单片机虚拟仿真实验室建设的必要性探究

单片机虚拟仿真实验室建设的必要性探究

【摘要】结合单片机课程教学现状，从单片机课程教学、实践、科技制作各个方面中的应用，说明单片机虚拟实验室的建设是学校实验需求的重要补充和学生学习的重要手段。

【关键词】虚拟实验；单片机；proteus

The Construction of the Single Chip Microcomputer Virtual Simulation Laboratory

PENG Liang

（School of Engineering,Tianshui Normal University Tianshui Gansu 741000）

【Abstract】Combined the Single Chip Microcomputer teaching situation, the applications of the Single Chip Microcomputer teaching, practice, graduation design and the production of science and technology show that the construction of the virtual simulation laboratory is either the important supplement of the demand from students and the school experiments or the important means of students’study and development.

【Key words】Virtual simulation laboratory；Single Chip Microcomputer；Proteus

虚拟实验室是利用计算机仿真技术，在计算机上模拟实物进行设计、连线，利用计算机相关软件进行分析、调试等需要在实验室完成的实验。

1.单片机Proteus虚拟实验室建立的必要性：

单片机是职业技术学校机械、控制等专业的一门重要的专业课程，教学以理论为主，内容抽象。目前大部分学校实验与教学剥离，采用固定的试验箱，按照实验指导书连接简单电路，程序抄到电脑上，下载到单片机上验证实验结果,学生很难参与到具体项目，具体细节设计中去，学生动手能力很难得到训练与提高。另外由于单片机芯片更新日新月异，建立单片机实验室成本高，实训更需要大量的实验仪器和设备，而一般的学校没有较多的经费投入[1]。另外，由于学生属于初学阶段，一开始就使用具体芯片连线、调试经常会烧掉芯片，造成大量的浪费。而利用仿真软件，恰好能弥补这个缺点。

Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，它可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模、数电路仿真，单片机以及外围电路组成的系统的仿真功能；而且还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。配合它提供了多种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，可以实现对整个电路的仿真调试。同时，当硬件调试成功后，利用Proteus ARES 软件，很轻松就可以获得其PCB图，为直接生产提供了方便。

采用PROTEUS仿真软件建立单片机虚拟实验室可以实现从虚拟到实际，从软件到硬件，从概念到产品用于单片机或嵌入式系统课程的实验实训练习。

2.微机原理实验室建立的作用

2.1对课堂教学的作用

微机原理课程内容抽象，在课堂教学中学生较难理解，将Proteus仿真软件应用到课堂教学中,利用仿真的形象、生动、实在等特性，对理论教学产生积极

的影响，是其他教学手段难以替代的。利用Proteus仿真软件预先设计大量的单片机应用实例，课堂上，用Proteus软件向学生演示单片机软硬件设计开发、调试的全过程，并观察硬件的工作和程序执行效果，使学生通过实例对单片机的工作原理、工作过程、工作效果有更多的了解，对提高学生的学习兴趣和学习积极性有非常大的帮助。

2.2对实验的影响

实验课是单片机课程的一个重要环节，对于学生理论课知识的进一步理解，提高动手能力和分析解决问题的能力，是学生熟练地应用单片机的集成环境和开发系统，为今后进一步设计和应用单片机打下扎实的基础。

在实验教学环节引入proteus仿真，由于proteus提供了大量的元件库，学生不仅可以做一些常规实验，而且采用虚拟实验与实物实验相结合的实验室模式，可根据不同学校的不同培养目标，合理设置实验内容。对于类似我校这类要求学生具有一定的动手能力与综合设计能力的学校，可以设置类似于基于单片机的交通灯设计实验，即可锻炼学生综合实际能力，又可以再此设计基础上做出交通灯实物，提高学生动手能力的培养。

2.3对学生毕业设计及各种技能大赛的作用

课程设计和各种技能大赛是工科教学中最关键的一部分，是学生走向就业的重要实践环节。他们需要学生对所学过知识的一种综合应用，尤其相关单片机的毕业设计既需要学生对相关芯片硬件知识的连接调试，还要有一定的软件编程能力，如果在毕业设计时利用相关仿真实验，既可以对于硬件软件验证其设计的正确性，还可以进行后期的PCB封装，最后制作相关电子设计，再动手去做，对于学生的综合应用及动手能力是一个显著的提高。

例如在学生题目为基于proteus软件进行脉宽调制（PWM）输出控制电路，利用proteus可以完成包括硬件仿真到软件编程所有的内容。PWM是单片机常用的模拟量输出方法，通过外接的转换电路，可以将脉冲的占空比变成电压[2]。程序中通过占空比开调节输出模拟电压。首先学生必须完全掌握PWM模拟输出的原理，提出设计方案，了解并选用电子元器件在计算机上进行仿真设计，如图1。

图1 pwm进行脉宽调宽调制输出电路图

在硬件图完成后，在proteus中进行软件编程，如图2。

图2 pwm脉宽调制程序程序运行后即可得出结果如图3。

图3 pwm脉宽调制输出结果

然后到电子市场购买元器件，最后进行硬件设计与调试，使学生了解从选题调研制定设计方案、采购元器件、软硬件设计、线路焊接、调试检测等整个设计调试过程，从而进一步提高了学生自主开发和实际动手能力及兴趣。这样不仅可以避免由于设计上的错误所造成的硬件投入上的浪费,而且可以缩短学生完成大型设计的时间。

3.结束语

对于单片机课程而言，课堂上要想利用案例生动的讲好每一节课，实验课、设计中尽量提高学生独立分析和解决工程实际问题的能力，让学生具备独立开发单片机应用系统的技能，平时有机会多实践，在购买硬件设备资金不足的前提下，利用仿真软件建立相关的仿真实验室，硬件投入少，经济优势明显[3]；学生可自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力；实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题；与工程实践最为接近，可以了解实际问题的解决过程；协作能力的