《4路數字顯示搶答器》的教學設計——關于探討Protues仿真軟件在《單片機原理及應用》中的應用

鄒海珍

（廣州市輕工高級技工學校，廣東 廣州 510000）

近年來，單片機技術飛速發(fā)展，作為微控制系統(tǒng)的核心，在工業(yè)控制、汽車電子、機器人、通信、計算機外圍設備與家用電器等眾多領域得到廣泛的應用。因而，國內很多技工院校都將單片機課程作為電氣自動化、機電一體化、電子信息等專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程。這是一門具有很強的實踐性的課程,而技工學校又以培養(yǎng)技術應用能力為主,這就對技工學校的單片機教學提出了更高的要求。如何提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力是我們在單片機教學過程中重點考慮的問題。

1 傳統(tǒng)教學與基于Protues教學的比較

1.1 單片機傳統(tǒng)教學中存在的問題

在傳統(tǒng)的單片機理論教學中，以老師講、學生聽為主要形式。而在實驗教學中，則主要依據教學對象、課堂教學內容、進度及學時量，利用計算機配合實驗箱完成一定數量的實驗訓練。這種教學方式雖然能循序漸進，學生也易于接受，但存在如下不足：（1）單片機理論內容本就比較抽象難懂，在老師單純的理論講解中，學生容易開小差，久而久之，積累的問題就會越多，學生容易產生厭學情緒。（2）實驗課中，實驗箱里所有的元器件、線路板都是事先準備好的，學生需要做的工作只是連連線，使用測試儀器儀表觀測并記錄一下實驗結果。因此，學生真正動手操作的內容較少，實操能力很難得到有效鍛煉。（3）實驗主要以驗證性實驗為主，學生很難參與到其中的設計,不利于培養(yǎng)和調動學生學習積極性和主動性，更難于挖掘學生潛能和發(fā)揮學生的創(chuàng)造力。（4）實驗過程中需要用到的儀器較多,易造成設備的損壞,留給實訓室工作人員的維護工作量也很大。另外，因為單片機技術的迅速更新和發(fā)展,使許多學校設備落后、老化,不斷地購買儀器設備又會帶來資金耗費嚴重等問題。

1.2 Proteus簡介

Proteus仿真軟件由ISIS和ARES兩個軟件構成,其中ISIS是原理圖編輯和電子系統(tǒng)仿真平臺軟件,ARES是高級的布線編輯軟件,是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)。從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，可一鍵切換到 PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和 MPLAB等多種編譯。

1.3 基于Proteus仿真的教學優(yōu)勢

基于Proteus的單片機教學流程如圖1所示。

圖1 基于Proteus的單片機教學流程圖

與傳統(tǒng)單片機教學相比,用Proteus仿真軟件進行教學時,具有如下比較明顯的優(yōu)勢:

（1）簡單易學，充分激發(fā)學生學習興趣。Proteus仿真軟件簡單易學,從電路圖設計到仿真再到PCB板設計,都可以利用該軟件進行,滿足學生對電路設計及程序設計的學習。在仿真的過程中即使發(fā)現在硬件或是編程方面的不足,也能夠隨時修改。這樣既克服了傳統(tǒng)單片機實驗教學中實驗板上的硬件電路固定、學生不能更改的局限性,又能拓展學生的思路、提高學生的學習興趣,并且提高了學生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。

（2）硬件投入少,減少實驗損耗。 Proteus 支持 8051、8086、AVR、ARM等多種處理器模型,為我們提供了30多個元件庫,超過27000個仿真器件，功能強大，較傳統(tǒng)實驗教學省去了購買各種元器件的費用。在Proteus所提供的元件庫中,大部分元件可以直接用于接口電路的搭建,并且這些標準元件都是可靠和經濟的。使用Proteus軟件進行實驗可減少元器件的損耗問題,在實驗的過程中也是比較安全的。這樣既減少損耗，又可以讓學生大膽地進行創(chuàng)新設計。

（3）理實相結合，提高教學效果。只要一臺裝有Proteus軟件的計算機，教師就既能在理論課上演示實驗效果，又能在實驗室公共機房復習理論內容，使單片機課程的理論教學環(huán)節(jié)和實踐教學環(huán)節(jié)相互滲透，相互交叉，有機地融合為一個整體，避免了在傳統(tǒng)單片機教學模式中存在理論教學環(huán)節(jié)和實踐教學環(huán)節(jié)人為割裂的現象。

綜上所述,基于Proteus的單片機教學比傳統(tǒng)教學在很多方面都有了改善,既節(jié)省硬件方面的開支,又達到了很好的實驗效果,并且簡單易學,對提高學生學習的積極性和培養(yǎng)學生的獨立創(chuàng)新能力有很大幫助。Proteus已經成為單片機教學不可或缺的教學軟件之一。

2 基于Proteus四人搶答器的設計

2.1 四人搶答器設計的總體介紹

搶答器在知識競賽、文體娛樂的搶答活動中能準確、公正的地判斷并顯示出搶答者的號碼，大大地增加了娛樂性的同時，也更加公平、公正。因而在搶答活動中得到廣泛的應用。

四人搶答器的設計過程在硬件與軟件方面是同步進行的。硬件部分主要由AT89C51單片機、數碼管顯示電路以及搶答按鍵電路等組成。軟件是在Keil環(huán)境下編寫,仿真環(huán)節(jié)在Proteus環(huán)境下進行。由于Keil與Proteus有聯(lián)調的功能,所以編寫好的程序可以實時進行調試。最終的設計程序需要生成hex文件,在Proteus軟件中嵌入單片機內進行仿真。

2.2 硬件設計

四人搶答器硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

系統(tǒng)器 件 包 括 AT89C51、CAP、CAP-ELEC、CRYSTAL、RES、74LS14、BUTTON、電源和數碼管。

電路中共有5個按鈕，主持人在讀完題后按下“開始”按鈕后，4位參賽選手開始搶答，使用1位數碼管顯示最先按鍵的選手的號碼并保持到下一次搶答開始。

2.3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括程序初始化、按鍵檢測、顯示數據等部分(如圖3所示)。

圖3 程序流程圖

學生根據設計要求，在軟件上進行程序編寫、編譯。

2.4 仿真調試

在Protues軟件上繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.hex，就可以在原理圖中看到模擬的實物操作狀態(tài)。在系統(tǒng)上電后，數碼管無顯示，當按下“開始”按鈕后，隨機按下1~4號按鈕，數碼管顯示最先按鍵的選手號碼并保持。進行下一輪搶答時，只需再次按下“開始”按鈕即可再次搶答。

3 結束語

在傳統(tǒng)的實驗教學中，任課老師在課前就需要把儀器設備及元器件準備好，學生按照實驗步驟按部就班的進行，這就把學生置于被動地位，很少有機會能按自己的思維開展創(chuàng)新性實驗。而利用Protues軟件和一臺計算機就能進行單片機仿真實驗，打破了時間和空間的限制，學生可以在不同的時間、地點和領域自主進行實驗，增強他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并可以根據自己的想法，進行創(chuàng)新性的設計實驗。同時，利用Protues軟件，對教師的教學也是一個很好的提高和促進，計算機仿真與虛擬儀器技術給了教師一個更好的平臺，可在沒有實驗經費和實驗室的情況下進行實驗研究和設計。

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