软件仿真技术在单片机实验课程教学中的应用研究

赵群礼

关键词：Proteus；Keil；单片机；仿真技术；实验课程

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）12-0057-03

0 引言

在计算机和电子信息类专业中，单片机原理及应用课程是一门实践性很强的专业课程。学生要想学好这门课程，必须自己动手去完成一定数量的实验，通过在实验过程中对所学单片机理论知识的验证、比较、探索和总结，使自己能够对所学知识有更深刻的理解和掌握，因此，单片机实验教学环节在整个课程的教学中占有很重要的位置[1，2]。在传统的单片机实验教学方式中，多数高校都采用单片机实验箱来开展实验教学，这种方式的优点是学生可以通过动手操作实际硬件，增加对单片机等电子元器件的直观认识，但这种方式也有很明显的不足之处。对于厂家生产的某种型号的单片机实验箱来说，它所具有的硬件配置一般是固定不变的，能够完成的实验项目数量也是很有限的，而且很难自主开发新的实验项目。但是科学技术的发展日新月异，为了与单片机技术的应用和发展保持基本同步，在单片机实验教学中，实验项目常常需要更新和修改，有时也需要设计开发新的实验项目，然而单片机实验箱中固定有限的实验项目难以满足教学革新的需要，已不能与实际教学发展相适应[3]。解决这个问题的一种方案是高校继续增加实验设备投入，购买新的配置更高的单片机实验箱和配件，但需要大量的资金，这对很多高校来说都是一项沉重的负担。另一种解决方案是采用软件仿真技术，利用成熟稳定、功能强大的仿真软件，模拟单片机及各种电子元器件的功能，完成实验教学中的各种实验项目。该方案不仅能大量减少实验室建设的投入，而且也能使单片机的实验教学更加灵活，在让学生自己动手绘制实验电路图的同时，更能加深学生对所做实验项目的理解，从而提高学生的学习兴趣和实际动手能力。本文在介绍软件仿真技术的基础上，着重阐述软件仿真技术在单片机实验课程中的应用方式。

1 软件仿真技术

软件仿真技术就是采用相关专业软件来仿真硬件的相应功能，以实现对目标硬件的相关电路、指令和性能指标进行验证和测试[3-6]。相对于采用硬件实验箱的方式，采用软件仿真技术有多项优点：

1） 电路设计和修改方便

在仿真软件里面，随时可以根据实验项目的需要修改电路设计，删除、增加连线很方便，没有硬件实验箱中因没有连接端子而无法接线的限制。

2） 易于代码编写和调试

在仿真软件里面，通过简单的选择文件操作，就可以将运行代码装载到单片机仿真芯片里，然后即可运行和调试，整个过程既简单又快捷。而在硬件实验箱中需要先进行交叉编译，再通过专用的下载接口将代码写入到单片机的程序ROM中，最后再运行和调试，整个过程相对较慢，而且需要连接相应线路进行数据传输，可能会存在因接口和线路问题引起的故障。

3） 节约实验测试成本

在软件仿真技术中，所有的电路、电子元件和芯片都是用相应软件模块模拟的，学生在实验过程不会造成电子元器件的损耗，因此节约了实验成本。若采用硬件实验箱进行实验，学生在实验过程中由于要进行接线和更换相应实验模块，有可能会造成电子元器件的损坏，从而导致实验箱的部分模块不能使用，甚至整个实验箱报废。

4） 便于实验项目的更新和开发

在软件仿真技术中，可以根据实际需要随时修改和更新实验项目，也可以随时开发新的实验项目。而在硬件实验箱中，其所能完成的实验项目在出厂前就已设计好，后期要更新和开发新的实验项目会受到硬件上的限制，有的实验箱甚至无法开发新的实验项目，这使得实验项目的更新和开发很难实施。

基于软件仿真技术的上述优点，在单片机实验课程教学中，我们提倡多使用仿真软件，以提高开展实验的效率，减少单片机相关实验室的建设和运行维护支出。

目前可用于电路仿真的软件有多款，其中较为常用的有Proteus、Virtual BreadBoard、Multisim、AltiumDesigner等，而在单片机仿真方面，Proteus是功能最全、最好用的一款软件。该软件是由Labcenter Elec?tronic公司设计开发的，目前已经更新到8.15版。它不仅可以用来仿真多种型号的单片机，也可以仿真多种型号的ARM，其自身包含的元器件库十分丰富，即使所需的元件没有包含在库中，也可以从第三方下载元件库导入，使得该仿真软件具有较好的可扩展性，基本能够满足大多数应用的仿真需要。本文主要以Proteus 8为例，阐述软件仿真技术在单片机实验教学中如何运用，Proteus 8的运行界面如图1所示。

2 软件仿真技术在单片机实验教学中的应用方式

实验教学环节是单片机原理及应用课程教学的重要组成部分，将软件仿真技术融合到实验教学环节的方式有两种：1） 采用纯软件仿真的方式；2） 采用软件仿真和硬件实验箱相结合的方式。在第一种方式中仅需购买电脑设备，不需要购买硬件实验箱和配套设备，也不需要建设专门的单片机实验室，可以和软件类的实验室合并到一起，节约了实验室建设的投入。在第二种方式中需要购买电脑设备、硬件实验箱、示波器、耗材等，而且需要建设专门的实验室，投入相对较大。这两种方式都可以开展单片机实验课程的教学，但从全面培养学生的实际动手能力的角度看，第二种方式更有利于提高学生的实际动手能力。在实际的实验过程中，先让学生在仿真软件中完成电路的绘制、代码的编写和测试，在测试通过以后，再将代码写入实验箱的单片机中进行测试运行，减少了实验过程中对耗材和实验箱的损耗。这种方式不仅能锻炼学生的动手能力，也能增加学生对各种元器件的认识和使用体会，因此，本文建议在经费充足的高校应采用这种方式开展单片机實验，该方式下实验的过程如图2所示。

1） 在做实验前首先要选择好实验项目，确定用到的知识点和相关的电子元器件参数，以及它们之间的连接方式。

2） 根据实验项目要完成的内容，在仿真软件中绘制电路图，将各个元器件合理地进行排布，并组合到一起，形成一个完整的电路。

3） 电路设计好以后，可以用C51语言编写代码，完成实验要求的功能。为了提高编码效率，通常是在专用的集成开发环境中进行程序设计，并编译生成可以在单片机中运行的可执行代码。

4） 将编译后生成的可执行代码文件和仿真软件中的单片机芯片进行关联，并设置好相关参数，然后调试运行，如果在这个过程中发现问题可以返回修改电路和代码。

5） 在仿真软件中调试通过以后，再通过实验箱的硬件接口将代码写入单片机的ROM中，然后在实验箱中运行测试。

在以上实验过程中，先应用仿真软件设计电路，然后再用仿真软件对代码进行调试，这样可以快速找出电路和代码中可能存在的问题，节约了调试时间，提高了做实验的效率。

3 应用案例

为了进一步说明仿真软件在单片机实验课程中的应用过程，本文在这部分结合一个简单的实验案例进行阐述。

1） 流水灯显示实验：用AT89C51的P3口控制8个LED流水点亮。

实验分析：在该示例中使用AT89C51 单片机的P3接口连接8个LED，通过改变P3接口各引脚的电平信号，使相连接的LED导通或截止，即使得LED点亮或熄灭。要实现流水点亮效果，可以通过控制P3口各引脚的电平使各LED按次序轮流点亮，即在某个时刻只有一个LED点亮，其他LED熄灭，然后依次点亮下一个LED，并在两个LED点亮的间隙加上延时，从而实现流水点亮效果。

2） 设计电路

根据实验的要求，在Proteus8仿真软件中选择相应的电子元器件，并按照实验的要求进行连线。由于P3口的驱动能力有限，这里将LED采用共阳极的接法，将8个LED的正极通过限流电阻接到+5V电源上。限流电阻值的大小会影响LED的明暗程度，为了看到较明显的实验效果，在此实验中选择了较小的电阻值，电路连接如图3所示。

3） 编写代码

在电路设计好以后，用C51语言在Keil uVision集成开发环境中编写流水灯显示实验代码，如图4所示。代码编写好以后，再进行编译，最终需要生成可以写入单片机的Hex文件。

4） 仿真调试

将编译生成的Hex文件关联到AT89C51仿真模块中，这相当于将代码写入单片机硬件中，然后运行仿真电路，测试代码的运行结果是否正确，如图5 所示。

5） 硬件调试

在软件仿真调试通过以后，可以连接单片机硬件实验箱，将代码写入实验箱的51单片机中，其在实验箱中的调试运行结果如图6所示。实验箱中的8个LED 分别为D11、D12、D13、D14、D15、D16、D17 和D18，对应软件仿真电路中的D1～D8。在用硬件实验箱进行调试时要注意各部件的实际接线，如果实际接线和仿真电路不一致，需要对代码进行调整，使其与实际电路保持一致。

通过以上的案例可以看出，将软件仿真技术应用到实验过程中，学生在实验前必须熟悉实验内容，并掌握一定的电路和电子元器件知识。在自己动手设计实验电路、编写和调试实验代码的同时，也加深了学生对所学单片机理论知识的理解，进一步提高了学生将单片机知识应用到实践中的能力。

4 总结

软件仿真技术在单片机实验课程教学中的应用，节约了实验教学的成本，增加了实验教学的灵活性，使实验教学的效果得到改善和提高。学生在仿真软件中设计电路和编写代码的过程中培养了实验技能，提高了解决实际问题的能力。然而，随着实验教学的改革和发展，在单片机实验教学中应用软件仿真技术的方式还需要继续深入研究和实践，力争将软件仿真技术融入实践教学的各个环节中，使学生的应用能力和社會适应能力得到锻炼和培养，并真正成长为对社会有用的人才，这样也就达到了课程教学的最终目标。