Proteus在單片機(jī)教學(xué)改革中的應(yīng)用

周喜 李杰

摘 要：單片機(jī)課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式將理論與實踐分離，以至于學(xué)生理解起來非常困難，學(xué)完本門課程之后還不知怎么應(yīng)用單片機(jī)。針對這種狀況，文中介紹了一種利用Proteus強大的仿真功能虛擬單片機(jī)實驗室，將理論教學(xué)與實踐操作相結(jié)合，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還培養(yǎng)了學(xué)生解決實際工程問題的能力，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的。并以具體的項目教學(xué)法闡述了利用Proteus進(jìn)行電路設(shè)計、軟件設(shè)計和仿真的具體過程。

關(guān)鍵詞：Proteus；單片機(jī)；仿真；教學(xué)改革；項目式教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-0-02

0 引 言

單片機(jī)課程是電子、自動化、機(jī)電一體化等專業(yè)的核心課程之一，是一門理論性與實踐性都很強的綜合性課程[1]。傳統(tǒng)的教學(xué)方式是先講授理論，然后進(jìn)行實驗動手練習(xí)，這種方式致使學(xué)生對理論知識的理解非常困難，無法與單片機(jī)硬件系統(tǒng)聯(lián)系起來，教學(xué)效果比較差。目前我們采用了一種“項目式”教學(xué)方法，將理論學(xué)習(xí)與實踐操作結(jié)合起來，既激發(fā)了學(xué)生對這門課的興趣，又鍛煉了學(xué)生系統(tǒng)開發(fā)的能力，而且教學(xué)效果顯著提高。

1 傳統(tǒng)實驗教學(xué)缺點

現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)校單片機(jī)實驗室均采用實驗箱進(jìn)行實驗教學(xué)[2，3]，雖然方便但也存在一些不足：

（1）實驗箱上電路連接是固定的，學(xué)生只能進(jìn)行軟件程序的編寫，然后燒進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行驗證，若不了解電路的連接情況，則設(shè)計能力得不到鍛煉；

（2）實驗箱價格昂貴，對于在校學(xué)生來說，由于沒有經(jīng)濟(jì)來源無法承擔(dān)購買單片機(jī)實驗箱的費用，因此只能依靠學(xué)校的實驗室，這樣就造成了學(xué)生一旦離開實驗室就無法進(jìn)行實驗練習(xí)的狀況，僅僅依靠實驗課做實驗顯然不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求；

（3）單片機(jī)型號非常多，教學(xué)一般都學(xué)習(xí)51系列的單片機(jī)，而單片機(jī)實驗箱不可能支持所有種類的單片機(jī)，況且我們自己設(shè)計的電路并不能與實驗箱上的外圍電路一一對應(yīng)，導(dǎo)致實驗箱不支持單片機(jī)型號，或?qū)嶒炏渖系耐鈬娐凡皇俏覀兯枰模?/p>

（4）在講授理論知識時，有時教師需要向?qū)W生進(jìn)行教學(xué)演示，實驗箱不能夠隨身攜帶，這為教學(xué)帶來諸多不便。為了改變這種狀況，將理論知識與實驗實踐相結(jié)合，可以采用虛擬實驗的方式。

2 Proteus虛擬實驗室

Proteus[4]是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真及印制電路板設(shè)計軟件，具有對單片機(jī)及外圍電路組成的系統(tǒng)交互仿真功能?？梢灾С侄喾N型號的單片機(jī)仿真，如51系列、PIC系列、AVR系列等，而且能夠進(jìn)行電路分析，如模擬分析、數(shù)字分析、頻率分析等；提供了多種虛擬儀器，如示波器、信號發(fā)生器、電壓表、電流表等；能夠進(jìn)行原理圖設(shè)計與PCB板設(shè)計等。在計算機(jī)上安裝Proteus電子仿真軟件和集成開發(fā)環(huán)境Keil，就相當(dāng)于一個設(shè)備先進(jìn)、功能完善的虛擬實驗室。利用Proteus仿真單片機(jī)系統(tǒng)程序運行，可以很直觀地觀察單片機(jī)外圍電路的變化，在使用時更接近實際操作，而且節(jié)省了制作實際電路板的過程，能夠讓學(xué)生更容易地掌握單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計方法；讓學(xué)生可以根據(jù)系統(tǒng)要求對電路進(jìn)行自主設(shè)計，克服了實驗箱電路連接固定的弊端，進(jìn)行設(shè)計性與綜合性實驗，使學(xué)生的設(shè)計能力與創(chuàng)新能力得到鍛煉；另外，實驗設(shè)備[5]在教學(xué)過程中不斷損耗，維護(hù)成本較高，而在Proteus仿真環(huán)境下，可以靈活、高效地修改仿真電路的設(shè)計，沒有元器件的損耗，實現(xiàn)教學(xué)零成本，這些在傳統(tǒng)的單片機(jī)實踐教學(xué)中是無法實現(xiàn)的。

3 項目式教學(xué)方法

單片機(jī)項目式教學(xué)[6，7]重點培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能，以項目的開發(fā)步驟作為講課順序，在項目中講授涉及到的理論知識和實踐技能，比如原理圖的設(shè)計、PCB板的設(shè)計、產(chǎn)品裝配、代碼編寫、產(chǎn)品調(diào)試、產(chǎn)品檢測等，引導(dǎo)學(xué)生在完成項目的過程中學(xué)習(xí)。通過使用Proteus和Keil軟件，學(xué)生的硬件設(shè)計能力與軟件編程能力同時得到提高，鍛煉了學(xué)生的動手能力和解決問題的能力。利用Proteus進(jìn)行項目式教學(xué)主要為以下幾步：

（1）利用Proteus進(jìn)行單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計；

（2）利用Keil軟件編寫系統(tǒng)程序，編譯調(diào)試，生成hex文件；

（3）將hex文件加載到單片機(jī)系統(tǒng)，仿真觀察系統(tǒng)運行情況。

4 Proteus仿真項目教學(xué)實例

下面以“流水燈設(shè)計”實驗項目為例，介紹如何利用Proteus軟件實現(xiàn)電路的硬件設(shè)計、軟件調(diào)試與系統(tǒng)仿真，實現(xiàn)單片機(jī)對電路的控制要求。該實例的要求為單片機(jī)控制8個LED燈依次點亮，每個LED燈點亮1 s，反復(fù)進(jìn)行，循環(huán)不止。

4.1 硬件設(shè)計

該實例電路由AT89C52單片機(jī)、8個LED燈、時鐘電路、復(fù)位電路等組成，在Proteus ISIS中繪制原理圖時，復(fù)位電路與時鐘電路可以省略。電路原理圖如圖1所示。

4.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制軟件采用模塊化的程序設(shè)計思想，系統(tǒng)程序在Keil C 環(huán)境下進(jìn)行編譯調(diào)試，其程序控制流程圖如圖2所示。

4.3 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

按照上述流程圖寫好程序后，在Keil開發(fā)環(huán)境中完成軟件調(diào)試，確定沒有邏輯錯誤后，把產(chǎn)生的hex文件加載到單片機(jī)中，點擊Proteus的運行鍵即可判斷程序是否正常。運行結(jié)果如圖3所示。

驗證結(jié)果無誤后，就可以按照仿真電路的連接方式進(jìn)行硬件電路的焊接工作，實驗結(jié)果表明，實際制作出來的硬件電路功能與仿真電路幾乎沒有什么區(qū)別。

5 結(jié) 語

在單片機(jī)項目式教學(xué)中采用Proteus仿真，使理論教學(xué)與實驗實踐操作相結(jié)合，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力和實踐操作能力，同時對于學(xué)生理解單片機(jī)原理與設(shè)計的流程有很大的幫助。有效解決了學(xué)生理論與實踐脫離、動手能力不足的問題，同時項目環(huán)境與實際工程系統(tǒng)接近，有利于培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)系統(tǒng)實際開發(fā)的能力，明顯提高了單片機(jī)的教學(xué)效率與質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]章萬靜，劉長榮，邢海霞，等.Proteus和Keil聯(lián)合仿真在單片機(jī)教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].福建電腦，2010（4）：211.

[2]張高勝.淺談Proteus仿真在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)時代，2013（5）.

[3]趙洋，江維，王佳昊，等.Proteus在單片機(jī)實驗教學(xué)的應(yīng)用研究[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2011，9（5）：16-18.

[4]楊鎮(zhèn)博，張加宏.Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)改革中的應(yīng)用[J].科技信息，2013（5）：24-25.

[5]董紅生，秦雯，劉青，等.Proteus仿真在單片機(jī)綜合實踐教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].中國教育技術(shù)裝備，2015（2）：152-154.

[6]劉文光，張銘銘.proteus仿真在單片機(jī)課程項目式教學(xué)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2012（2）：31-33.

[7]賴忠喜，林君煥，陶東婭.Proteus和Keil軟件在單片機(jī)項目式教學(xué)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2013，21（6）：4-7.