基于仿真平台的单片机原理及应用课程教学研究

郭一军，赵 磊，胡 娟，周 武

（黄山学院 机电工程学院，安徽 黄山245041）

1 引言

单片机将CPU、存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口等电路集成在一块微型芯片上，使其具备了计算机的基本功能[1]。另外，单片机的指令系统是按照工业控制的需要设计的，单片机在自动控制系统的设计中具有重要的地位，作为工业控制器使用时具有功耗低、体积小、抗干扰能力强以及运算速度快等特点。因此，单片机原理及应用课程是自动化专业同学必须很好掌握的一门专业基础课程。教学目标是通过对该课程的学习要求学生掌握单片机的基本概念、基本原理，掌握单片机程序设计和接口应用的能力，为基于单片机的自控系统的设计打下坚实的基础。

课程教学是人才培养的关键环节，单片机课程作为理论与实践联系极为紧密的课程，在培养创新性、复合型的专业人才中的作用尤为突出。然而，传统的单片机课程理论教学是以板书+PPT的方式按部就班进行的。在理论教学时教师先讲解单片机硬件结构及原理，再介绍单片机编程语言，最后讲解单片机的片内资源及接口技术。这样的教学过程看似循序渐进无可挑剔，但是，教学过程中学生处于被动接受的地位，教师满堂灌，学生被动学，学生的课堂参与度不高，使得原本就枯燥、抽象的理论知识更不易被学生掌握，长此以往会使他们觉得单片机理论知识难懂难学，失去学习兴趣。另外，单片机教学中理论与实践脱节严重，没有实现较好的融合，且实践课教学目前仅能起到使学生对单片机的应用有一个普及性认识的作用，由于受学时数的限制，多数高校一门课的实践课时并不多，要想通过短期实践课程掌握单片机技术的应用，达到独立完成基于单片机的自控系统设计是非常困难的。因此，如何做到将实践过程贯穿于整个理论教学的过程中，做到课程理论教学与实践教学的有机融合是决定整个单片机课程教学效果的关键。

在教学效果评价方面，单片机课程考核重理论轻应用现象突出，没有起到引导学生注重实践能力培养的作用。目前对于单片机课程的考核主要是以闭卷考试为主，导致多数同学对课程知识的学习只是停留在记忆或理解的阶段，并不能很好地将所学理论知识应用到解决实际的控制问题中去。

2 仿真平台引入课程教学的重要性

单片机课程具有理论知识体系严谨、抽象、逻辑性和应用性强等特点[2],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[3]。为解决传统单片机课程教学中存在的问题，提高课程教学效果，本文采用Proteus结合Keil C51构建仿真平台并将其融入到单片机课程教学的整个过程中。

Proteus软件是由英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件，软件功能强大，集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，是目前最先进、最完善的可视化设计仿真平台[4]。Proteus拥有强大的元件库和丰富的仿真实验工具，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成系统的仿真等功能，支持的单片机类型有MCS-51、AVR、DSP、ARM等[5]。Keil C51是一种专门为单片机开发设计的高效C语言编译器，同时还支持PLM、汇编等语言的程序设计[6]。

在进行单片机理论教学时，如果教师上课过程中仅仅介绍理论知识，没有结合生动形象的应用案例来辅助教学，学生将很难完全理解授课内容，容易产生厌学情绪，也不能很好地调动学生学习的积极性，激发他们学习的兴趣。Proteus提供了丰富的元器件及芯片库，具有强大的系统原理图设计功能，通过软件就可以完成系统原理图的设计、电路分析及系统功能测试等任务。教师在讲解硬件电路设计的内容时可结合Proteus进行讲解，一方面可以向学生展示系统硬件电路的具体设计过程，另一方面也使教学过程变得生动形象，提高学生学习的积极性和主动性。在介绍软件指令系统和C语言程序设计时，可将Keil C51融入程序设计内容部分的教学，通过Keil C51的调试过程，学生可以直观地了解到某一行或几行语句执行后单片机相关寄存器所发生的改变，让他们切实感受到程序设计的魅力。相比于教师对照PPT逐行介绍指令功能，照本宣科的教学方式，这样的教学方式会更加容易将学生带入课程教学的情景中，增强师生间的互动，提高教学效果。

对于自动化专业的同学来说实践课程至关重要，尤其像单片机这种理论和实践联系紧密的课程。但由于受实践时间及实践场地的限制，在单片机课程的学习过程中，学生的实践训练机会非常有限，导致理论教学和实践教学的严重脱节。通过软件Proteus和Keil C51学生完全可以在自己的电脑上构建功能强大的单片机仿真平台，完成单片机软硬件系统的设计及调试过程。这样不仅可以打破单片机实践教学受时间和场地的限制，学生自己设计的系统也可以在仿真平台上得到及时的验证。解决了单片机课程理论教学和实践教学脱节的问题，同时还可以为学生创新能力、系统设计水平的提升提供巨大的空间。

将仿真平台融入课程教学后，学生可以充分利用课余时间发挥各自的潜能，结合所学理论知识设计出体现各自水平的单片机应用系统，这就为改变传统单片机课程考核方式创造了条件，解决目前课程考核重理论轻应用的问题，彻底从考核方式上引导学生注重理论知识的创新应用，注重实践动手能力的培养。

3 仿真平台在单片机原理及应用课程教学中的应用

本文以开关控制LED项目为例，介绍仿真平台在单片机课程教学中的应用。在介绍完单片机最小系统后，为使学生对单片机系统的应用有个直观的认识，教师可以在课程教学中结合仿真平台向同学展示该项目的设计过程。项目要求：用3个按键控制8个LED按不同的方式点亮，当按下K1时，8个LED全部点亮；当按下K2时，8个LED逐个依次点亮并循环下去；当按下K3时，8个LED全部熄灭。

3.1 项目总体设计框图

依据项目要求，给学生分析清楚项目设计中需要考虑的问题，如LED的驱动问题，按键及LED与单片机接口的问题等，待相关问题都明确后，确定项目的设计方案，画出项目的总体设计框图，如图1所示。

图1 开关控制LED项目总体设计框图

3.2 项目硬件电路设计

由项目的总体设计框图可知，硬件电路设计包括：按键电路设计、驱动电路设计、复位电路设计以及时钟电路设计。时钟电路为单片机工作提供时钟信号，由2个电容和1个12MHz的晶振构成；复位电路采用上电复位电路；显示电路由74LS245芯片、排阻以及发光二极管构成。通过Proteus设计的仿真原理图如图2所示。

图2 开关控制LED项目仿真原理图

3.3 项目软件设计

软件设计的目的是实现按键对LED的控制，主要包括按键信息读取子程序设计和LED显示子程序设计。这个环节教师可以提出该项目软件设计时需考虑的一些问题，如为什么要考虑按键的消抖问题，为了达到逐个依次显示的效果，相邻两个LED之间的时间间隔应该如何考虑。教师通过这样一些具体问题的引导，可以调动学生课程学习的积极性，激发他们的学习兴趣。

3.4 仿真调试

在利用Proteus设计好仿真原理图以及Keil C51编好程序后，就可进入项目的仿真调试阶段。通过仿真调试学生可以直观地了解到硬件电路和软件程序的运行情况，可以验证项目硬件设计及软件设计中存在的问题，积累项目设计的经验。

4 结束语

本文针对单片机课程教学过程中存在的一些问题，通过将以Proteus、Keil C51软件构建的仿真平台引入课程教学，以改变单片机教学过程中教师满堂灌，学生被动学的不利局面，降低课程理论知识的学习难度，激发学生的学习兴趣和学习热情，使他们主动融入课程教学，提高学习效率，真正实现课程理论教学和实践教学的有机融合，锻炼学生的实践动手能力。