、程序设计以及软件硬件联合调试三个阶段阐述了基于仿真技术的单片机实验教学方法，指出了仿真技术的引入大大提高了单片机实验教学的质量和效率，为创造性学习活动提高了合适的环境。
关键词 仿真 单片机 实验教学
【中图分类号】TP368.1-4；TP391.9
1 引言
随着信息技术的不断发展和社会对人才综合素质要求的提高，学生不但要有广泛、扎实的理论基础，同时也要有很强的动手能力和创新能力。这些都促使教师要积极探索新的教学方式，采用现代化的教学手段，提高教学的质量和效率，同时也要为学生的创造性学习活动提供合适的环境。
与传统的实验室、实验设备相比，采用仿真软件辅助教学有着独有的特点和优越性，例如：1、速度快，程序或实验电路修改后只需重新编译马上可以看到结果。2、效率高，仿真结果可以在电脑屏幕上显示，非常清晰，配合调试过程和教师的讲解，学生很容易掌握。3、节约成本，真实实验设备贵重、容易损坏、维修困难还不能保证一个人一组，仿真软件的使用只有有一个安装了仿真软件的计算机机房即可，能达到事半功倍的效果。当然，在教学中单纯使用软件仿真也有不足之处，比如无法训练学生的动手能力、仿真与真实硬件的差异等等。为此，笔者尝试将软件仿真与传统实验有机结合起来，创造出一种新的教学模式和方法，大大提高了教学的质量和效率，提高了学生学习的积极性和创造性。
2 单片机实验仿真环境的构建
Proteus是一款电路分析与实物仿真软件，除了能对基本电子电路进行访问以外，它最大的特点是基于微控制器的设计连同所有的外围电路一起仿真，能直接在单片机虚拟系统上对MCU编程，并对软件源代码进行实时调试。对于单片机实验，仿真软件Proteus能使实验过程变得自由、生动、直观和简便。对于刚刚接触单片机的学生来说，仿真既增加了实验的趣味性，又避免了传统实验中的损耗；利用Proteus实现对单片机实验的改进，单片机实验将脱离传统实验硬件的限制。
Keil是一款关于单片机的开发工具，支持汇编、C语言及混合编程，能够将源程序编译生成机器码，能够不接硬件电路直接进行接口程序仿真；Medwin是万利公司制作的单片机编程环境，其特点是与仿真器配合进行在线程序调试，同时该软件编译环境人性化，十分容易上手。
传统的单片机实验包括硬件和软件两个部分，仿真单片机实验也是如此，利用Proteus仿真硬件，利用keil或medvin编译源程序，并将两者结合起来就构成了完成的单片机虚拟实验环境。
与传统单片机实验相比较，基于Proteus和keil的虚拟实验具有以下特点：
（1）由于单片机、电路中的元器件，甚至实验电路都可以在实验开始时不存在，只要根据需要在实验过程中搭建好即可。实验中，初始的实验电路也可以不是完整的，可以根据需要一部分一部分地搭建，并根据部分电路进行有针对性的实验，只要在实验的最后，实验电路和实验程序符合实验要求即可。这种实验的灵活性，给学生实验带来了极大的便利，并且这种实验的可操作性极强。
（2）传统单片机实验的实验装置在实验过程中可能存在接触不良的情况，这对学生实验会带来不利的影响，而利用Proteus建立的实验电路则永远不会存在接触不良的情况，只要电路正确，实验即可正常进行。虽然如此，作为物理存在的传统单片机实验的实验装置，它的故障及其排除都对学生学习产生有利的、与客观实际相吻合的影响，而Proteus建立的实验电路则只能给出实验的理论的、理想的，甚至虚拟以致错误的概念。
（3）能够有效的培养学生的创新能力和综合设计性实验能力。实验能力和创新能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力中較为重要的。传统的实验教学中，忽视了学生设计能力的培养，对于实验创新能力的培养，更是很少涉及到。因此学生学习了理论，要想将其应用到实际的工程实践中，其难度是比较大的。为此，在进行课程设计或进行大实验的时候，可以以具体的在Proteus中做一个工程项目，并将其最后移植到一个具体的硬件电路中，让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，利于学生对工程实践过程的了解和学习。
（4）构建单片机虚拟实验平台，硬件投入少，经济优势明显优于传统的采用单片机实验教学板的教学实验。Proteus所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量，都是可靠和经济的。如果在实验教学中投入这样的真实的仪器仪表，仅仪表的维护来讲，其工作量也是比较大的。因此采用软件的方式进行教学，其经济优势是比较明显的。
采用单片机虚拟实验平台能实现开放式的网络实验平台，实现资源共享，并能通过软件的升级来保持实验系统的先进性。由以上的分析我们可以看出，作为对传统单片机实验的改革，应保留传统单片机实验的优点，结合Proteus建立的实验电路的灵活性。要将软件仿真和实验装置结合，将仿真软件中凋试好的程序编程或下载到实验芯片中，然后在实验装置中进行硬件仿真和验证。这样才能充分发挥各自的优点，不但可以促进理论知识的理解，也可以锻炼学生的动手能力，以达到更好的教学效果，提高教学质量。
3教学方法
在实际的教学过程中，我们可以在Proteus上做实验，在说明实验目的和实验要求后，实验可以在由学生自己选择元器件搭建电路上进行，也可以在老师建立的标准电路模板上进行。前一种做法实验难度大，对学生要求高，可以作为学生综合性、设计性实验的选择，因为综合性、设计性实验往往实验时间较长，对学生能动地参与实验、把握实验要求高；后一种做法难度小，可用于一般性实验。一般情况下，我们可以要求学生在实验课前自行设计好电路原理图，然后在实验课上进行验证。无论选择哪一种方式，都需要学生在Proteus上建立自己的实验电路原理图，并且至少这种实验电路原理图是原理性的、能由学生编写并生成针对该实验电路原理图的十六进制目标代码文件。在传统的单片机实验中，这种十六进制目标代码文件是通过写到单片机中来完成它对单片机工控制的，而在Proteus实现的实验电路图中，只需将该十六进制目标代码文件同单片机绑定在一起，即可实现它对单片机工作的控制。 在Proteus仿真成功以后，可以让学生在实验装置上搭建电路进行验证，并根据结果结合Proteus上的电路和源程序进行调试和修正元器件的参数。调试过程中可以利用Proteus中的虚拟仪表测量结果与实际电路中的测量结果相对照，从而以最快的速度找出问题所在。
4仿真教学案例
下面我们以用单片机对数码管的控制为例介绍一下具体教学过程中的操作方法：
第一步，根据实验目的和要求，在Proteus元件库中选择所需要的元件设计出电路原理闭，如图1所示。这一步可以根据老师和学生的具体情况，由学生自行设计完成或者由老师提供统一的电路图，并对电路原理进行详细的讲解。
图片 1
第二步，根据实验要求在keil中编写实验源程序，经编译、调试、修改生成Hex文件。如图3所示。图4为仿真实验效果。
图片 2
第三步，双击电路图巾的891251单片机，在单片机中调
入Hex文件，点击Proteus中的执行按钮，系统开始工作，如图3所示。
图片 3
圖片 4
如以上三步不能顺利完成实验要求，可以通过修改电路或程序重新进行实验。在对系统进行调试的过程中可以方便的调用Proteus中的仪表进行测量，也可以存安装Proteus和keil的时候设置联调，这样不用重新对单片机设置调用而直接修改程序，并在keil中对程序进行修改和调试。最后将调试完毕的电路通过实验装置连线，并写入程序就可以顺利完成实验了。这样把仿真软件与传统实验装置结合既提高了效率，节省了原材料，也充分发挥了学生的创造性，提高了他们的动手能力。
5结论
本文讨论了如何在单片机实验教学过程引入计算机仿真技术，利用软件Proteus的仿真功能，结合KEIL的程序编译环境，使学生不需实际硬件的支持也能完成实验内容，大大降低了实验成本，缩短了实验周期，延伸了实验内涵。单片机以及电子课程实验教学中大量引入仿真技术，有利于调动学生学习积极性及主观能动性，提高学生创造能力和思维想象能力，值得广泛推广和应用。
参考文献
1基于Proteus的单片机虚拟实验室的构建 山东教育学院学报 作者：刘萌 郑煊 2009年第6期 107页-108页
2基于Proteus与Keil的单片机实验教学改革 实验室研究与探索 作者：伍冯洁 谢斌 2009年7月 125-127页
3基于Proteus和Keil的整合构建单片机虚拟实验室
重庆工学院学报（自然科学版） 作者：彭小峰，雷李，张里 2007年4月 67页-69页
关键词 仿真 单片机 实验教学
【中图分类号】TP368.1-4；TP391.9
1 引言
随着信息技术的不断发展和社会对人才综合素质要求的提高，学生不但要有广泛、扎实的理论基础，同时也要有很强的动手能力和创新能力。这些都促使教师要积极探索新的教学方式，采用现代化的教学手段，提高教学的质量和效率，同时也要为学生的创造性学习活动提供合适的环境。
与传统的实验室、实验设备相比，采用仿真软件辅助教学有着独有的特点和优越性，例如：1、速度快，程序或实验电路修改后只需重新编译马上可以看到结果。2、效率高，仿真结果可以在电脑屏幕上显示，非常清晰，配合调试过程和教师的讲解，学生很容易掌握。3、节约成本，真实实验设备贵重、容易损坏、维修困难还不能保证一个人一组，仿真软件的使用只有有一个安装了仿真软件的计算机机房即可，能达到事半功倍的效果。当然，在教学中单纯使用软件仿真也有不足之处，比如无法训练学生的动手能力、仿真与真实硬件的差异等等。为此，笔者尝试将软件仿真与传统实验有机结合起来，创造出一种新的教学模式和方法，大大提高了教学的质量和效率，提高了学生学习的积极性和创造性。
2 单片机实验仿真环境的构建
Proteus是一款电路分析与实物仿真软件，除了能对基本电子电路进行访问以外，它最大的特点是基于微控制器的设计连同所有的外围电路一起仿真，能直接在单片机虚拟系统上对MCU编程，并对软件源代码进行实时调试。对于单片机实验，仿真软件Proteus能使实验过程变得自由、生动、直观和简便。对于刚刚接触单片机的学生来说，仿真既增加了实验的趣味性，又避免了传统实验中的损耗；利用Proteus实现对单片机实验的改进，单片机实验将脱离传统实验硬件的限制。
Keil是一款关于单片机的开发工具，支持汇编、C语言及混合编程，能够将源程序编译生成机器码，能够不接硬件电路直接进行接口程序仿真；Medwin是万利公司制作的单片机编程环境，其特点是与仿真器配合进行在线程序调试，同时该软件编译环境人性化，十分容易上手。
传统的单片机实验包括硬件和软件两个部分，仿真单片机实验也是如此，利用Proteus仿真硬件，利用keil或medvin编译源程序，并将两者结合起来就构成了完成的单片机虚拟实验环境。
与传统单片机实验相比较，基于Proteus和keil的虚拟实验具有以下特点：
（1）由于单片机、电路中的元器件，甚至实验电路都可以在实验开始时不存在，只要根据需要在实验过程中搭建好即可。实验中，初始的实验电路也可以不是完整的，可以根据需要一部分一部分地搭建，并根据部分电路进行有针对性的实验，只要在实验的最后，实验电路和实验程序符合实验要求即可。这种实验的灵活性，给学生实验带来了极大的便利，并且这种实验的可操作性极强。
（2）传统单片机实验的实验装置在实验过程中可能存在接触不良的情况，这对学生实验会带来不利的影响，而利用Proteus建立的实验电路则永远不会存在接触不良的情况，只要电路正确，实验即可正常进行。虽然如此，作为物理存在的传统单片机实验的实验装置，它的故障及其排除都对学生学习产生有利的、与客观实际相吻合的影响，而Proteus建立的实验电路则只能给出实验的理论的、理想的，甚至虚拟以致错误的概念。
（3）能够有效的培养学生的创新能力和综合设计性实验能力。实验能力和创新能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力中較为重要的。传统的实验教学中，忽视了学生设计能力的培养，对于实验创新能力的培养，更是很少涉及到。因此学生学习了理论，要想将其应用到实际的工程实践中，其难度是比较大的。为此，在进行课程设计或进行大实验的时候，可以以具体的在Proteus中做一个工程项目，并将其最后移植到一个具体的硬件电路中，让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，利于学生对工程实践过程的了解和学习。
（4）构建单片机虚拟实验平台，硬件投入少，经济优势明显优于传统的采用单片机实验教学板的教学实验。Proteus所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量，都是可靠和经济的。如果在实验教学中投入这样的真实的仪器仪表，仅仪表的维护来讲，其工作量也是比较大的。因此采用软件的方式进行教学，其经济优势是比较明显的。
采用单片机虚拟实验平台能实现开放式的网络实验平台，实现资源共享，并能通过软件的升级来保持实验系统的先进性。由以上的分析我们可以看出，作为对传统单片机实验的改革，应保留传统单片机实验的优点，结合Proteus建立的实验电路的灵活性。要将软件仿真和实验装置结合，将仿真软件中凋试好的程序编程或下载到实验芯片中，然后在实验装置中进行硬件仿真和验证。这样才能充分发挥各自的优点，不但可以促进理论知识的理解，也可以锻炼学生的动手能力，以达到更好的教学效果，提高教学质量。
3教学方法
在实际的教学过程中，我们可以在Proteus上做实验，在说明实验目的和实验要求后，实验可以在由学生自己选择元器件搭建电路上进行，也可以在老师建立的标准电路模板上进行。前一种做法实验难度大，对学生要求高，可以作为学生综合性、设计性实验的选择，因为综合性、设计性实验往往实验时间较长，对学生能动地参与实验、把握实验要求高；后一种做法难度小，可用于一般性实验。一般情况下，我们可以要求学生在实验课前自行设计好电路原理图，然后在实验课上进行验证。无论选择哪一种方式，都需要学生在Proteus上建立自己的实验电路原理图，并且至少这种实验电路原理图是原理性的、能由学生编写并生成针对该实验电路原理图的十六进制目标代码文件。在传统的单片机实验中，这种十六进制目标代码文件是通过写到单片机中来完成它对单片机工控制的，而在Proteus实现的实验电路图中，只需将该十六进制目标代码文件同单片机绑定在一起，即可实现它对单片机工作的控制。 在Proteus仿真成功以后，可以让学生在实验装置上搭建电路进行验证，并根据结果结合Proteus上的电路和源程序进行调试和修正元器件的参数。调试过程中可以利用Proteus中的虚拟仪表测量结果与实际电路中的测量结果相对照，从而以最快的速度找出问题所在。
4仿真教学案例
下面我们以用单片机对数码管的控制为例介绍一下具体教学过程中的操作方法：
第一步，根据实验目的和要求，在Proteus元件库中选择所需要的元件设计出电路原理闭，如图1所示。这一步可以根据老师和学生的具体情况，由学生自行设计完成或者由老师提供统一的电路图，并对电路原理进行详细的讲解。
图片 1
第二步，根据实验要求在keil中编写实验源程序，经编译、调试、修改生成Hex文件。如图3所示。图4为仿真实验效果。
图片 2
第三步，双击电路图巾的891251单片机，在单片机中调
入Hex文件，点击Proteus中的执行按钮，系统开始工作，如图3所示。
图片 3
圖片 4
如以上三步不能顺利完成实验要求，可以通过修改电路或程序重新进行实验。在对系统进行调试的过程中可以方便的调用Proteus中的仪表进行测量，也可以存安装Proteus和keil的时候设置联调，这样不用重新对单片机设置调用而直接修改程序，并在keil中对程序进行修改和调试。最后将调试完毕的电路通过实验装置连线，并写入程序就可以顺利完成实验了。这样把仿真软件与传统实验装置结合既提高了效率，节省了原材料，也充分发挥了学生的创造性，提高了他们的动手能力。
5结论
本文讨论了如何在单片机实验教学过程引入计算机仿真技术，利用软件Proteus的仿真功能，结合KEIL的程序编译环境，使学生不需实际硬件的支持也能完成实验内容，大大降低了实验成本，缩短了实验周期，延伸了实验内涵。单片机以及电子课程实验教学中大量引入仿真技术，有利于调动学生学习积极性及主观能动性，提高学生创造能力和思维想象能力，值得广泛推广和应用。
参考文献
1基于Proteus的单片机虚拟实验室的构建 山东教育学院学报 作者：刘萌 郑煊 2009年第6期 107页-108页
2基于Proteus与Keil的单片机实验教学改革 实验室研究与探索 作者：伍冯洁 谢斌 2009年7月 125-127页
3基于Proteus和Keil的整合构建单片机虚拟实验室
重庆工学院学报（自然科学版） 作者：彭小峰，雷李，张里 2007年4月 67页-69页