基于Proteus的單片機開發(fā)課程改革探索

趙汝和 李三雁

摘 要 針對目前在應用型本科的單片機課程教學中存在的知識點多、課時少、理論授課枯燥，學生動手實踐機會少、實驗室建設昂貴、在有限的學時內(nèi)學生難以全面掌握單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)等問題，開展了教學改革的探索，重新進行了“兩課設計”，充分利用“錦城在線”網(wǎng)絡教學平臺，在課前、課中、課后大量使用Proteus的仿真平臺，開展課程翻轉，收到良好的效果。

關鍵詞 Proteus 教學改革 課程翻轉 單片機 應用型本科

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.01.053

Abstract Aiming at the problems such as many knowledge points， less class hours， boring theory， less practical hands-on opportunities for students， and expensive laboratory construction， it is difficult to fully master the development of MCU application system， existing in the teaching of MCU courses in applied undergraduate. The "design of two lessons" has been redone， by "Jincheng online" online teaching platform， Proteus simulation platform is widely used， we have carried out course reversal， of course， and good results have been achieved.

Keywords Proteus; teaching reform; flipped classroom; MCU; applied undergraduate

0 前言

單片機具有體積小、功能強、可靠性高、面向控制和價格低廉等一系列優(yōu)點，已成為工業(yè)測控領域普遍采用的智能化控制工具，滲入到人們工作和生活的各個角落，正是由于單片機的廣泛應用有力地推動了各行業(yè)的數(shù)字化技術改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代。[1]《單片機開發(fā)》課程是新時期我院智能制造學院機械電子工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，通過本課程的學習，使機械類機械電子工程專業(yè)的學生掌握單片機（8位單片機MCS-51或32位單片機ARM7）的基本工作原理，具備單片機的初步應用能力，初步掌握設計單片機應用系統(tǒng)的一般方法和步驟，為將來的專業(yè)課程設計、畢業(yè)設計以及從事自動化儀器儀表、測控系統(tǒng)的分析、應用、科技開發(fā)等方面工作打下良好基礎，具有重要的價值。其次，單片機在四川省機器人競賽中具有重要的作用和地位，巡線機器人項目、足球機器人項目、水下機器人項目、尋光機器人項目、熊貓樂園機器人項目、滅火機器人項目、機器人對抗項目等等都是以諸如：AVR單片機、ARM單片機或51系列單片機作為控制器。再次，以單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)是PC后時代最熱門的研究領域。因此掌握單片機的基本知識、基本結構、熟練掌握基本開發(fā)方法和手段就顯得特別重要，但是目前“單片機開發(fā)”課程的教學存在一些問題：（1）“單片機開發(fā)”課程屬于實踐性非常強的課程，理論部分涉及數(shù)字電子、模擬電子、C語言程序設計、數(shù)據(jù)結構等很多領域的知識，特別抽象，枯燥，難懂，學生僅僅聽完課程根本無法完成相關的設計，造成眼高手低，動手能力不足。（2）很多學校建立了單片機開發(fā)實驗室，配備了單片機試驗箱，通常1個試驗箱有8-10個人，實際實驗的時候動手的就1-2個人，大量的同學“打醬油”，沒有得到切實的鍛煉，學生動手能力難以提高;學生在實驗室操作時經(jīng)驗不足，同學把芯片連接錯誤，燒毀芯片的現(xiàn)象時有發(fā)生。（3）試驗箱配套的實驗都是驗證性實驗，只需簡單的連線即可，[2-4]針對這些諸多問題，如何在有限的經(jīng)費下，采用仿真技術和手段，利用CAD技術，進行單片機開發(fā)的課程改革，提高單片機開發(fā)的教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生的工程實踐能力和提高科研素質(zhì)就顯得尤為迫切。

1 PROTEUS簡介

針對以上問題，我校智能制造學院建立了Proteus虛擬仿真實驗室，用于“單片機開發(fā)”課程的理論教學和實踐教學，經(jīng)過三年的運行取得良好的教學效果。Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路設計與分析、電路實物仿真以及印制電路板設計軟件，它可以仿真、分析各種模擬電路和集成電路。Proteus主要由ISIS和ARES兩部分軟件組成，ISIS的主要功能是完成原理圖設計及與電路原理圖的交互仿真，ARES主要完成印制電路板的設計。

ISIS模塊的Proteus VSM（Virtual System Modelling）提供混合式的SPICE電路仿真，它將虛擬儀器、單片機仿真、高級圖表應用、第三方程序開發(fā)與調(diào)試環(huán)境有機的整合起來，在搭建硬件模型后即可在個人電腦端上完成原理圖設計、以及用單片機程序實現(xiàn)實時仿真、測試以及驗證，它是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的有力工具，也是利用計算機實現(xiàn)仿真教學的一個重要手段。[4-5]

目前，Proteus ISIS仿真系統(tǒng)支持的主流單片機有AVR單片機系列、ARM7（LPC21xx）系列、8051/52單片機系列、PIC10/12/18系列、HC11系列等。Proteus也支持嵌入式系統(tǒng)的常見外圍電路的系統(tǒng)仿真：SPI 調(diào)試、RS232 動態(tài)調(diào)試仿真、LCD 系統(tǒng)仿真、I 2 C 模擬調(diào)試、鍵盤模擬等等。Proteus支持的第三方軟件有Keil uVision2/3/4、AVR Studio+WinAVR、MPLAB HI-TECH PICC/PICC8/MCC8等。[5]

2 教改方案制定

根據(jù)教學改革的這個目標，我們開展了以下的相關工作：首先我們多次開展教學教研會議，對教學大綱，對教學目的、教學方法、教學過程和手段進行了詳細的梳理，按照錦城學院“兩課設計”即：“課程設計”和“課堂設計”的要求進行了重新設計，并制定了基于Proteus的課程改革實施方案，具體方案包括以下幾個方面。

（1）強調(diào)理論課堂。老師在理論課堂中按部就班的講解單片機的基礎知識，主要介紹時鐘、定時器、中斷系統(tǒng)、串口通信、I/O接口電路等基本知識，然后介紹常見的外圍電路及器件，諸如ADC0809＼DAC0832等。主要講解基本原理、基本概念、介紹基本方法。在理論課堂中開展課程翻轉，讓學生們提前學習基礎理論，帶上問題到教室里面和老師交流、討論。

（2）增加基于Proteus的實驗課堂的比例。每次課程分成兩個環(huán)節(jié)，第一個環(huán)節(jié)講解討論理論知識，第二個環(huán)節(jié)就是實驗操作演示和交流，解決基本的動手能力，讓學生熟悉電子器件和單片機的基本使用，主要是基于Proteus軟件在仿真環(huán)境中實現(xiàn)原理圖的設計，電路的連接、使用C語言對單片機的內(nèi)部寄存器、外圍器件的操作，并顯示仿真結果。在實驗課堂中開展課程翻轉，讓學生們提前學習觀看錄像，到實驗室操作演示相關的內(nèi)容，比如：流水燈、定時器、按鍵識別與掃描、點亮7段數(shù)碼管等等專題。

（3）短視頻的拍攝和網(wǎng)絡課堂建設。借助于現(xiàn)代教學手段我們拍攝了30段基于Proteus的演示教學視頻，并上傳到錦城在線網(wǎng)絡教學平臺，要求學生觀看，在錦城在線上師生互動交流。

（4）靈活使用多種教學方法。在本門課程中重點推薦使用問題導向教學法、案例分析法、模擬仿真教學法、項目式教學法、案例分析教學法等教學方法。在介紹單片機的概況時采用問題導向教學法;在介紹人機接口、串口、AD/DA的時候采用模仿真教學法;在Proteus介紹 7段數(shù)碼管、ADC0832等器件的時候采用模擬仿真教學法;在做巡線小車的時候采用項目式教學法;在期末的時候會詳細介紹一個典型應用案例日歷表的設計，采用案例分析方法。

（5）翻轉課堂。在“單片機開發(fā)”課程的教改方案中強調(diào)了課程翻轉的應用，本門課程開展課程翻轉的次數(shù)在10次以上。

3 Proteus在教學中的應用以DAC0832為例

DAC稱為數(shù)模轉換器件，它是將計算機運算的數(shù)字信號轉換為模擬信號，D/A轉換在測控系統(tǒng)中得到廣泛的應用， D/A轉換在教學中也是重點和難點，在普通的教科書上理論較多，而且枯燥，學生在學習以后感覺空洞，掌握DA的學生基本在10%左右。

3.1 DAC的課前資料準備

對于這一部分的內(nèi)容，老師在課前需要根據(jù)教學大綱準備詳細的課前學習資料：

（1）PPT的準備，包括基本的知識點，包括D/A的基本概念，T型電阻網(wǎng)絡的D/A轉換原理，轉換精度、分辨率等基本概念，DAC0832芯片介紹，DAC0832的三種工作方式介紹，DAC0832和單片機的接口等基礎知識。

（2）視頻拍攝。為了少占用講課的時間，增加課堂學生和老師交流的時間，為了促進學生自主學習，我們拍攝了講課的微視頻課程，微視頻以15分鐘1節(jié)，主要是基本的知識點。

（3）課前擴展作業(yè)。 課前作業(yè)一般都是個性化的作業(yè)，根據(jù)學生的情況而有所不同，以DA轉換為例我們給同學們安排的課前作業(yè)就是：請DA芯片嘗試完成1個占空比為50%方波的系統(tǒng)，需要完成原理圖設計，完成程序設計，需要用Proteus完成仿真，要求用示波器觀察到波形。

3.2 課前輔導和答疑

一旦設定好課前的任務，學生在課前觀看視頻，學習基本的知識，完成教材閱讀，然后根據(jù)老師提的任務上網(wǎng)查詢相關的資料，學習Proteus的使用，完成原理圖設計、程序設計、仿真調(diào)試，如果碰到了相關的疑問，老師在我校的學習平臺“錦城在線”進行答疑，幫助學生完成任務（圖1）。

3.3 課程中的學生討論和課程翻轉

在任務一旦布置后在有限的時間段，學生通過查詢資料，設計電路和調(diào)試程序，在上課的時候學生們帶上自己的成果帶上自己的疑問到教室和同學、老師交流匯報，匯報的工具平臺是proteus平臺。在課程翻轉的時候如果部分學生的程序、原理圖存在問題的，老師可以在實驗室直接指出錯誤，幫助調(diào)試程序，讓學生糾正錯誤，讓學生可以通過虛擬示波器看到結果。

3.4 Proteus中的重難點分析和把控

（1）單片機的最小系統(tǒng)。在proteus的仿真電路中我們第一個工作就是搭建最小系統(tǒng)，電路主要包含單片機、電阻、按鍵、電容和晶振構成的時鐘電路、復位電路等，在時鐘電路中一定要注意晶振的頻率需要在Proteus中設定，通常設定為12MHZ。同學們設置最容易出現(xiàn)問題的就是晶振的頻率忘記設定或設定不正確造成仿真沒有效果（圖2）。[4，5]

（2）DAC0832工作方式和端口的接線。在DAC0832芯片在工作時有單緩沖、雙緩沖和直通工作方式，對于初學者我們通常建議采用直通工作方式工作，即：ILE接高電平、CS端口接低電平、WR1、WR2，數(shù)據(jù)傳送控制端XFER端口接低電平。在運放的輸出端口接1000歐姆的電阻，同時接一個虛擬示波器觀察輸出波形。DAC0832的DI0～DI7一共八個端口分別接到P1端口的P1.0～P1.7。[5]

（3）DAC0832產(chǎn)生三角波的程序流程。DAC0832工作的流程是系統(tǒng)開始仿真后，單片機完成相關的參數(shù)的初始化，系統(tǒng)設定了一個變量i并賦初值為0，在延時后立即把i值通過P1端口送到DAC0832開始轉換，輸出模擬電壓值，然后判斷值是否達到255，如果沒有達到255，變量i自增1，如果達到255重新賦值為0，再次開始循環(huán)，系統(tǒng)工作流程詳見圖3。

在keil軟件中建立新的工程，選擇單片機和原理圖的單片機一致，輸入C語言程序后編譯連接后生成HEX文件，把HEX文件導入到Proteus中即可開始仿真，仿真的效果圖4所示。

當學生成功地完成課前預習、課前項目準備、課堂的現(xiàn)場交流與答疑后十分有成就感，極大的鍛煉了自學能力、動手能力、演講的能力，學生也很快掌握了D/A轉換的基本概念、T型電阻網(wǎng)絡的轉換原理，掌握了DAC0832的3種工作方式，提高了C語言編程的能力，學習的興趣和學習的自信心也就提高了。

4 教改前后的教學效果對比

在教學后通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)在課程改革后的學時投入學習的時間由原來的平均32學時提高到接近60學時，學生充分激發(fā)了學習的主動性和積極性，課堂的參與人數(shù)由原來試驗箱模式的20%左右提高到100%，以前的實驗只能完成4個左右現(xiàn)在可以借助Proteus平臺完成10個專題實驗，學生的滿意度也提高到98以上，詳見表1，教改前后教學效果對比表。

5 總結

本文介紹了一種采用Proteus平臺為核心的“單片機開發(fā)”課程教學改革中的一些方法和經(jīng)驗，Proteus可以憑借其強大的仿真和在線調(diào)試能力在單片的教學和嵌入式系統(tǒng)的人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮較大的作用，學生可以在沒有購買硬件試驗箱的條件下學習相關的開發(fā)系統(tǒng)、開發(fā)者可以在沒有完成PCB制作、打板之前的方案驗證，實踐證明基于Proteus的單片機的仿真和調(diào)試在教學和實際開發(fā)中具有較大的推廣價值。在另外一方面仿真環(huán)境還不能完全替代實物，在實際產(chǎn)品開發(fā)中必須在仿真、方案驗證后，還必須有實物的調(diào)試、測試才可以批量生產(chǎn)。

參考文獻

[1] 郭華，張小軍，張德學.嵌入式教學改革探索[J].教育教學論壇，2016（27）：101-103.

[2] 王偉.基于Proteus 與KEIL C51軟件平臺的單片機仿真教學[J].電子制作，2015（13）：90-91.

[3] 陳乃金等.計算機系統(tǒng)能力背景下的嵌入式系統(tǒng)實驗教學研究[J].電腦知識與技術，2016.12（12）： 98-99.

[4] 萬松峰. 基于Proteus的單片機原理與應用的教學改革[J].高教學刊，2016（14）：121-123.

[5] 袁東.51單片機應用開發(fā)實戰(zhàn)手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.