基于Proteus與學(xué)習(xí)板的單片機“1+1虛實結(jié)合”教學(xué)模式設(shè)計

文/廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 亓?xí)员?鄒偉全 萬學(xué)春

一、單片機課程改革的必要性

單片機又叫微控制器(MCU)，是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)核心器件，廣泛應(yīng)用于當(dāng)今社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，工業(yè)測控、儀器儀表、消費電子、通信產(chǎn)品等都有它的身影，是現(xiàn)代控制中不可或缺的工具和手段[1]?！秵纹瑱C基礎(chǔ)與應(yīng)用》是我院為電氣自動化、機電一體化、機電設(shè)備維修與管理、城市軌道交通機電設(shè)備等專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)必修課，同時也是學(xué)生參加大學(xué)生科技創(chuàng)新、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、電子設(shè)計等相關(guān)競賽的必須課程[2]。單片機的重要性不言而喻，然而當(dāng)前該課程的教學(xué)效果并不理想，很多相關(guān)專業(yè)高職甚至本科畢業(yè)生對單片機的掌握達不到入門水準(zhǔn)，更談不上應(yīng)用開發(fā)。因此，對單片機課程的教學(xué)改革勢在必行。

二、傳統(tǒng)單片機教學(xué)模式存在的弊端

傳統(tǒng)的單片機教學(xué)為“PPT+板書”的模式，這樣會把單片機外圍電路、程序代碼和運行效果三者隔離開來，無法直觀形象地驗證電路原理的可行性、程序代碼的有效性及運行結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。在早期甚至出現(xiàn)過課程結(jié)束了學(xué)生還不認(rèn)識單片機，不會使用編程軟，更沒焊接、調(diào)試、使用過學(xué)習(xí)板，教學(xué)效果可想而知。

近年來，隨著科技和社會的不斷發(fā)展，各種單片機實驗箱、學(xué)習(xí)板大行其道，于是出現(xiàn)了“PC+MCU成品板”的一體化教學(xué)模式，此方法只需簡單連線后，便可通過編程進行各種驗證性實驗，能清楚看到運行效果，對學(xué)生編程能力的培養(yǎng)有較大作用。但因為學(xué)習(xí)板電路已經(jīng)固化，學(xué)生不能設(shè)計硬件電路(只能編寫、調(diào)試程序)，所以對其掌握單片機電路原理、認(rèn)識電子元器件及進行系統(tǒng)焊接調(diào)試等幫助不大，無法達到讓學(xué)生全面動手鍛煉的效果[4]。

三、Proteus+學(xué)習(xí)板的虛實結(jié)合教學(xué)模式

為了解決傳統(tǒng)單片機教學(xué)中的種種問題，我院根據(jù)多年教學(xué)實踐將單片機教學(xué)進程分為課堂教學(xué)和實訓(xùn)周集中實訓(xùn)兩部分，提出了Proteus課堂仿真教學(xué)加單片機學(xué)習(xí)板的焊接、調(diào)試、應(yīng)用等實訓(xùn)的“1+1虛實結(jié)合”教學(xué)模式。

圖1 Proteus課堂仿真流程圖

Proteus仿真軟件是英國LABCENTER ELECTRONICS公司開發(fā)的一款功能強大的電子設(shè)計自動化軟件，具有原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計等功能，可以進行模擬電路、數(shù)字電路及MCU器件混合仿真。其最大特點是可以進行單片機、嵌入式系統(tǒng)的仿真實驗，在一定程度上相當(dāng)于一塊萬能學(xué)習(xí)板，非常簡單實用、直觀形象，這也是其他仿真軟件無法比擬的[5][6]。將Proteus引入單片機課堂教學(xué)，可以隨時設(shè)計各種單片機原理電路并進行仿真，這樣既有利于教學(xué)中的問題說明，又有利于學(xué)生進行有針對性的練習(xí)，同時避免了硬件問題帶來的干擾，有利于教學(xué)進程順利推進和學(xué)生對單片機知識的掌握及自信心的培養(yǎng)。

單片機的開發(fā)應(yīng)用需要多方面的知識和技能，Proteus仿真軟件的引入，促進了學(xué)生對單片機編程和原理電路設(shè)計的掌握[7][8]；而電子元器件識別選用、電路板焊接調(diào)試、板外系統(tǒng)連接等能力則可在集中實訓(xùn)中進行鍛煉。通過具體的任務(wù)設(shè)計，讓學(xué)生親自動手挑選元器件，并在空白PCB上焊接，然后經(jīng)過調(diào)試、編程、外圍連接等一系列工作來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，最后教師根據(jù)功能的完成情況酌情給分。這一過程，除了增強學(xué)生的動手能力之外，還可增加其對整個單片機應(yīng)用系統(tǒng)和開發(fā)流程的認(rèn)識及掌握，為將來的實際應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

四、虛實結(jié)合的教學(xué)實例

虛實結(jié)合的教學(xué)模式涵蓋了較為全面的單片機系統(tǒng)知識，下面通過流水燈的控制任務(wù)講解說明。

1.Proteus仿真實例

流水燈的控制是典型的單片機學(xué)習(xí)實例，它有多種控制要求和實現(xiàn)方法，可包含單片機的通用I/O口操作、鍵盤操作、定時/計數(shù)器、串口、中斷等知識，在此以單個流水燈的循環(huán)流動控制為例?；赑roteus的課堂教學(xué)仿真流程為圖1所示。

在講解完單片機相關(guān)知識點后，便可通過Keil軟件編寫對應(yīng)功能的C51程序，并編譯生產(chǎn)可執(zhí)行的HEX文件；然后運行Proteus軟件并設(shè)計對應(yīng)功能的電路原理圖，最后便可向原理圖中單片機元件內(nèi)裝載HEX文件，通過仿真運行便可觀測任務(wù)功能的完成情況，直觀明了，可大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。流水燈的C51程序和Proteus仿真效果如圖2、3所示。

圖4 單片機學(xué)習(xí)板實訓(xùn)步驟

圖2 流水燈程序

圖3 流水燈的Proteus仿真結(jié)果

2.學(xué)習(xí)板應(yīng)用實例

單片機學(xué)習(xí)板實訓(xùn)步驟如圖4所示。通過該過程，可讓學(xué)生在掌握學(xué)習(xí)板電路原理和PCB板構(gòu)成的基礎(chǔ)上，了解使用各種常用電子元器件，包括其基本功能、元件封裝、引腳分布等。同時學(xué)習(xí)基本焊接技術(shù)并逐步完成整塊電路板的焊接工作，待單片機最小系統(tǒng)測試通過以后，便可編寫相對完整簡單的測試程序來檢測成品電路板的各部分功能。此過程可能遇到漏焊、虛焊、次品元器件等各種問題，需要耐心查找。最后根據(jù)任務(wù)要求編寫C51程序并經(jīng)過反復(fù)修改調(diào)試，最終取得滿意的效果。

基于學(xué)習(xí)板的流水燈控制程序與Proteus仿真程序完全相同，如圖2所示，效果如圖5所示。

圖5 學(xué)習(xí)板的流水燈控制

通過應(yīng)用Proteus仿真軟件和制作、調(diào)試、使用單片機學(xué)習(xí)板，學(xué)生學(xué)到了更加全面的單片機軟硬件系統(tǒng)知識，使我院單片機課程教學(xué)變得更有針對性、目的性；學(xué)生們普遍反映這樣的方式非常生動形象，電路的原理非常清晰、運行結(jié)果非常明顯，學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效率都得到了很大提高。同時，老師的教學(xué)思路更加有條理，知識的講授和電路的運行前后呼應(yīng)，教學(xué)效果更好了，教學(xué)工作也變得輕松了，得到了事半功倍的效果。