Proteus仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)實踐中的應(yīng)用＊

龐寶麟，封岸松，李 帥

（沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110000）

單片機(jī)技術(shù)屬于嵌入式技術(shù)，近年來在信息電子工程領(lǐng)域迅速發(fā)展。隨著科技的進(jìn)步，計算機(jī)等相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，社會上對相關(guān)人才的需求也迅速增長，相應(yīng)的單片機(jī)這類課程的重要性也越來越明顯。目前大多數(shù)工科專業(yè)都開設(shè)相關(guān)課程，因此單片機(jī)相關(guān)課程已成為工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)一直是采用傳統(tǒng)的“老師講，學(xué)生聽”的教學(xué)模式，教學(xué)過程枯燥，教學(xué)以理論教學(xué)為主，理論與實際結(jié)合相脫節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，缺乏獨立思考和分析解決問題的能力。在工科院校的教育改革過程中，人們越來越認(rèn)識到實踐環(huán)節(jié)的重要性[1]。隨著科技的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及移動通信技術(shù)大面積普及，傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)培養(yǎng)單片機(jī)應(yīng)用型人才的教學(xué)要求。針對這種情況很多學(xué)校都進(jìn)行了相應(yīng)的單片機(jī)教學(xué)改革，如增加實踐環(huán)節(jié)的比例、采用慕課及線上線下混合式教學(xué)等新型的教學(xué)形式。為了能讓學(xué)生真正掌握單片機(jī)技術(shù)，積極主動地去學(xué)習(xí)單片機(jī)方面的相關(guān)知識，亟需改變教學(xué)模式[2]。

1 單片機(jī)教學(xué)模式探討

目前，隨著教學(xué)改革的推進(jìn)，越來越多的教學(xué)模式涌現(xiàn)出來，如慕課、微課、線上線下混合式教學(xué)等。

1.1 慕課

慕課（Massive Open Online Course，MOOC）是近幾年興起的一種在線教育方式，里面涵蓋了一些重點學(xué)府的課程，比如武漢大學(xué)、西安交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)的課程，內(nèi)容面也廣，幾乎各個專業(yè)都有，如經(jīng)濟(jì)學(xué)、建筑、計算機(jī)等。慕課以錄像形式呈現(xiàn)，并附有講義和作業(yè)。只要在規(guī)定的時間內(nèi)學(xué)完課程，并按時交作業(yè)，參加期末考試，通過考試后就會得到電子結(jié)業(yè)證書。這種學(xué)習(xí)方式基本上不受時間和地點的限制，除了專業(yè)課程，學(xué)生還可以學(xué)習(xí)各種感興趣的其他課程。

1.2 微課

微課是指運用信息技術(shù)按照認(rèn)知規(guī)律，呈現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)內(nèi)容、過程及擴(kuò)展素材的結(jié)構(gòu)化數(shù)字資源。微課的主要特征是：主持人講授性、主持人可以出鏡、可以畫外音、流媒體播放性。它可以以視頻、動畫等形式基于網(wǎng)絡(luò)流媒體播放。微課教學(xué)時間較短、教學(xué)內(nèi)容較少、資源容量較小，適用于移動設(shè)備的學(xué)習(xí)。

1.3 混合式教學(xué)

混合式教學(xué)即將在線教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢結(jié)合起來的一種“線上+線下”的教學(xué)。通過2種教學(xué)形式的有機(jī)結(jié)合，可以把學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。

近2年由于疫情的原因，很多高校在整個學(xué)期都采用了線上教學(xué)模式，由于單片機(jī)課程屬于理論和實際結(jié)合十分緊密的課程，受到教學(xué)環(huán)境和硬件條件的限制，線上實踐類環(huán)節(jié)采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式較為困難。單片機(jī)教學(xué)所對應(yīng)的實踐課時較少，采用傳統(tǒng)的硬件開發(fā)板進(jìn)行單片機(jī)實驗項目時，一些實驗項目需要示波器、萬用表等設(shè)備，學(xué)生在線下需要購買相應(yīng)設(shè)備，成本較高，因此課后很難有再實踐的機(jī)會；并且由于是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，教師無法臨場指導(dǎo)，采用硬件開發(fā)板需要進(jìn)行硬件連接，然后將軟件燒錄到芯片中，再進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，實驗就無法進(jìn)行，學(xué)習(xí)效率較低。同時由于單片機(jī)類課程涉及到的相關(guān)課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)很多是較為復(fù)雜的系統(tǒng)，開發(fā)板電路固定，有些設(shè)計無法采用，需要自己焊接電路，增大了學(xué)習(xí)成本。為了解決以上問題，可以將Proteus仿真應(yīng)用在單片機(jī)教學(xué)實踐中[3]。

2018年教育部高等教育司吳巖司長提出：“各高校要全面梳理各門課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰‘水課’、打造‘金課’，合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學(xué)質(zhì)量”。這是教育部文件中第一次正式使用“金課”這個概念。國家層面上已經(jīng)為打造“金課”提供了必要條件，如為建設(shè)中國“金課”提供政策保障、組織保障、機(jī)制保障、評價保障、經(jīng)費保障共5大方面的保障，實施一流課程的“雙萬”計劃。建設(shè)1萬門國家級一流線上線下精品課程，也叫國家“金課”；打造1萬門省部級一流線上線下的精品課程，也叫地方高校的“金課”，通過優(yōu)質(zhì)的“金課”來提高學(xué)生們的綜合能力。而把Proteus仿真軟件用于單片機(jī)實踐環(huán)節(jié)可以真正助力單片機(jī)的“金課”建設(shè)。

2 Proteus仿真軟件在教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 Proteus仿真軟件簡介

Proteus軟件作為現(xiàn)代輔助工程設(shè)計工具，是一款由英國Lab Center Electronics公司研發(fā)的軟件。除了具有其他EDA（Electronic Design Automation）工具的功能外，它可以結(jié)合電子技術(shù)、單片機(jī)等進(jìn)行電路設(shè)計，有效降低設(shè)計難度，減少工作量，尤其可以減少元器件的損耗，降低設(shè)計成本；同時仿真效果較好、兼容度高，只要一臺電腦就可以安裝使用，十分適合線上實踐環(huán)節(jié)的展開[4]。

2.2 Proteus仿真軟件的優(yōu)勢

Proteus仿真軟件既可以設(shè)計印刷電路板，又可以在線仿真；既可以仿真模擬電路，又可以仿真數(shù)字電路，同時本身支持Keil、IAR等多種編譯工具，編譯好的程序可以直接運行無需下載。該仿真軟件的仿真庫里具有AVR、PIC、51、ARM、8086等多種常用芯片，近年來又增加了國內(nèi)流行的STM32和DSP系列處理器，庫中的常用元件超過了27 000多種。單片機(jī)常用的一些外圍器件，如I2C接口的存儲芯片和并行接口鍵盤顯示芯片，各種類型的顯示器，如LED、LCD、LED點陣等一應(yīng)俱全，常用的外設(shè)芯片如8155、8255，AD/DA芯片如0832、0808以及時鐘芯片DS1302等都可以在庫中找到。同時該軟件提供各種典型的終端，如示波器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等；提供各種輸入源，如溫度傳感器，脈沖輸入信號等。且該軟件仿真顯示生動，如示波器類動態(tài)器件可實時調(diào)節(jié)波形大小等。

2.3 基于Proteus的單片機(jī)教學(xué)實例分析

“單片機(jī)原理與應(yīng)用”這門課程一般是理論與實踐相結(jié)合，因此實踐環(huán)節(jié)必不可少，在實踐環(huán)節(jié)中利用Proteus仿真軟件可以讓學(xué)生更直觀地感受單片機(jī)的設(shè)計方法。本門課程的實驗部分設(shè)置了4個實驗，都可以用Proteus進(jìn)行仿真。

下面選取2個典型的實例來進(jìn)行分析。

頻率信號發(fā)生器設(shè)計：要求利用單片機(jī)的定時器設(shè)計一個頻率信號發(fā)生器，發(fā)出方波，方波從對應(yīng)的單片機(jī)IO口輸出。利用Proteus仿真軟件設(shè)計的硬件電路如圖1所示。

圖1 頻率信號發(fā)生器硬件圖

從圖1中可以看到，仿真軟件設(shè)計非常簡單，可以直接繪制單片機(jī)最小系統(tǒng)，然后從單片機(jī)的P1.0接口連接一個虛擬示波器就可以了。相比硬件開發(fā)板連接更簡便，且不容易出錯。

軟件設(shè)計利用Keil軟件進(jìn)行編程，生成Hex文件，也可以直接用Proteus本身的編譯環(huán)境進(jìn)行編程，編程結(jié)束可以直接調(diào)試，調(diào)試結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出顯示界面清晰、波形完整、各個按鈕可調(diào)，同硬件開發(fā)板相比顯示效果更好、干擾更小。

圖2 仿真效果圖

人機(jī)交互接口設(shè)計：要求利用單片機(jī)的鍵盤顯示器實現(xiàn)一個人機(jī)交互系統(tǒng)。按下某一按鍵，在顯示器上顯示對應(yīng)的鍵值。利用Proteus仿真軟件實現(xiàn)的電路圖如圖3所示。

圖3鍵盤/顯示電路圖

從圖3中可以看出，利用該軟件繪制電路圖時，可以選擇矩陣式按鍵和LED數(shù)碼管來實現(xiàn)硬件電路的搭建，電路中的電阻為限流電阻。并且通過圖3可以看出，Proteus軟件繪圖在本實驗中相比硬件開發(fā)板接線簡單，不僅節(jié)省了成本，且顯示器不易燒壞。

軟件設(shè)計利用Keil軟件或Proteus自帶的編譯環(huán)境編輯程序，編譯完畢后運行，就能在軟件中直接查看仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4鍵盤/顯示仿真結(jié)果

從以上2個典型實例中可以看出，Proteus仿真軟件基本上可以替代硬件開發(fā)板來實現(xiàn)實驗程序的設(shè)計，節(jié)省了設(shè)計成本。

3展望

可以將Proteus仿真軟件應(yīng)用于更多的單片機(jī)應(yīng)用場景中，如實驗、單片機(jī)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、各類電子競賽等。Proteus軟件和單片機(jī)相關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)的有效結(jié)合有助于學(xué)生有效地掌握所學(xué)知識，縮短設(shè)計時間，提高教學(xué)效率，對單片機(jī)的實踐教學(xué)有指導(dǎo)意義，對于學(xué)校來說降低了成本。尤其是在疫情時期的線上教學(xué)環(huán)節(jié)，可以完全替代線下實驗，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

4結(jié)語

單片機(jī)的教學(xué)手段是靈活多樣的，教學(xué)方法也因人而異，隨時改進(jìn)教學(xué)方法是十分必要的，只有不斷地改進(jìn)教學(xué)方法才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得較好的學(xué)習(xí)效果。應(yīng)該不斷加大教學(xué)改革和探索的力度，同時Proteus仿真軟件在使用過程中還有一些問題亟待解決，如由于是軟件仿真，跟實際硬件開發(fā)板相比，在開發(fā)項目時沒有仿真出真實環(huán)節(jié)中的干擾問題，對硬件電路的設(shè)計要求沒有實際開發(fā)板嚴(yán)格，電源的大小、變化對電路的影響不明顯及真實的電路虛連問題體現(xiàn)不出來等。未來應(yīng)該在Proteus仿真軟件的使用過程中充分考慮到以上問題，合理利用仿真軟件。