ＰＲＯＴＥＵＳ在單片機教學中的應用

摘要：介紹了PROTEUS軟件的特點及其在單片機的課堂教學、實驗教學及課程設計中的應用。實踐表明，PROTEUS軟件的引入能夠彌補傳統教學方法的不足，有助于激發學生的學習興趣，培養學生的實驗能力及系統開發能力。

關鍵詞：PROTEUS；單片機；課堂教學；實驗教學；課程設計

單片機以其功能強、體積小、抗干擾性能好等優點，在過程控制、智能儀器儀表、機電一體化產品、智能接口等領域得到了廣泛的應用。掌握單片機應用技術已成為電類專業大學生和相關工程技術人員的迫切需求。我校的自動化、電氣工程、電子信息工程、電子科學與技術、計算機應用、測控技術與儀表、機電一體化等專業都開設了單片機課程，并將其列為重要的技術基礎課或專業主干課。單片機課程在教學中普遍存在入門難、理論與實踐脫節、學生開發能力難以培養等問題。為了提高教學質量，增強教學效果，不少從事單片機教學的同行曾撰文對單片機教學改革問題進行了深入的探討，內容涉及課堂教學、實驗、課程設計等多個環節。其中一些舉措確實能很好地激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力，但由于課時、實驗環境、輔導力量等的限制，學生的受益面不大，只有很少一部分學生具備獨立開發單片機系統的能力。原因在于傳統的單片機系統開發流程較為復雜，一般要經過項目分析、電路設計、電路板制作、元器件安裝焊接、硬件調試、軟件調試、系統調試等步驟，若出現問題，有時需要對硬件和軟件進行反復的修改。費時費力的開發過程往往容易使學生在學習中受挫，而且由于受開發成本和開發速度的影響，學生不可能得到充分的訓練。一直以來，人們渴望能夠借助PC機在虛擬環境下完成上述的所有過程，待方案成熟、排除一切不確定性因素之后再進行實際的制作。單片機系統仿真工具PROTEUS的出現使這一設想成為可能。筆者在熟悉PROTEUS之后，將其引入到單片機教學的各個環節，并收到了很好的效果。

將PROTEUS引入單片機課堂教學

用PROTEUS實例激發學生的學習興趣為了提高學生的學習興趣，以前在上第一次課的時候往往要向學生列舉大量的實例說明單片機技術的實用性及其應用的廣泛性。為了增強直觀效果，借助幻燈片展示大量的單片機制作產品的圖片；另外將上屆學生的課程設計作品和自己科研項目中制作的樣機拿到課堂供學生觀看。這些舉措確實能起到一定的效果，但這些圖片和作品所展現的內容畢竟有限，學生很難領悟到單片機在這些制作中的作用與地位。在接觸PROTEUS之后，筆者運用PROTEUS制作了一些典型的應用系統（如流水燈、交通燈、數字鐘、LCD顯示等），并從互聯網上搜集了不少單片機愛好者開發的優秀作品，學生反響強烈，興趣大增。

利用PROTEUS增強教學直觀效果，提高課時利用率在單片機課堂教學中，教師經常需要對單片機和接口芯片引腳的電平變化進行分析，傳統的講解方法費時費力且不直觀。雖然可以借助Keil C51、Wave等仿真軟件來觀察各端口的變化，但顯示的只是0、1兩種狀態，直觀性不是很強。PROTEUS具有用色點顯示芯片管腳狀態的功能，教師可通過單步調試的方法讓學生觀察引腳的高低電平變化。另外，也可通過示波器、邏輯分析儀和發光二極管進行觀察。例如，中斷系統中關于中斷優先級設定、外部中斷觸發方式、中斷嵌套等內容較為抽象，即使通過實驗裝置來演示，也只能看到表面結果。用PROTEUS軟件可以方便地演示中斷系統的細節內容，加深學生對知識的理解。講課的生動性和直觀性增強后，可以節省時間用來給學生補充更多的實例，以拓寬知識面，提高課時利用率。

借助PROTEUS化解教學難點在單片機教學中，串行通訊是一個難點，傳統的教學方法很難使學生透徹理解雙機通訊、多機通訊以及PC機與單片機之間的通訊過程。實驗條件也限制了這些通訊過程的演示。因此，串行通訊這一難點往往沒有成為教學的重點，而實際上串行通訊在實際中的應用是很廣泛的。有了PROTEUS之后，這一問題便迎刃而解。

用PROTEUS制作的單片機雙機通訊例子如圖1所示，串口工作方式為方式1，波特率相同，主機循環向從機發送0~9，從機接收到數據后加1再回送給主機。通過對硬件電路和程序代碼的分析，學生對單片機之間的通訊有了清晰的認識。

圖1單片機雙機通訊仿真實例

對于A/D，D/A，LED動態顯示等其他難點知識也可以通過PROTEUS來進行仿真。筆者認為有了PROTEUS軟件的支持，以往的難點知識都變得易于講解。

用PROTEUS改進單片機實驗教學

單片機課程的實踐性很強，實驗環節的教學應引起高度重視。傳統的單片機實驗只能在單片機實驗箱上完成設備現有的實驗項目，學生在做實驗時往往只是演示一下就算完成任務，很少追究實驗本身所體現的問題，也不能通過實驗理解相關的理論知識。我校單片機實驗室配有清華TSC51/196單片機實驗箱，該實驗箱提供了20多個實驗項目，也可用來開發其他實驗項目。由于受實驗課時的限制，我們挑選了其中幾個具有代表性的實驗要求學生完成。學生雖然熟悉了實驗步驟和操作，但在不了解整個實驗箱系統的構成及軟硬件資源的情況下不可能去開發綜合性實驗，僅停留在演示性、驗證性實驗的層次。學生做完實驗以后，對實驗的具體硬件電路和程序編寫知之甚少。為了解決這個問題，可以在開放單片機實驗室的同時將PROTEUS軟件引入到實驗教學環節中。要求學生在實驗課前運用PROTEUS對實驗項目進行仿真，在設計硬件電路和編寫程序時考慮實驗箱的資源狀況，以確保仿真的結果可以在實驗箱上實現。而PROTEUS所提供的元器件模型、外設模型和儀器儀表完全可以滿足這一要求。學生如果按照這種方法將所有實驗做一遍，就相當于自己設計了20多個最小的應用系統，收獲可想而知。學生在PC機上仿真成功后再用實驗箱做實驗，能夠做到目的明確，思路清晰，軟硬件理解透徹，收到很好的實驗效果。上述方法既保證了實驗的質量和數量，又減少了實驗箱的損耗和實驗經費的投入。

對于仿真實驗，以前的做法是先將目標板(電子鐘實驗板)的硬件構成介紹給學生，讓學生在課前編寫軟件并在Wave軟件下進行模擬仿真。在實驗課上將目標板、仿真器、編程器、單片機、電源交給學生，由學生去熟悉仿真器并完成仿真實驗。在四個學時中，學生可以很好地掌握仿真器、編程器的使用，但是大多數學生編寫的軟件不能實現要求的功能，往往要花費很多時間來修改調試程序。為了解決這一問題，要求學生先運用PROTEUS對電子鐘進行仿真（如圖2所示），這樣，有計算機的學生在課下就有充分的時間去設計電路和編制程序，仿真實驗的成功率明顯提高，少數系統不能正常工作的原因主要是目標板出現了硬件故障。

圖2電子鐘點仿真實例

用PROTEUS改革單片機課程設計

PROTEUS在仿真實驗中的成功應用為課程設計改革提供了很好的思路和方法。在今后的單片機課程設計中，完全可以打破過去全班只有一兩個題目的局面，讓學生根據愛好和掌握知識的程度自由發揮設計題目，培養學生的自主創新意識。教師與學生共同探討方案的可行性之后，由學生在PROTEUS中設計硬件電路，編制程序并調試。等仿真成功之后，由學生購買元器件并進行電路焊接、系統調試和程序固化，最終每人獨立完成一件作品。

以上是筆者將PROTEUS軟件引入單片機教學中所做的一些探討，這一做法較好地彌補了傳統教學方法中的不足。實踐表明，這種方法效果顯著，主要體現在學生的學習熱情高漲，實驗能力和開發能力較前幾屆學生有了較大提高。在今年的畢業設計中，已有不少學生采用PROTEUS進行前期的仿真。總之，PROTEUS的出現為我們學習和使用單片機提供了一條有效的途徑，而且這種作用將會越來越明顯。需要注意的是，仿真不能完全代替實物，在實際應用中會遇到很多新的問題，我們不可能拋棄已有的教學模式和實驗手段而僅僅依靠虛擬的實驗環境。

參考文獻：

[1]劉雪雪.談用Proteus改善現有單片機實驗室[J].中國科學教育，2005，（16）.

[2]周紹平.單片機教學改革的實踐與思考[J].揚州職業大學學報，2004，（2）.

作者簡介：

王莉（1975—），女，河南溫縣人，河南理工大學電氣學院講師，主要從事工業過程計算機控制方面的研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。