Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)改進(jìn)中的應(yīng)用研究

安紅戰(zhàn) 方蕾

摘 要：《機(jī)電設(shè)備單片機(jī)控制技術(shù)》是機(jī)電一體化專業(yè)的一門核心課程，在學(xué)生的專業(yè)能力培養(yǎng)中占據(jù)重要的地位。但由于該課程理論性和實踐性要求較強(qiáng)，長期以來，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時存在"抽象"、"難懂"的問題，容易產(chǎn)生畏懼感而喪失學(xué)習(xí)的興趣和信心。Proteus軟件作為一款優(yōu)秀的單片機(jī)仿真軟件，可以實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的形象化仿真。將其應(yīng)用在單片機(jī)教學(xué)中，極大地改善了單片機(jī)課程的教學(xué)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，在此作者介紹了Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；Proteus；教學(xué)

0 前言

職業(yè)教育的目標(biāo)是培養(yǎng)高技術(shù)水平的專業(yè)人才。作為機(jī)電一體化專業(yè)的一門核心課程，《機(jī)電設(shè)備單片機(jī)控制技術(shù)》在學(xué)生的專業(yè)能力培養(yǎng)中占據(jù)不可忽視的作用。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，該課程學(xué)習(xí)完后，學(xué)生應(yīng)該熟悉單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，掌握單片機(jī)的指令系統(tǒng)，學(xué)會中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器及各種接口的應(yīng)用，具備單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計的基本技能，能夠完成簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計。但由于單片機(jī)課程內(nèi)容比較抽象，實踐動手能力又要求比較強(qiáng)，所以不管是傳統(tǒng)的"理論+實驗"教學(xué)模式，還是采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)模式或項目化教學(xué)模式，都沒有根本性地改變學(xué)生對單片機(jī)課程的無趣和畏懼感。究其原因，一方面在于沒有把抽象的知識變得形象化、具體化，即沒有變成學(xué)生便于理解和接受的內(nèi)容。另一方面，就是學(xué)生缺乏足夠動手實踐的機(jī)會，無法在實踐中找到學(xué)習(xí)單片機(jī)的樂趣。如何有效地解決這兩個方面的問題，是提高單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

1 Proteus軟件介紹

Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司設(shè)計開發(fā)的EDA工具軟件，是目前全球最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。它從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺。Proteus軟件支持單片機(jī)匯編語言的編輯、編譯、源碼級仿真，內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境結(jié)合，進(jìn)行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試。在Proteus中繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件，就可以在原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。Proteus軟件不僅可將許多單片機(jī)實例功能形象化，得到實物演示的效果，也可將許多單片機(jī)實例運行過程形象化，達(dá)到實物演示難以達(dá)到的效果。Proteus軟件是單片機(jī)課堂教學(xué)的有力助手，是學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的有效工具。

2 Proteus軟件在改進(jìn)單片機(jī)教學(xué)中的優(yōu)勢

對于單片機(jī)這種內(nèi)容抽象、實踐性強(qiáng)的課程，要想達(dá)到較好的教學(xué)效果，課堂演示和實驗有著至關(guān)重要的作用。通過課堂演示，可以將抽象的理論、枯燥的程序分析轉(zhuǎn)化為生動的實例；而實驗則能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和獨立思考能力，進(jìn)一步理解有關(guān)理論知識。

傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)中，很難在課堂上做到現(xiàn)場演示。一方面演示需要的準(zhǔn)備工作較多，同時需要相關(guān)的儀器和設(shè)備，而把儀器和設(shè)備在實驗室與教室之間來回搬動很不方便。另外，最終的演示表現(xiàn)就是老師站在講臺上拿著實驗箱把程序的運行結(jié)果展示給學(xué)生，由于實驗箱體積小，后排學(xué)生難以看得清楚，因此并不會達(dá)到預(yù)期的演示效果。

而且，目前的單片機(jī)實驗主要是在外購的實驗箱上完成，而生產(chǎn)廠商為了實現(xiàn)技術(shù)保密，實驗箱都采用密封式結(jié)構(gòu)，僅把實驗所需的有關(guān)接口引出，整個實驗系統(tǒng)的內(nèi)部連線沒法看見。學(xué)生做實驗時，按照接線說明，簡單地用幾根插接線連接幾個接口，就完成了整個實驗環(huán)境的構(gòu)建，錯誤的認(rèn)為單片機(jī)實驗就是連幾根線，而無法對單片機(jī)實驗系統(tǒng)的具體硬件結(jié)構(gòu)有個清楚的認(rèn)識。同時，單片機(jī)實驗箱的實驗項目都是固定好，無法改變的，大都是些驗證性的實驗，造成學(xué)生對實驗內(nèi)容缺乏興趣，無法提高學(xué)生的思維能力和動手能力。

Proteus軟件的出現(xiàn)，引起了單片機(jī)教學(xué)和控制系統(tǒng)設(shè)計的變革。將Proteus軟件引入到教學(xué)中去，對單片機(jī)的教學(xué)起到了以下幾個主要方面的改善。

第一，便于課堂演示。在理論教學(xué)過程中，老師可以把每一個知識點通過用Proteus軟件構(gòu)建的虛擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行演示，把晦澀難懂的知識變成生動的實例，方便了學(xué)生的理解和接收。

第二，便于實驗。利用Proteus構(gòu)建虛擬實驗室，能夠突破傳統(tǒng)實驗對"時、空"的限制，可以自由地利用虛擬實驗室進(jìn)行各種實驗，為學(xué)生提供一個開放、便利的實驗環(huán)境。

第三，便于開展項目化教學(xué)。理論教學(xué)時可借助Proteus構(gòu)建的虛擬實驗系統(tǒng)及多媒體進(jìn)行項目化教學(xué)，通過對每個項目的講解和驗證，使學(xué)生直觀感受單片機(jī)編程的魅力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

第四，支持學(xué)生自行實驗，鍛煉解決實際工程問題的能力。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，學(xué)生自行實驗時，需要購置較多的設(shè)備，增加了他們學(xué)習(xí)和研究的投入。采用基于Proteus的虛擬實驗系統(tǒng)后，學(xué)習(xí)的投入變得比較小。而對實際工程問題的研究，也可以先在軟件環(huán)境中模擬通過，再進(jìn)行硬件的投入，這樣處理不僅省時省力，也可以節(jié)省因方案不正確所造成的硬件投入的浪費，有利于培養(yǎng)學(xué)生的分析能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力。

3 Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用示例分析

Proteus軟件可以直觀、形象地模擬實際單片機(jī)系統(tǒng)的運行，下面以"數(shù)碼管動態(tài)顯示8位固定數(shù)字"的任務(wù)為例，介紹如何利用Proteus軟件來實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，完成對控制方案的驗證。

3.1 任務(wù)介紹

動態(tài)顯示是把各數(shù)碼管的相同段選線并聯(lián)在一起，由一個I/O口控制，而其公共端由其他的I/O口控制，然后采用掃描方法輪流點亮各位數(shù)碼管，使每位數(shù)碼管分時顯示各自應(yīng)該顯示的字符。各數(shù)碼管雖然是分時輪流導(dǎo)通，但由于發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)和人眼的視覺暫留作用，當(dāng)循環(huán)掃描頻率選取適當(dāng)時，看上去所有的數(shù)碼管是同時點亮的。本任務(wù)要求編程實現(xiàn)8個LED數(shù)碼管動態(tài)顯示"87654321"8個數(shù)字。

3.2 電路設(shè)計

按照任務(wù)要求設(shè)計電路原理圖。點擊Proteus軟件的ISIS 7 Professional選項，進(jìn)入Proteus的編輯窗口。通過對象選擇按鈕將所需元器件（AT89C51、74HC244、7SEG-MPX8-CA-BLUE等）加到對象選擇器窗口，然后再在對象選擇器窗口中選中所需元器件放到圖形編輯窗口，元器件添加結(jié)束后，完成元器件之間的連線，最后的硬件電路如圖1所示。

3.3 程序設(shè)計

雖然Proteus軟件自帶的ASEM51代碼生成工具可以編輯匯編源程序，但使用其他專用軟件進(jìn)行源程序的編輯與編譯更為方便，這里使用Wave軟件。啟動Wave軟件，新建一個程序文件，然后在編輯窗口中編寫程序，如圖2所示。程序編輯好后，保存為DTXS.ASM，然后按下編譯按鈕或F9鍵，編譯源程序，生成DTXS.HEX文件。

3.4 仿真運行

在Proteus原理圖編輯窗口中，雙擊單片機(jī)，彈出編輯元件屬性對話框，在時鐘頻率項中設(shè)置單片機(jī)的時鐘頻率為12MHz，在源文件項中把生成的DTXS.HEX文件加載進(jìn)去，然后按確定按鈕，退出對話框。再點擊Proteus原理圖編輯窗口下方的開始按鈕或按F12鍵，單片機(jī)開始仿真運行。此時，可以清楚地觀察到單片機(jī)每一個引腳的電平變化，同時可以看到數(shù)碼管上顯示數(shù)字"87654321"，如圖3所示。也可以點擊調(diào)試按鈕實現(xiàn)程序的仿真調(diào)試，在調(diào)試過程中，可以觀察內(nèi)部存儲器、通用寄存器和特殊功能寄存器的相關(guān)狀態(tài)。

仿真運行正確后，可直接進(jìn)行實際電路的制作和焊接，并將目標(biāo)代碼下載到單片機(jī)后，實際電路就能正常工作。同時，在Proteus軟件仿真完成這一工作任務(wù)之后，老師再給學(xué)生講授LED數(shù)碼管動態(tài)顯示的工作原理和程序設(shè)計方法，學(xué)生很快就會掌握相關(guān)的知識和編程方法。

4 結(jié)論

利用Proteus軟件的仿真功能，在教學(xué)過程中，老師可以隨時對所講內(nèi)容通過Proteus構(gòu)建虛擬實驗系統(tǒng)來驗證和演示，做到"邊教邊做"；另一方面，學(xué)生可以在基于Proteus軟件的虛擬實驗系統(tǒng)上完成各種實驗，同時還可自行設(shè)計實驗，做到"邊做邊學(xué)"。利用Proteus軟件能夠彌補(bǔ)單片機(jī)教學(xué)中的不足，達(dá)到理論和實踐的有機(jī)融合和統(tǒng)一，增強(qiáng)了學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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科研項目：湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研課題（HNTKY-KT2014-1）。