单片机虚拟实验室的建设与使用

张秀国

珠海城市职业技术学院 广东珠海 519090

单片机虚拟实验室的建设与使用

张秀国

珠海城市职业技术学院 广东珠海 519090

提出了一种单片机虚拟实验室的建设方案，并通过实例阐述单片机虚拟实验室的优势。

单片机；Proteus软件；Keil软件；虚拟实验室

单片机课程概念原理抽象，高职学生学习起来比较吃力。而该课程实践性很强，实验实训是该课程的重要组成部分，学生需要大量的实验实训项目来深刻理解单片机的概念原理,掌握单片机技术的应用。要形成多操作位、高使用率的实验实训基地，学校在硬件实验设备的投入是相当可观的，且一时也难以形成规模。另外由实验箱或实验板组成的传统单片机实验室仍存在以下诸多问题，如功能单一、封闭(规定时间，规定场地，规定实验内容)、易落后、难管理维护等缺点。

一、单片机虚拟实验室的构建

虚拟实验室是指用仿真技术、数学建模技术和多媒体技术等在计算机上营造的可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。Proteus和Keil是单片机仿真开发领域的优秀软件，是构建单片机虚拟实验室的最佳选择。

1.单片机系统仿真软件选用Proteus

Proteus仿真软件是英国Labcenter公司开发的一种功能强大的电子设计自动化软件，提供智能原理图设计、SPICE模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真系统和PCB设计功能。Proteus是目前世界上最先进最完整的嵌入式系统设计与仿真平台；是目前惟一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具，真正实现了在没有硬件电路时就可对系统进行调试、测试与验证。

元件和仪器仪表的数量、类型，是衡量虚拟实验室是否合格的一个关键因素。Proteus软件提供了30多个元件库，数万种元件，涉及数字和模拟、交流和直流等，有示波器、逻辑分析仪、串口虚拟终端、信号发生器、交直流电压电流表等。另外，Proteus还提供了比较丰富的电路测试信号，这些测试信号包括模拟信号和数字信号，直流信号、交流信号、脉冲信号、指数信号、调制信号、数字脉冲信号、数字时钟信号、音频信号等。

2.编译调试环境选用Keil

Keil是德国Keil Software公司推出的51系列单片机软件开发系统，Windows界面，集程序编辑、编译和仿真等为一体，还支持汇编、C语言的程序设计。在程序调试、软件仿真方面功能强大。很多工程师开发的优秀程序都是在Keil的平台上编写出来的。

Keil调试器具备全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器的当前状态，并且通过设置可与Proteus联机调试单片机系统。初学者通过使用Keil软件工具编制、调试应用程序，可以学到单片机的各种指令，也可以学到单片机软件开发的步骤、方法和技巧。

二、单片机虚拟实验室的使用

以单片机和数字温度传感器芯片DS18B20构成液晶显示温度计为例，介绍单片机虚拟实验室如何通过Proteus和Keil进行仿真实验。整个虚拟仿真实验过程，如图1所示。

1.绘制仿真电路的原理图

启动Proteus ISIS 7 Professional，在Proteus元件库中选择所需元件，在原理图编辑窗口绘出如图2所示的电路原理图。

图1 虚拟仿真实验过程流程图

图2 DS18B20温度传感器输出显示电路及运行效果

2.程序设计

根据实验要求在Keil中编写实验源程序，经编译、调试、修改后生成Hex文件。

3.模拟仿真

运行Proteus模拟仿真软件，打开已经绘制好的仿真电路原理图，选中单片机芯片AT89C51，左键点击AT89C51，出现对应的对话框，在Program File中找到编译好的“HEX”文件，然后点击“OK”就可以仿真了。点击运行按钮，进入模拟调试状态，观察仿真实验结果，如图2所示LCD在显示DS18B20所测量的外部温度。

在模拟仿真成功以后，可以让学生在实验装置上搭建电路进行验证调试，从而增加学生的感性认识。

三、单片机虚拟实验室的优势

与传统的单片机实验相比，基于Proteus和Keil的单片机虚拟实验室具有以下优势：

1.学校低投入、高回报。实验室的建设和日常运行需要大量的硬件投入，包括场地、仪器设备和元器件等，特别是一些综合性实验，硬件成本更高。而且有些元器件属于易耗品，使用周期较短，耗材经费也是一笔不小的支出。采用软件建设的单片机虚拟实验室可以称之为低投入、高回报型实验室。

2.教师易管理、便教研。虚拟实验室即使学生操作不当，方案不正确也只有造成实验不成功，不会存在设备和仪器仪表的损坏问题，这极大地降低了教师的设备管理和维护工作量。教师可以有更多的时间投入实验实训教学指导和实验内容创新研究中。

3.学生爱学习、争创新。单片机虚拟实验室没有时间、空间、硬件设备受限、无经费来源等条件限制，操作简单，实验效果直观，大大提高了学习兴趣。学生从以前感到枯燥乏味，到现在争着学习，除了完成教师布置的实验实训外，还利用所学知识自由创设自己的设计思路，训练自己的综合能力与创新能力，积累工程实践经验。

四、结束语

实验室建设是高等职业技术院校教学环节中的重要组成部分，利用仿真虚拟技术创建虚拟实验室，加强学生动手技能和创新能力的培养，是今后实验教学的一个发展趋势。从实践结果来看，利用Proteus和Keil软件构建单片机虚拟实验室是正确选择，但必须注意，仿真不能完全代替实物，只有将虚拟仿真结果应用于具体电路系统，才能真正锻炼学生的软硬件综合开发能力。

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[3]刘荫，郑煊.基于Proteus的单片机虚拟实验室的构建[J].山东教育学院学报,2009,6

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[5]马刚，李向仓.用Proteus和Keil整合构建单片机虚拟仿真平台[J].现代电子技术,2006，24

2010-05-03

张秀国，硕士，工程师。