基于Proteus仿真的單片機(jī)教學(xué)的研究與實(shí)踐

摘要：為了克服傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)、學(xué)生學(xué)習(xí)效果差的缺陷，將Proteus仿真技術(shù)引入單片機(jī)教學(xué)全過(guò)程。在理論教學(xué)中建設(shè)了基于Proteus仿真實(shí)例的教材，設(shè)計(jì)了針對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的仿真模型，組織了基于仿真的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)，開(kāi)發(fā)了小實(shí)驗(yàn)型作業(yè)；在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了全設(shè)計(jì)型虛擬實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)指導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)；課程設(shè)計(jì)則從選題、組織實(shí)施到總結(jié)均充分發(fā)揮Proteus仿真的輔助作用，使學(xué)生成功做出實(shí)物作品。實(shí)踐表明這些方法有效提高了單片機(jī)課程的教學(xué)效果和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；教學(xué)；Proteus；仿真

作者簡(jiǎn)介：張?zhí)m紅（1968-），女，江蘇鹽城人，鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，教授；陸廣平（1974-），女，江蘇鹽城人，鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，副教授。（江蘇 鹽城 224051）

基金項(xiàng)目：本文系鹽城工學(xué)院2013年度教改研究項(xiàng)目“基于實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》課程改革”的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）05-0076-02

單片機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車(chē)電子、機(jī)器人、通信、能源與軍事等眾多領(lǐng)域，成為電子技術(shù)智能化最普遍的手段，因而單片機(jī)課程已成為高校電氣信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。[1，2]但在多年的教學(xué)實(shí)踐中筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果并不理想，有些同學(xué)在經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)后甚至連基本概念都建立不起來(lái)，根本談不上進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)了。究其原因，最重要的一點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C(jī)是一門(mén)涉及計(jì)算機(jī)硬件與軟件的多學(xué)科綜合性課程，實(shí)踐性極強(qiáng)，[3]但在教學(xué)過(guò)程中枯燥繁雜的理論知識(shí)缺乏一種有效的方式進(jìn)行及時(shí)演示與驗(yàn)證，使得學(xué)生理解與記憶困難。盡管該課程都有實(shí)驗(yàn)，但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只有十幾學(xué)時(shí)，而且受實(shí)驗(yàn)時(shí)間與場(chǎng)地等條件限制，一般不能及時(shí)進(jìn)行，因此該課程教學(xué)的理論和實(shí)踐常常是脫節(jié)的，這導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)困難、興趣低、效率低。如何讓學(xué)生通過(guò)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)盡快熟練掌握單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)的用于電子電路和單片機(jī)系統(tǒng)仿真的軟件Proteus解決了這一問(wèn)題。為提高本門(mén)課程的教學(xué)效果和質(zhì)量，筆者將Proteus仿真技術(shù)用于單片機(jī)教學(xué)的全過(guò)程，做到理論與實(shí)踐隨時(shí)相結(jié)合。具體做法介紹如下：

一、Proteus仿真在理論教學(xué)中的應(yīng)用

1.建設(shè)基于Proteus仿真實(shí)例的教材

為了有一本起良好引導(dǎo)作用、實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教材，筆者編寫(xiě)了機(jī)械工業(yè)出版社普通高等教育電氣工程與自動(dòng)化（應(yīng)用型）“十二五”規(guī)劃教材《單片機(jī)原理及應(yīng)用》，[4]該教材特點(diǎn)為：以51系列單片機(jī)為主講對(duì)象，加強(qiáng)Proteus仿真實(shí)例教學(xué)，每學(xué)完一個(gè)功能結(jié)構(gòu)單元，均給出便于學(xué)生實(shí)踐的Proteus仿真實(shí)例，大部分實(shí)例都是獨(dú)立完整的單片機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)多個(gè)應(yīng)用實(shí)例的仿真操作，使學(xué)生及時(shí)有效地掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)可模仿性地做出自己的系統(tǒng)，使學(xué)習(xí)過(guò)程是一個(gè)充滿趣味的過(guò)程。當(dāng)知識(shí)點(diǎn)全部學(xué)完，學(xué)生就具備了初步的開(kāi)發(fā)單片機(jī)產(chǎn)品的能力。

2.設(shè)計(jì)基于知識(shí)點(diǎn)的仿真模型

針對(duì)51單片機(jī)的所有知識(shí)點(diǎn)，筆者都精心設(shè)計(jì)了Proteus仿真模型。[4]模型設(shè)計(jì)的原則一是幫助學(xué)生明確概念，解決重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題；二是盡量多與日常生活中的應(yīng)用實(shí)例結(jié)合，加強(qiáng)趣味性與實(shí)用性；三是盡量多使用Proteus的調(diào)試功能，讓學(xué)生明白單片機(jī)工作的詳細(xì)過(guò)程。下面列舉兩個(gè)典型的例子。

（1）中斷及其嵌套一直是較難理解的概念，設(shè)計(jì)了圖1所示的仿真電路。圖中要求單片機(jī)在主程序中控制P1口流水燈循環(huán)點(diǎn)亮，當(dāng)外部中斷INT0引腳出現(xiàn)負(fù)跳變時(shí)，P1口全部發(fā)光二極管亮5秒，當(dāng)外部中斷INT1引腳出現(xiàn)負(fù)跳變時(shí)，P2口所接的共陰極數(shù)碼管顯示數(shù)字“1”，保持時(shí)間為5秒。其中INT1為高優(yōu)先級(jí)，INT0為低優(yōu)先級(jí)。通過(guò)對(duì)中斷寄存器的不同設(shè)置，該模型既可讓學(xué)生觀察在主程序執(zhí)行過(guò)程中INT0與INT1分別出現(xiàn)負(fù)跳變，即發(fā)生單級(jí)中斷時(shí)的效果，也可讓學(xué)生觀察INT0先出現(xiàn)負(fù)跳變、INT1后出現(xiàn)負(fù)跳變時(shí)的中斷嵌套效果。通過(guò)對(duì)此仿真實(shí)例的編程、調(diào)試與運(yùn)行，學(xué)生就很容易掌握中斷與中斷優(yōu)先級(jí)嵌套等抽象概念的含義了。

（2）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1的工作原理較復(fù)雜，其原理涉及工作模式控制（選擇定時(shí)器模式還是計(jì)數(shù)器模式）、運(yùn)行控制（選擇運(yùn)行還是停止）、工作方式選擇（選擇不同計(jì)數(shù)范圍的四種工作方式中的一種）和中斷控制（計(jì)數(shù)溢出后如何處理）四部分。為了講解定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作原理，設(shè)計(jì)了圖2所示的電子秒表仿真電路，使它從0～59s不停地計(jì)數(shù)。

但在晶振為12MHz的情況下，定時(shí)器四種工作方式中定時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的一種也只有65.536ms，達(dá)不到1s，要達(dá)到1s的延時(shí)，只能采用多次中斷的方式。因此實(shí)現(xiàn)秒表功能，筆者選擇了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0，讓它工作在定時(shí)器模式；選擇工作方式1，定時(shí)時(shí)間為50ms；每隔50ms中斷1次，在中斷程序中修改計(jì)數(shù)初值，并使中斷計(jì)數(shù)器加1；中斷20次時(shí)達(dá)到1s，此時(shí)在中斷服務(wù)程序中除修改計(jì)數(shù)初值，使中斷計(jì)數(shù)器清零外，還使輸出到數(shù)碼管的數(shù)值加1。

該仿真實(shí)例編程時(shí)需要對(duì)定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)寄存器TH0與TL0、方式控制寄存器TMOD、控制寄存器TCON以及中斷寄存器IE進(jìn)行設(shè)置，用到了定時(shí)器的所有相關(guān)寄存器及全部控制，可使學(xué)生全面掌握定時(shí)器的原理與使用方法。

圖2中秒表處于仿真運(yùn)行狀態(tài)，管腳上的紅、藍(lán)、灰色色塊分別表示管腳電平為高、低和不定狀態(tài)，色塊可以幫助學(xué)生分析與調(diào)試電路。

3.進(jìn)行基于Proteus仿真的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)

教師事先根據(jù)教學(xué)內(nèi)容準(zhǔn)備好Proteus仿真模型，課堂上講解完相關(guān)知識(shí)點(diǎn)后，就運(yùn)行Proteus仿真模型，使學(xué)生看到實(shí)實(shí)在在的運(yùn)行現(xiàn)象或結(jié)果，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性、生動(dòng)性和趣味性。

因目前絕大部分學(xué)生均有筆記本電腦，所以要求學(xué)生將電腦帶進(jìn)課堂。對(duì)于驗(yàn)證性實(shí)例要求學(xué)生用電腦與教師同步觀察程序運(yùn)行時(shí)寄存器、存儲(chǔ)器和變量?jī)?nèi)容的變化，觀察外圍電路的工作狀況及控制效果。在課堂上教師還現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)例進(jìn)行編程，設(shè)置單片機(jī)的特殊功能寄存器，調(diào)試并下載運(yùn)行程序，觀察運(yùn)行結(jié)果。現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)方式使學(xué)生及時(shí)理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，掌握單片機(jī)內(nèi)部功能部件與外圍器件工作原理，領(lǐng)會(huì)抽象與復(fù)雜概念的含義。

4.開(kāi)發(fā)用Proteus仿真的小實(shí)驗(yàn)型課后作業(yè)

對(duì)C51語(yǔ)言、單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、并口、串口及可編程外設(shè)的課后練習(xí)，筆者都開(kāi)發(fā)了大量的小實(shí)驗(yàn)型作業(yè)，[4]學(xué)生須利用Proteus仿真軟件在自己的電腦上完成硬件電路的連接與軟件程序的調(diào)試。鼓勵(lì)學(xué)生寫(xiě)出不一樣的答案，以調(diào)試結(jié)果通過(guò)為準(zhǔn)。通過(guò)大量的課后練習(xí)，既促使學(xué)生掌握了知識(shí)點(diǎn)，也為真正進(jìn)行設(shè)計(jì)性與綜合性實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

二、Proteus仿真在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

1.進(jìn)行全設(shè)計(jì)型虛擬實(shí)驗(yàn)

目前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大部分實(shí)驗(yàn)器件以及電路都是預(yù)先固定在實(shí)驗(yàn)箱上的，學(xué)生缺乏自主搭建電路的機(jī)會(huì)；同時(shí)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)大，集成度高，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，這些均導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程不清晰。因此筆者要求學(xué)生用Proteus軟件進(jìn)行全設(shè)計(jì)型虛擬實(shí)驗(yàn)。方法為：每一次實(shí)驗(yàn)前將實(shí)驗(yàn)原理、所需元器件及實(shí)驗(yàn)要求提供給學(xué)生，學(xué)生首先要在理解原理的基礎(chǔ)上，用Proteus軟件搭接電路、編寫(xiě)控制程序、編譯并下載到單片機(jī)、仿真運(yùn)行，出現(xiàn)問(wèn)題后再對(duì)電路和程序進(jìn)行反復(fù)修改與調(diào)試，直到出現(xiàn)所需結(jié)果。如此完成一次完整的虛擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程接近于實(shí)際系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，有利于學(xué)生理解和掌握單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理和方法。

2.利用虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)

進(jìn)行完P(guān)roteus全設(shè)計(jì)型虛擬實(shí)驗(yàn)后，大部分學(xué)生已經(jīng)理解了電路的工作原理，并使用了充足的時(shí)間來(lái)進(jìn)行程序的調(diào)試，這樣可以有效地指導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)際實(shí)驗(yàn)的成功。

進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生根據(jù)proteus虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，連接實(shí)際電路，下載程序并調(diào)試運(yùn)行，在此過(guò)程中讓學(xué)生初步體會(huì)仿真電路與實(shí)際電路的區(qū)別，將更多的精力用來(lái)解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種實(shí)際問(wèn)題上。有了Proteus虛擬實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)，實(shí)際實(shí)驗(yàn)一般會(huì)很快完成，剩余時(shí)間讓學(xué)生進(jìn)行各種設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，或?qū)⒄n本中的實(shí)例拿到實(shí)驗(yàn)儀器上進(jìn)行驗(yàn)證等。

三、Proteus仿真在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.選擇Proteus仿真與實(shí)際制作均可的題目

因課程設(shè)計(jì)時(shí)間較短，學(xué)生的獨(dú)立工作能力較弱，為使學(xué)生充分體驗(yàn)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，首先由教師在選題上做精心準(zhǔn)備，選取一些軟件與硬件兼顧結(jié)合，工作量不是太大，用Proteus仿真模擬和實(shí)際制作均可行的題目，如：八路搶答器、滾動(dòng)顯示的點(diǎn)陣顯示屏、電梯數(shù)字顯示器、電子密碼鎖控制系統(tǒng)、電子琴、交通燈控制系統(tǒng)、波形發(fā)生器、數(shù)字電壓表、溫度顯示器、電子鐘等，以達(dá)到先仿真再用仿真指導(dǎo)實(shí)物制作的目的。

2.利用Proteus仿真指導(dǎo)實(shí)物制作

課程設(shè)計(jì)要求所有同學(xué)都完成印刷電路板作品。為了保證成功率，減少反復(fù)修改電路，重新制板等工作量，課程設(shè)計(jì)組織如下：第一步首先完成相關(guān)課題的proteus仿真設(shè)計(jì)，完成電路原理驗(yàn)證與控制程序的調(diào)試；第二步根據(jù)Proteus仿真結(jié)果，準(zhǔn)備元器件，在多孔電路板上焊接電路，下載程序，調(diào)試實(shí)物作品；第三步根據(jù)多孔板實(shí)物調(diào)試結(jié)果完成硬件的PCB設(shè)計(jì)，加工PCB電路板，完成程序的下載與調(diào)試。

3.總結(jié)Proteus仿真與實(shí)際電路的差別

通過(guò)課程設(shè)計(jì)，大部分同學(xué)均深刻體會(huì)到單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中Proteus仿真所起的非常有效的輔助作用，但也認(rèn)識(shí)到仿真與實(shí)際電路之間還存在差別，部分同學(xué)反映課題用Proteus仿真能夠?qū)崿F(xiàn)，在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)不了，還必須解決實(shí)際電路中出現(xiàn)的各種新問(wèn)題。在課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，筆者會(huì)組織學(xué)生討論并總結(jié)Proteus仿真與實(shí)際電路的差別，促使學(xué)生用好Proteus仿真這個(gè)輔助工具。

四、結(jié)束語(yǔ)

筆者將Proteus仿真應(yīng)用于單片機(jī)課程的理論教學(xué)，使學(xué)生及時(shí)有效地掌握了知識(shí)點(diǎn)；將Proteus仿真應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生深刻體會(huì)了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到仿真不能完全代替實(shí)物，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到很多新的問(wèn)題，只有將Proteus仿真和實(shí)際單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效結(jié)合起來(lái)，才能真正鍛煉自己的單片機(jī)軟硬件綜合開(kāi)發(fā)能力。通過(guò)近兩年將Proteus仿真引進(jìn)單片機(jī)教學(xué)全過(guò)程的實(shí)踐，學(xué)生普遍反映，該課程教學(xué)趣味性高，理解容易，有利于自己實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。有許多同學(xué)通過(guò)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)熱情被大大激發(fā)，自行購(gòu)買(mǎi)了元器件或?qū)W習(xí)板，借助于proteus仿真的前期開(kāi)發(fā)，很快做出了新產(chǎn)品，在各種電子大賽、創(chuàng)新課題與畢業(yè)設(shè)計(jì)中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

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（責(zé)任編輯：王意琴）