基于仿真平臺(tái)的單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)研究

郭一軍，趙 磊，胡 娟，周 武

（黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山245041）

1 引言

單片機(jī)將CPU、存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及I/O接口等電路集成在一塊微型芯片上，使其具備了計(jì)算機(jī)的基本功能[1]。另外，單片機(jī)的指令系統(tǒng)是按照工業(yè)控制的需要設(shè)計(jì)的，單片機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具有重要的地位，作為工業(yè)控制器使用時(shí)具有功耗低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)以及運(yùn)算速度快等特點(diǎn)。因此，單片機(jī)原理及應(yīng)用課程是自動(dòng)化專業(yè)同學(xué)必須很好掌握的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。教學(xué)目標(biāo)是通過對(duì)該課程的學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握單片機(jī)的基本概念、基本原理，掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和接口應(yīng)用的能力，為基于單片機(jī)的自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

課程教學(xué)是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，單片機(jī)課程作為理論與實(shí)踐聯(lián)系極為緊密的課程，在培養(yǎng)創(chuàng)新性、復(fù)合型的專業(yè)人才中的作用尤為突出。然而，傳統(tǒng)的單片機(jī)課程理論教學(xué)是以板書+PPT的方式按部就班進(jìn)行的。在理論教學(xué)時(shí)教師先講解單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)及原理，再介紹單片機(jī)編程語(yǔ)言，最后講解單片機(jī)的片內(nèi)資源及接口技術(shù)。這樣的教學(xué)過程看似循序漸進(jìn)無可挑剔，但是，教學(xué)過程中學(xué)生處于被動(dòng)接受的地位，教師滿堂灌，學(xué)生被動(dòng)學(xué)，學(xué)生的課堂參與度不高，使得原本就枯燥、抽象的理論知識(shí)更不易被學(xué)生掌握，長(zhǎng)此以往會(huì)使他們覺得單片機(jī)理論知識(shí)難懂難學(xué)，失去學(xué)習(xí)興趣。另外，單片機(jī)教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)嚴(yán)重，沒有實(shí)現(xiàn)較好的融合，且實(shí)踐課教學(xué)目前僅能起到使學(xué)生對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用有一個(gè)普及性認(rèn)識(shí)的作用，由于受學(xué)時(shí)數(shù)的限制，多數(shù)高校一門課的實(shí)踐課時(shí)并不多，要想通過短期實(shí)踐課程掌握單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到獨(dú)立完成基于單片機(jī)的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是非常困難的。因此，如何做到將實(shí)踐過程貫穿于整個(gè)理論教學(xué)的過程中，做到課程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合是決定整個(gè)單片機(jī)課程教學(xué)效果的關(guān)鍵。

在教學(xué)效果評(píng)價(jià)方面，單片機(jī)課程考核重理論輕應(yīng)用現(xiàn)象突出，沒有起到引導(dǎo)學(xué)生注重實(shí)踐能力培養(yǎng)的作用。目前對(duì)于單片機(jī)課程的考核主要是以閉卷考試為主，導(dǎo)致多數(shù)同學(xué)對(duì)課程知識(shí)的學(xué)習(xí)只是停留在記憶或理解的階段，并不能很好地將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際的控制問題中去。

2 仿真平臺(tái)引入課程教學(xué)的重要性

單片機(jī)課程具有理論知識(shí)體系嚴(yán)謹(jǐn)、抽象、邏輯性和應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)[2],單片機(jī)原理及其應(yīng)用課程課堂教學(xué)比較抽象，不能直觀展示在學(xué)生眼前，使得學(xué)生難以理解授課重點(diǎn)和難點(diǎn)[3]。為解決傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中存在的問題，提高課程教學(xué)效果，本文采用Proteus結(jié)合Keil C51構(gòu)建仿真平臺(tái)并將其融入到單片機(jī)課程教學(xué)的整個(gè)過程中。

Proteus軟件是由英國(guó)Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，軟件功能強(qiáng)大，集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多種功能于一身，是目前最先進(jìn)、最完善的可視化設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)[4]。Proteus擁有強(qiáng)大的元件庫(kù)和豐富的仿真實(shí)驗(yàn)工具，具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成系統(tǒng)的仿真等功能，支持的單片機(jī)類型有MCS-51、AVR、DSP、ARM等[5]。Keil C51是一種專門為單片機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)的高效C語(yǔ)言編譯器，同時(shí)還支持PLM、匯編等語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)[6]。

在進(jìn)行單片機(jī)理論教學(xué)時(shí)，如果教師上課過程中僅僅介紹理論知識(shí)，沒有結(jié)合生動(dòng)形象的應(yīng)用案例來輔助教學(xué)，學(xué)生將很難完全理解授課內(nèi)容，容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，也不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣。Proteus提供了豐富的元器件及芯片庫(kù)，具有強(qiáng)大的系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)功能，通過軟件就可以完成系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)、電路分析及系統(tǒng)功能測(cè)試等任務(wù)。教師在講解硬件電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容時(shí)可結(jié)合Proteus進(jìn)行講解，一方面可以向?qū)W生展示系統(tǒng)硬件電路的具體設(shè)計(jì)過程，另一方面也使教學(xué)過程變得生動(dòng)形象，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。在介紹軟件指令系統(tǒng)和C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)時(shí)，可將Keil C51融入程序設(shè)計(jì)內(nèi)容部分的教學(xué)，通過Keil C51的調(diào)試過程，學(xué)生可以直觀地了解到某一行或幾行語(yǔ)句執(zhí)行后單片機(jī)相關(guān)寄存器所發(fā)生的改變，讓他們切實(shí)感受到程序設(shè)計(jì)的魅力。相比于教師對(duì)照PPT逐行介紹指令功能，照本宣科的教學(xué)方式，這樣的教學(xué)方式會(huì)更加容易將學(xué)生帶入課程教學(xué)的情景中，增強(qiáng)師生間的互動(dòng)，提高教學(xué)效果。

對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)的同學(xué)來說實(shí)踐課程至關(guān)重要，尤其像單片機(jī)這種理論和實(shí)踐聯(lián)系緊密的課程。但由于受實(shí)踐時(shí)間及實(shí)踐場(chǎng)地的限制，在單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生的實(shí)踐訓(xùn)練機(jī)會(huì)非常有限，導(dǎo)致理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的嚴(yán)重脫節(jié)。通過軟件Proteus和Keil C51學(xué)生完全可以在自己的電腦上構(gòu)建功能強(qiáng)大的單片機(jī)仿真平臺(tái)，完成單片機(jī)軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試過程。這樣不僅可以打破單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)受時(shí)間和場(chǎng)地的限制，學(xué)生自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也可以在仿真平臺(tái)上得到及時(shí)的驗(yàn)證。解決了單片機(jī)課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)的問題，同時(shí)還可以為學(xué)生創(chuàng)新能力、系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平的提升提供巨大的空間。

將仿真平臺(tái)融入課程教學(xué)后，學(xué)生可以充分利用課余時(shí)間發(fā)揮各自的潛能，結(jié)合所學(xué)理論知識(shí)設(shè)計(jì)出體現(xiàn)各自水平的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，這就為改變傳統(tǒng)單片機(jī)課程考核方式創(chuàng)造了條件，解決目前課程考核重理論輕應(yīng)用的問題，徹底從考核方式上引導(dǎo)學(xué)生注重理論知識(shí)的創(chuàng)新應(yīng)用，注重實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

3 仿真平臺(tái)在單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)中的應(yīng)用

本文以開關(guān)控制LED項(xiàng)目為例，介紹仿真平臺(tái)在單片機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用。在介紹完單片機(jī)最小系統(tǒng)后，為使學(xué)生對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，教師可以在課程教學(xué)中結(jié)合仿真平臺(tái)向同學(xué)展示該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程。項(xiàng)目要求：用3個(gè)按鍵控制8個(gè)LED按不同的方式點(diǎn)亮，當(dāng)按下K1時(shí)，8個(gè)LED全部點(diǎn)亮；當(dāng)按下K2時(shí)，8個(gè)LED逐個(gè)依次點(diǎn)亮并循環(huán)下去；當(dāng)按下K3時(shí)，8個(gè)LED全部熄滅。

3.1 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)框圖

依據(jù)項(xiàng)目要求，給學(xué)生分析清楚項(xiàng)目設(shè)計(jì)中需要考慮的問題，如LED的驅(qū)動(dòng)問題，按鍵及LED與單片機(jī)接口的問題等，待相關(guān)問題都明確后，確定項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，畫出項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

圖1 開關(guān)控制LED項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)框圖

3.2 項(xiàng)目硬件電路設(shè)計(jì)

由項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)框圖可知，硬件電路設(shè)計(jì)包括：按鍵電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)以及時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。時(shí)鐘電路為單片機(jī)工作提供時(shí)鐘信號(hào)，由2個(gè)電容和1個(gè)12MHz的晶振構(gòu)成；復(fù)位電路采用上電復(fù)位電路；顯示電路由74LS245芯片、排阻以及發(fā)光二極管構(gòu)成。通過Proteus設(shè)計(jì)的仿真原理圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)控制LED項(xiàng)目仿真原理圖

3.3 項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)按鍵對(duì)LED的控制，主要包括按鍵信息讀取子程序設(shè)計(jì)和LED顯示子程序設(shè)計(jì)。這個(gè)環(huán)節(jié)教師可以提出該項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的一些問題，如為什么要考慮按鍵的消抖問題，為了達(dá)到逐個(gè)依次顯示的效果，相鄰兩個(gè)LED之間的時(shí)間間隔應(yīng)該如何考慮。教師通過這樣一些具體問題的引導(dǎo)，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

3.4 仿真調(diào)試

在利用Proteus設(shè)計(jì)好仿真原理圖以及Keil C51編好程序后，就可進(jìn)入項(xiàng)目的仿真調(diào)試階段。通過仿真調(diào)試學(xué)生可以直觀地了解到硬件電路和軟件程序的運(yùn)行情況，可以驗(yàn)證項(xiàng)目硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)中存在的問題，積累項(xiàng)目設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)過程中存在的一些問題，通過將以Proteus、Keil C51軟件構(gòu)建的仿真平臺(tái)引入課程教學(xué)，以改變單片機(jī)教學(xué)過程中教師滿堂灌，學(xué)生被動(dòng)學(xué)的不利局面，降低課程理論知識(shí)的學(xué)習(xí)難度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，使他們主動(dòng)融入課程教學(xué)，提高學(xué)習(xí)效率，真正實(shí)現(xiàn)課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的有機(jī)融合，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。