Proteus和Keil軟件在單片機(jī)理論與實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

金國(guó)華翟朝霞周麗娜張大力

1. 大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 遼寧大連 116026 2. 大連理工大學(xué)航天航空學(xué)院 遼寧大連 116024

Proteus和Keil軟件在單片機(jī)理論與實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

金國(guó)華1翟朝霞1周麗娜1張大力2

1. 大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 遼寧大連 116026 2. 大連理工大學(xué)航天航空學(xué)院 遼寧大連 116024

針對(duì)單片機(jī)課程理論與實(shí)踐的教學(xué)現(xiàn)狀，利用Proteus和Keil軟件搭建單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)，提出了在理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)教學(xué)中引入虛擬仿真平臺(tái)的解決方案，并給出了具體的應(yīng)用方法。實(shí)踐表明，將虛擬仿真引入理論與實(shí)踐教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，有效地提高學(xué)生的綜合開發(fā)能力、軟硬件設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，取得了較好的教學(xué)效果。

單片機(jī)；虛擬仿真教學(xué)；Proteus軟件；Keil軟件

單片機(jī)原理與應(yīng)用是電類相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，并且是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。該課程知識(shí)點(diǎn)多、涉及面廣、內(nèi)容相對(duì)抽象，學(xué)生普遍反映入門很難。如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生既能熟練掌握單片機(jī)原理的基礎(chǔ)知識(shí)又能嫻熟應(yīng)用到實(shí)踐，使學(xué)生充分掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念和方法，是任課教師應(yīng)認(rèn)真思考、研究和探索的問題[1,2]。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

目前涉及單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的主要教學(xué)環(huán)節(jié)是理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)(課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì))。傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)模式采用“先理論講解，后動(dòng)手實(shí)踐”，這種教學(xué)模式注定了在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面都不同程度存在著一些問題。

(1)在理論教學(xué)過程中，教師通過PPT講解單片機(jī)的片內(nèi)資源、程序設(shè)計(jì)和接口電路，基本是純語言描述、軟硬件分離介紹、應(yīng)用只是點(diǎn)綴，缺乏一種有效地將軟硬件結(jié)合、理論和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的演示方法，造成學(xué)生理解困難、應(yīng)用能力培養(yǎng)不足以及在構(gòu)建實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)缺少系統(tǒng)化的思路等問題；匯編語言介紹過多，而公司開發(fā)產(chǎn)品基本上都用C語言，與社會(huì)脫節(jié)[3,4]。

(2)在實(shí)踐教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)室采用實(shí)驗(yàn)箱和開發(fā)板，其電路走線是固定連接好的，學(xué)生很難參與到其中的設(shè)計(jì)，學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力被嚴(yán)重制約；另外單片機(jī)的種類繁多，技術(shù)迅速更新和發(fā)展，實(shí)驗(yàn)箱、開發(fā)板上的資源有限，對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容造成了很大的制約；一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程包括硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、PCB電路板制作、元器件焊接、系統(tǒng)調(diào)試等幾個(gè)階段，由于受到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備、管理、時(shí)間、學(xué)生人數(shù)等多方面因素的影響，學(xué)生參與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)踐過程受到一定程度的限制，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果[5,6]。

針對(duì)以上問題，為了更好地培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，提高學(xué)生應(yīng)用單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的能力，考慮到計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軟、硬件方面的飛速發(fā)展，提出利用Proteus和Keil軟件搭建的虛擬仿真平臺(tái)彌補(bǔ)單片機(jī)理論與實(shí)踐教學(xué)中的諸多不足。

2 Proteus和Keil軟件在單片機(jī)理論與實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 將Proteus和Keil軟件引入單片機(jī)理論教學(xué)

為了提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)C51語言的教學(xué)，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中引入Proteus仿真軟件和原本用語言不便描述的內(nèi)容直接展現(xiàn)出來，增強(qiáng)了教學(xué)的生動(dòng)性和直觀性。教師可以根據(jù)自己要教授的教學(xué)內(nèi)容開發(fā)教學(xué)演示項(xiàng)目，設(shè)計(jì)制作一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，比如流水燈、電子鐘、搶答器、密碼鎖及LCD顯示等，密碼鎖仿真圖如圖1所示，通過虛擬仿真平臺(tái)的聯(lián)調(diào)演示，便于學(xué)生理解和掌握教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，了解單片機(jī)在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中的作用和地位，讓學(xué)生對(duì)一個(gè)完整的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)[7]。

圖1 教學(xué)演示單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)項(xiàng)目-密碼鎖

2.2 將Proteus和Keil軟件引入單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

單片機(jī)課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)應(yīng)該引起高度重視。由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)人數(shù)等因素的限制，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)大多數(shù)停留在驗(yàn)證性層次。為了解決這個(gè)問題，提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Proteus仿真軟件和Keil C編程軟件搭建的虛擬仿真平臺(tái)，學(xué)生只要有臺(tái)電腦，在電腦上安裝了Proteus軟件和Keil C軟件，就可以在這個(gè)仿真平臺(tái)上做虛擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)時(shí)間不受限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也不受限制，既可以是基本實(shí)驗(yàn)，也可以是綜合實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，這樣為實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)帶來很大靈活性。

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，利用Proteus軟件提供的元器件模型和外設(shè)模型設(shè)計(jì)硬件電路原理圖，在Keil軟件中編寫程序代碼，最后聯(lián)合調(diào)試觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有的實(shí)驗(yàn)需要利用虛擬儀器儀表的輸入輸出效果輔助檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的教學(xué)方法，讓學(xué)生既了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)，又鍛煉了編程能力，同時(shí)給學(xué)生提供了更大的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新空間。

2.3 將Proteus和Keil軟件以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法引入單片機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中，主要是注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題解決問題的能力，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用和實(shí)踐動(dòng)手能力，開發(fā)創(chuàng)新思維。為了改善教學(xué)效果，在課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中引入Proteus仿真軟件和Keil C編程軟件搭建的虛擬仿真平臺(tái)和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中，采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法，先啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生分析項(xiàng)目要完成的具體任務(wù)將其模塊化，然后根據(jù)項(xiàng)目的要求和指標(biāo)確定實(shí)現(xiàn)方案、選擇合適的芯片、元器件，并設(shè)計(jì)電路原理圖，根據(jù)設(shè)計(jì)好的硬件電路編寫程序，在虛擬仿真平臺(tái)上將軟、硬件結(jié)合觀察仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，等仿真成功后，學(xué)生在進(jìn)行下一步的實(shí)物制作，PCB布線、制板，在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)取相關(guān)芯片、元器件進(jìn)行電路焊接、程序下載和系統(tǒng)調(diào)試，全程參與一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，最終完成一個(gè)電子產(chǎn)品。部分學(xué)生作品如圖2所示。在基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和Proteus仿真的課程設(shè)計(jì)教學(xué)過程中，學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐開展的過程中既掌握了基礎(chǔ)知識(shí)，又提高了知識(shí)的綜合運(yùn)用能力、軟硬件設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，并且對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)有了直觀的認(rèn)識(shí)，對(duì)整個(gè)開發(fā)過程有了充分的了解，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)[8,9]。

圖2 部分學(xué)生作品展示—系統(tǒng)仿真圖和成品實(shí)物圖

3 虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用效果

將虛擬仿真平臺(tái)引入單片機(jī)理論、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)兩年來，取得了較好的效果。在理論教學(xué)過程中，以往學(xué)生反映單片機(jī)課程難學(xué)、難懂，自從將基于虛擬仿真平臺(tái)的動(dòng)態(tài)演示教學(xué)引入課堂后，使抽象內(nèi)容變形象、重點(diǎn)易懂、難點(diǎn)化解，學(xué)生普遍反映比單純學(xué)習(xí)書本知識(shí)、看教師PPT內(nèi)容易于接受，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣和積極性，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。在實(shí)踐教學(xué)過程中，以往學(xué)生反映實(shí)踐機(jī)會(huì)少、器件易損壞、作品成功率低，自從將虛擬仿真平臺(tái)引入實(shí)踐教學(xué)后，學(xué)生可以不受時(shí)間、場(chǎng)所的限制在虛擬仿真平臺(tái)上大膽的設(shè)計(jì)、調(diào)試、修改，不用擔(dān)心損壞元器件和儀器設(shè)備，直至出現(xiàn)正確的仿真結(jié)果，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行實(shí)物制作，成功率很高，學(xué)生普遍反映膽子大了、有自信了，大大激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性，提高了學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力。學(xué)生具備了這些能力，后續(xù)報(bào)名參加相關(guān)競(jìng)賽熱情高漲，選擇單片機(jī)類畢業(yè)設(shè)計(jì)題目數(shù)明顯增多[10]。

實(shí)踐結(jié)果表明：基于Proteus和Keil軟件的單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)是學(xué)生學(xué)與用、理論與實(shí)踐相結(jié)合的優(yōu)秀平臺(tái)。

4 結(jié)束語

基于Proteus和Keil軟件的單片機(jī)虛擬仿真平臺(tái)在單片機(jī)理論與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，有助于學(xué)生高效的掌握課堂所學(xué)理論知識(shí)，縮短從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過程，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐創(chuàng)新能力。必須指出，虛擬仿真是一種很好的教學(xué)輔助手段，但仿真不能完全代替實(shí)物，要想真正加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用的理解，掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)，僅依靠虛擬仿真技術(shù)是不夠的，必須要和實(shí)際的電路系統(tǒng)結(jié)合，才能鍛煉學(xué)生的軟硬件設(shè)計(jì)能力、綜合開發(fā)能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力。

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Application of Proteus and Keil in the Theory and Practice Teaching of SCM

Jin Guohua1, Zhai Zhaoxia1, Zhou Lina1, Zhang Dali2
1.School of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian, 116026, China 2.School of Aeronautics and Astronautics, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China

In view of the present situation of the theory and practice of the single chip microcomputer course, This paper puts forward the solution of using virtual simulation platform which Using Proteus and Keil software to build , and gives the concrete application method in teaching. The practice shows that the virtual simulation is introduced into theory and practice teaching, which has achieved good teaching results, to stimulate the students' learning interest and enthusiasm, effectively improve the students' comprehensive development ability the design of hardware and software capabilities, practice and innovation ability.

Single chip microcomputer; Virtual simulation teaching; Proteus software; Keil software

2016-09-12

金國(guó)華，碩士，實(shí)驗(yàn)師。

遼寧省虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)項(xiàng)目(遼教發(fā)[2015]111號(hào))；大連海事大學(xué)教改項(xiàng)目《單片機(jī)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐(編號(hào)：2014Q14)。