基于Proteus的單片機虛擬仿真探究性實驗項目的設(shè)計與實踐＊

成玲

（中國石油大學(xué)（華東）計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580）

“單片機原理與技術(shù)”是工科院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程實踐性強，要求理論與實踐相結(jié)合，重在應(yīng)用；通過實驗加強學(xué)生對單片機的深入理解，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，提高硬件設(shè)計和動手實踐能力，增強創(chuàng)新意識和團隊合作意識。由于以往單片機實驗主要以實體實驗為主，存在實驗環(huán)境受空間和時間的限制、實驗手段不夠先進、學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的訓(xùn)練不足和能力欠缺等幾個方面的問題，所以需要改革實驗內(nèi)容，增加單片機虛擬仿真探究性實驗項目的設(shè)計，提高項目挑戰(zhàn)度，滿足學(xué)生個性化能力培養(yǎng)的要求。

1 單片機虛擬仿真探究性實驗項目的建設(shè)要求

要調(diào)動學(xué)生參與實驗的主動性和積極性，首先要樹立以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)理念，突出學(xué)生的主體地位。通過自主探究學(xué)習(xí)和自主完成實驗，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和潛能。此外，探索性實驗項目的建設(shè)要結(jié)合學(xué)生的實際水平和需要，科學(xué)設(shè)計準(zhǔn)確、恰當(dāng)?shù)膶嶒灲虒W(xué)內(nèi)容，保證實驗的可行性，體現(xiàn)綜合性和挑戰(zhàn)度?；赑roteus的單片機虛擬仿真探索性實驗項目的開發(fā)，通過設(shè)計一個新穎實用的單片機集成系統(tǒng)，學(xué)生不僅可以獨立設(shè)計功能模塊，還可以看到自己設(shè)計的模塊在整個系統(tǒng)中的運行效果，這使得實驗內(nèi)容富有挑戰(zhàn)性，更體現(xiàn)了綜合性、工程性、探索性和創(chuàng)新性的項目優(yōu)勢。

結(jié)合教學(xué)大綱，線下完成驗證型基礎(chǔ)模塊實驗，而綜合型、創(chuàng)新型、不易實施的設(shè)計實驗可以通過虛擬仿真實驗完成，幫助學(xué)生實現(xiàn)從知識學(xué)習(xí)到實驗動手的跨越，做到理論聯(lián)系實踐，加深對系統(tǒng)的閉合性的理解，同時使學(xué)生從應(yīng)用場景的倒推中感受應(yīng)用性和工程化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的自我設(shè)計、軟硬件設(shè)備的部分自我選擇、實驗流程的自我探究，充分調(diào)動了學(xué)生的主動性，培養(yǎng)了學(xué)生關(guān)于單片機開發(fā)的“實踐”“整合”和“創(chuàng)新”的思維。而小組合作完成項目，充分培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作意識。

2 單片機虛擬仿真探究性實驗項目的設(shè)計

單片機虛擬仿真探究性實驗項目要求利用Proteus仿真和Keil編譯調(diào)試完成環(huán)境構(gòu)建，借鑒模塊化設(shè)計思想整合實驗?zāi)K，對涉及到的基礎(chǔ)模塊進行選擇、搭建和驗證，能夠涵蓋課程中至少三個知識點，配合外部接口電路，設(shè)計完成一個新穎實用的單片機控制系統(tǒng)。學(xué)生通過自由組合形成小組，自主查閱所使用的單片機相關(guān)資料和應(yīng)用案例，團隊自主設(shè)定課題方案，指導(dǎo)教師審核由小組撰寫提交的開題表并進行存檔，并作為考核內(nèi)容，開題表包括題目、組長、成員、簡介、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、涉及技術(shù)和設(shè)備清單組成，通過這種方式保證課題不是“紙上談兵”，也加強了創(chuàng)新性和團隊合作。學(xué)生通過實驗不僅可以熟悉常用的微控制器，還可以將其很好地運用在單片機系統(tǒng)中，更好地支撐課程指標(biāo)點。

2.1 項目需求功能分析

以接水果的經(jīng)典小游戲?qū)嶒灠咐秊槔瑏矸治龌赑roteus的單片機虛擬仿真探究性實驗項目設(shè)計的實驗過程，這個游戲需要完成的主要任務(wù)可以分解為3步：①控制果籃的水平位置，努力接住每一個落下的蘋果，接住得分，漏掉則扣除一定分值；②達到一定分數(shù)則關(guān)卡升級，關(guān)卡等級越高水果掉落速度越快，相應(yīng)游戲難度更大；③完成所有關(guān)卡則通關(guān)。接水果是一個使用Flash制作的圖形化游戲，我們需要利用單片機來模擬控制實現(xiàn)，這個游戲項目包含的單片機的原理知識主要有I/O口的輸入輸出、數(shù)碼管的顯示原理的控制、中斷系統(tǒng)及蜂鳴器等幾個方面。不僅需要對中斷系統(tǒng)各個功能寄存器進行設(shè)置，也需要掌握鍵盤的相關(guān)知識。實驗項目既包括硬件電路設(shè)計，也包括軟件設(shè)計和仿真，是一個綜合程度很高的實驗項目，學(xué)生隨著實驗的深入將逐步接受并運用相關(guān)的理論知識，提升硬件開發(fā)設(shè)計和軟件編程的能力。

2.2 硬件電路設(shè)計

通用的MCS-51單片機的4個8位并行雙向I/O口，可為項目提供游戲操作的輸入和控制接口，3列4行12個發(fā)光二極管顯示游戲過程，數(shù)碼管顯示游戲分數(shù)、游戲局數(shù)等。每列4個LED燈為一組，亮起的燈表示正在下落的水果，每個水平位置同時最多只有一個水果正在下落；這樣每一組燈在有亮起時共有4種狀態(tài)，而3組所有LED燈共有43種也就是26種狀態(tài)，利用P1口P1.0到P1.5六個引腳控制12個發(fā)光二極管，用于顯示游戲內(nèi)容；在3列LED燈下添加3個按鍵，來模擬控制游戲中接水果的果籃，按下某個按鈕代表將果籃移動到該水平位置，果籃不能同時出現(xiàn)在兩個位置，所以不能同時按下兩個按鈕。3個按鈕對應(yīng)3種輸入狀態(tài)，用P1.6和P1.7兩個引腳作為游戲操作的輸入端，按鈕的響應(yīng)采用中斷；游戲的得分等狀態(tài)信息利用四位的數(shù)碼管來顯示；另外，電路中的蜂鳴器可以為玩家在游戲過程中增加更多的體驗反饋。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計和實驗現(xiàn)象

根據(jù)硬件電路設(shè)計，按照系統(tǒng)的功能畫出軟件程序流程圖。對按鈕的響應(yīng)，采用中斷服務(wù)子程序處理，有源蜂鳴器只有一種聲音頻率，通過向蜂鳴器輸出周期不同的高頻方波信號實現(xiàn)產(chǎn)生高低音。按下任何一個按鈕開始游戲，按鈕點擊錯誤，評價顯示F（Fail），同時蜂鳴器低頻震響；成功在某列水果落到第4行時點擊按鈕，評價顯示P（Perfect），同時蜂鳴器高頻震響。3次失誤后，游戲失敗，2 s后進入初始界面?；赑roteus的單片機控制接水果游戲?qū)嶒烅椖繄D如圖1所示。

圖1 基于Proteus的單片機控制接水果游戲?qū)嶒烅椖繄D

3 單片機虛擬仿真探究性實驗項目的實施

探究性實驗打破以往以教師講授為主、學(xué)生被動接收、實驗依據(jù)指導(dǎo)書按部就班完成的模式，采用多種教學(xué)手段有機結(jié)合，具體的實驗組織方案采用分組制，每個人需要提前生成身份碼，每組設(shè)定一個組長負責(zé)協(xié)調(diào)分工，自主設(shè)計實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考、團結(jié)協(xié)作、敢于創(chuàng)新，將實驗項目當(dāng)作開發(fā)“作品”一樣完成。實驗過程不受空間及時間的限制，構(gòu)建以過程評價與能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的多元化、全方位考核評價體系，增加了創(chuàng)新評價和協(xié)作能力評價兩部分分值。實驗驗收可以在線進行，其中一組學(xué)生進行作品的介紹和演示時，其他學(xué)生全都作為評委參與該組作品的評價、交流和探討中。演示要求系統(tǒng)整體模型運行無誤，進行現(xiàn)場作品演示和答辯。最后提交報告、開發(fā)文檔、用戶使用說明書、源代碼、執(zhí)行程序、演示視頻和答辯PPT。

對案例進行分析、歸類，標(biāo)注清楚其技術(shù)應(yīng)用、適用范圍和服務(wù)功能，構(gòu)建“總—分—總”的優(yōu)質(zhì)單片機虛擬仿真實驗探究性實驗項目案例庫。讓學(xué)生有更多的選擇和啟發(fā)，學(xué)生參考案例能夠清楚自選課題所需的技術(shù)、設(shè)備和實現(xiàn)的功能。保持案例庫的先進性和保證案例庫的利用率，加強學(xué)生自主學(xué)習(xí)和綜合實踐的能力，讓創(chuàng)新人才脫穎而出，學(xué)生培養(yǎng)由原來的以知識為導(dǎo)向轉(zhuǎn)向以能力為導(dǎo)向，真正實現(xiàn)學(xué)科專業(yè)認證的目標(biāo)要求。

4 結(jié)語

通過引入基于Proteus的單片機虛擬仿真探究性實驗項目，將“課內(nèi)與課外”“虛擬與實踐”“線上與線下”密切結(jié)合，更易于進行設(shè)計型、綜合型、探索型實驗，虛擬仿真實驗采用的技術(shù)方法不受實驗硬件約束，不受時間場所限制，學(xué)生可以選擇實驗項目自行設(shè)計，拓展學(xué)習(xí)空間，促進差異化、個性化培養(yǎng)，實現(xiàn)線上仿真與線下實踐同步互補、學(xué)生實驗與課外科技活動同步互補等，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分讓學(xué)生“動起來、忙起來”，提升了學(xué)生的實踐與創(chuàng)新能力。