Proteus 仿真技術在單片機教學中的應用

曾 燕，賈振國

(長春工程學院能源動力學院，長春130012)

Proteus 仿真技術在單片機教學中的應用

曾 燕，賈振國

(長春工程學院能源動力學院，長春130012)

針對傳統(tǒng)單片機課程教學中存在的問題，提出了應用Proteus軟件進行單片機教學的解決方案。詳細分析了Proteus在單片機課程的課堂教學、實驗和課程設計中的應用特點，并通過實例說明了應用的教學效果。

單片機;教學;仿真;Proteus

單片機及其相關課程是工科院校電子信息、自動化和機電等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，這就構成了單片機教學成為相關院校相關專業(yè)的教學重點。單片機又是一門實踐性很強的課程，其自身特性決定了其教學中的難點較多。而加強實踐教學環(huán)節(jié)，引入Proteus仿真軟件，構建虛擬實驗室輔助單片機教學，可以彌補傳統(tǒng)教學方法的不足，為理論和實踐教學提供很好的平臺。

一、單片機傳統(tǒng)教學中存在的問題

(一)理論教學中存在的問題

單片機課程涉及的知識面廣、內容難度較大，對抽象思維和邏輯思維要求很高，學生感到難學、老師感到難教，所以在教學當中必須把教學內容更為直觀地展示給學生。以往，教師一般會把實驗板或者仿真器引入到課堂上，通過現場做演示實驗給學生看。但效果往往不理想，小小的實驗板和仿真器演示起來很難看清楚，不能讓所有學生都觀察到效果，而且費時費力，教學效果不佳。所以傳統(tǒng)教學缺乏有效的演示方法，基本是純理論的語言描述，缺乏直觀對象的載體，讓聆聽者不好理解。

(二)實驗教學中存在的問題

大多數學校的單片機實驗室通常采用實驗箱或者試驗板，采取這種方法進行實驗雖然方便，但是也存在不足。首先，高校使用的單片機實驗箱屬于成品，其電路連接都是已經固定連接好的，內容只能停留在演示性及驗證性實驗的層次。學生很難參與到其中的設計，也不能充分了解硬件電路的實際連接情況，動手能力得不到訓練與提高。其次，單片機的種類繁多，而實驗箱、實驗板上的資源有限，在一個實驗室里不可能包括所有種類的單片機設備以及各種外圍電路，因此對實驗內容造成了很大的制約。單片機技術的迅速更新和發(fā)展，使許多高校設備落后老化，不斷地購買儀器設備又會帶來資金耗費嚴重等問題。第三，實驗箱只有實驗室才有，課內實驗學時有限，而單片機課程需要大量的實驗來鞏固課堂知識，應該給學生創(chuàng)造條件在課后動手做實驗，傳統(tǒng)的實驗教學顯然無法滿足學生的學習要求。第四，實驗儀器的損耗與維護，實驗過程中需要用到的儀器較多，易造成設備的損壞，維護工作量也很大。因此傳統(tǒng)的單片機實驗教學存在著很大的不足。

二、Proteus在單片機教學中的應用

(一)在教學中引入“以培養(yǎng)關鍵能力為核心”的項目教學法

項目教學法是師生通過共同實施一個完整的項目而進行的教學活動，每節(jié)課都圍繞著一個特定項目展開，用項目構建本節(jié)課的知識體系。在項目教學中，教師圍繞具體項目以模塊方式組織教學內容，引導學生邊學邊做、邊做邊學，在實踐中學習這門課。教師不再把現成知識技能傳遞給學生作為教育的唯一目標，或者說不是簡單地讓學生按照教師的安排和講授去得到一個結果，而是在教師的指導下，讓學生把看到的、聽到的與手上做的結合起來。學生在尋找這個結果的過程中，學會思考、發(fā)現問題和解決問題，進而增強信心、提高學習積極性，最后進行展示和自我評價。與傳統(tǒng)的教學方法相比，項目教學法有效地建立了課堂與實踐之間的聯系，能將教學課題的理論知識和實際技能結合起來;學生有獨立制定計劃并實施的機會，在一定時間范圍內可以自行組織、安排自己的學習行為，使學生的學習更有針對性和實用性。

在應用項目式教學的過程中必須軟件硬件結合，也就是將程序和外圍電路相結合。采用虛擬仿真技術Proteus軟件，則不用制作具體的電路板就能夠完成以上工作，使項目實現更加方便經濟。

(二)將Proteus引入單片機課堂教學

首先，在單片機課堂教學中采用Proteus，可以進行大量實例演示，將原本用語言不便描述的內容直觀地展現出來，一目了然，增強了教學的生動性和直觀性。教師可以開發(fā)教學演示項目，制作一些典型的應用系統(tǒng)，比如流水燈、交通燈、數字鐘及LED顯示等，讓學生對單片機應用系統(tǒng)有一個感性認識。而且Proteus具有用色點顯示芯片管腳狀態(tài)的功能，在仿真過程中，引腳上的有色小方塊顯示其狀態(tài)，紅色表示低電平，藍色表示高電平，灰色表示浮空，黃色表示沖突(如兩個器件同時向總線上傳送數據)。這給用戶調試、演示帶來方便，教師可通過單步調試的方法讓學生觀察引腳的高低電平變化。

其次，采用Proteus有助于明確概念，解決難點。在單片機教學中，P口作為準雙向口的這個概念以及如何應用、中斷如何產生、LED燈的位選和線選如何區(qū)別等都是教學中的重點和難點，可以通過Proteus的演示讓學生掌握清楚。例如:中斷優(yōu)先級是教學中難以掌握的問題，以往學生在課堂聽不懂，課后也搞不清。現在用Proteus在多媒體教室進行仿真，學生也參與操作，顯示直觀清晰。圖1為中斷優(yōu)先級Proteus仿真演示界面，演示的是“高優(yōu)先級中斷能中斷低優(yōu)先級中斷”的仿真片段。應用兩個由按鍵控制的外中斷InT0和InT1，程序設置InT1為高優(yōu)先級。啟動仿真后，主程序數碼管從0到9依次顯示反復循環(huán)。若在顯示3時按下低優(yōu)先級按鍵，產生InTO外中斷，則主程序中斷數碼管顯示停留在3，啟動低優(yōu)先級中斷服務程序，相應數碼管從0開始運行。若運行到顯示7時按下高優(yōu)先級按鍵，產生高優(yōu)先級InT1外中斷，這時高優(yōu)先級中斷打斷低優(yōu)先級中斷，低優(yōu)先級數碼管顯示停留在7，啟動高優(yōu)先級中斷服務程序。高優(yōu)先級數碼管從0開始運行，直到顯示9后結束高優(yōu)先級中斷服務程序，返回執(zhí)行低優(yōu)先級尚未完成的中斷服務程序，結束后再返回執(zhí)行主程序。學生通過觀察和操作，不僅學懂了，主動性也明顯提高，效果很好。

圖1 中斷優(yōu)先級Proteus的仿真演示

(三)用Proteus改進單片機實驗教學

利用仿真軟件Proteus構建虛擬實驗室，由于軟件的靈活性和較寬的適應性，使得可以仿真的內容幾乎囊括了單片機課程的所有知識點，為實踐性教學內容的設計帶來很大靈活性。在實驗過程中，學生利用Proteus所提供的元器件模型和外設模型親自設計硬件電路圖，獨立進行軟件編程，最后聯合調試，并能及時看到實驗結果。這樣的教學方法一方面讓學生了解應用系統(tǒng)硬件電路的結構，鍛煉編程技術，同時給學生提供了較大的創(chuàng)新空間。例如“999秒倒計時系統(tǒng)”實驗，該設計用到了單片機端口的定時器中斷、LED、I/O口擴展等硬件功能，同時涉及到定時器中斷程序、LED顯示程序、主程序和子程序等主要程序設計方法，這些都是單片機教學的重點難點。而Proteus仿真動態(tài)直觀，過程與結果統(tǒng)一，測量與調試統(tǒng)一，有助于學生感性理解和接收，使學生增強了學習的信心，多個難點逐步在實踐中得到解決。圖2為該實驗的設計與仿真圖，這些都是學生親自設計操作下得出的結果。

圖2 999秒倒計時系統(tǒng)的仿真演示

Proteus仿真軟件打破了學習的時間限制，開拓了學習的空間，只要有一臺電腦，學生就可以利用課余時間，在自己的PC上隨時進行仿真實驗。采用Proteus仿真軟件，既節(jié)約大量昂貴的實驗儀器費用，還能避免真實實驗或操作所帶來的各種危險，和因操作不當而造成的儀器儀表的損毀。

在單片機課程要求的實驗基礎上，可以進一步開展實驗室開放性教學，主要包括兩種開放形式:一是學生在實驗課上沒有完成的實驗內容，或對做過的實驗存在疑問;二是處于對單片機的興趣，或在原有單片機學習的基礎上，在老師的指導下，自己動手，完成單片機系統(tǒng)的設計、焊接、編程、調試及分析等工作。允許學生在業(yè)余時間進行預約實驗，同時向自己有微機的學生提供仿真所需軟件資源，開闊學生的課外學習活動空間，鼓勵學生參加科技小組活動。

(四)用Proteus改革單片機課程設計

單片機課程設計是以學生為主的實踐教學活動，需要設計一些基于單片機的系統(tǒng)，以提高學生的綜合能力。傳統(tǒng)方法中應用程序需要在硬件完成的情況下才能進行調試，這就必須進行制版、元器件焊接。另外，如需修改硬件，還要重新制版，在時間和經濟投入上帶來很大麻煩。利用Proteus的仿真功能，可以使學生嘗試脫離實物電路進行軟硬件調試，減少系統(tǒng)設計與開發(fā)的難度。

在Proteus仿真軟件構建的虛擬實驗室里，學生可以根據教師布置的設計項目的任務和要求自主設計，也可以讓學生根據自身喜好和掌握知識的程度自選設計題目，培養(yǎng)學生的獨立創(chuàng)新意識。等仿真成功之后，再購買元器件進行電路焊接、系統(tǒng)調試和程序固化，最終每組獨立完成一件作品。

三、Proteus的教學應用效果

以往學生反映單片機課程難懂、難學，自從將Proteus仿真演示教學引入課堂后，學生普遍反映比以往單純學習書本知識更易于接受。Proteus使抽象變形象，使重點易懂、難點化解，其極為接近實際的動態(tài)演示激發(fā)了學生學習的興趣和積極性，教學質量明顯提高。在教學效果調查表中學生李××寫到:“Proteus促使我對知識產生興趣，想親手去做去探索，真的很有趣!”引入Proteus使每個學生都擁有一個完整的虛擬實驗室，學生可在Proteus ISIS窗口中大膽進行設計、調試和修改，不用擔心會損壞元器件和儀器。由于在安裝實物作品前就可以看到結果，所以學生的膽子大了，獨立操作能力、主動性和創(chuàng)造力都得到發(fā)揮。參加課外科技小組活動的學生在仿真基礎上安裝了實際電路，實際結果與仿真結果一致，成功率很高，而以往不經過仿真，學生實際作品的成功率比較低、器件損壞也多。在教學效果調查表中學生秦××寫到:“Proteus能及時顯示電路設計的正確性，點擊仿真按鈕，結果就出來了。運行失敗時我覺得沮喪，可在終于成功的時刻，我欣喜若狂!它讓我充滿自信在面包板上安裝我的作品。”圖3就是學生制作的電子秒表的仿真演示圖，其中其數碼管LED由左向右分別顯示的是分、秒、百分之一秒，有3個功能操作鍵，實現啟動計時、停止計時和數碼管顯示清零功能。

圖3 電子秒表的仿真演示

因此，Proteus仿真促使了單片機實踐活動的成功，提高了學生對實際單片機系統(tǒng)的設計能力和制作能力。實踐證明:Proteus是學生學與用、理論與實踐相結合的優(yōu)秀平臺。

四、結束語

Proteus仿真軟件不僅能仿真單片機CPU的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。在程序調試、系統(tǒng)仿真時，不僅能觀察到程序執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器等內容變化，而且從工程的角度直觀地看到了外圍電路工作情況，非常接近實際工程應用。

實踐證明，Proteus軟件在單片機及相關實踐教學環(huán)節(jié)的有效開展，有助于學生有效地掌握所學知識，縮短從理論知識到實際應用的過程;有利于促進課程和教學改革，提高了學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，對單片機教學具有指導意義。但必須指出，仿真不能完全代替實物，在實際應用中會遇到很多新的問題，我們不可能拋棄已有的教學模式和實驗手段而僅僅依靠虛擬的實驗環(huán)境。只有將Proteus的仿真結果應用于具體電路系統(tǒng)，才能真正鍛煉學生的軟硬件綜合開發(fā)能力。

［1］候玉寶，等.基于Proteus的51系列單片機設計與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008，52 －57.

［2］喬建華，等.Proteus在單片機教學中的應用分析［J］.電氣電子教學學報，2008，30(3):70 －73.

［3］伍馮潔，等.Proteus與Keil在單片機開放性實驗中的應用［J］.電子測量技術，2008，31(6):100 －103.

The applicationof Protues simulation technology in single-chip microcomputer teaching

ZEnG Yan，et al.

(School of Energy and Power，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China)

In view of the problems in traditional singlechip microcomputer teaching，this paper proposes a solution used by Protues'simulation software.This paper analyzes Protues application characteristic in the singlechip microcomputer classroominstruction，experiment and the curriculum project in detail，and explains the teaching result by examples.It holds that the use of Protues simulation software can fully enhance the efficiency of MCU teaching and is worthy of recommendation.

Single-chip microcomputer;teaching;simulation;Protues

G64

A

1009-8976(2011)01-0132-03

2010－11－30

吉林省高等教育教學研究課題(項目編號:2005－5)作者簡介:曾燕(1970—)，女(漢)，湖南醴陵，副教授主要研究自動控制、仿真技術。