Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)實踐中的應(yīng)用

竇新宇，宋鳳娟

（唐山學(xué)院 專科教育部，河北 唐山063000）

單片機(jī)是一門對實踐環(huán)節(jié)要求很高而且與實際應(yīng)用緊密的課程［1］。把課堂講授環(huán)節(jié)與實踐操作環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來，使學(xué)生具有較強(qiáng)的軟硬件動手能力是課程教學(xué)的主要目的。但此課程的傳統(tǒng)教學(xué)以理論講授為主驗證性實驗為輔，這樣的教學(xué)方法難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，致使部分自動化專業(yè)的畢業(yè)生不能獨立承擔(dān)相關(guān)的系統(tǒng)應(yīng)用和系統(tǒng)研發(fā)，甚至部分學(xué)生在學(xué)完后對單片機(jī)仍沒有基本的認(rèn)識和把握。筆者為了解決傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)中存在的問題，把Proteus軟件應(yīng)用于教學(xué)中，對教學(xué)實踐進(jìn)行了改進(jìn)。

一、單片機(jī)課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

（一）理論教學(xué)存在的問題

首先，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計編排上相對落后，即主要介紹的是單片機(jī)的片硬件組成、匯編語言程序設(shè)計和相關(guān)接口電路。學(xué)生開始接觸相關(guān)內(nèi)容的時候通常沒有感性認(rèn)識，對片內(nèi)資源的應(yīng)用、程序的執(zhí)行及接口電路只是孤立的記憶，缺乏宏觀系統(tǒng)的認(rèn)識，甚至有的學(xué)生到課程結(jié)束后，還不知道中斷服務(wù)子程序是什么時候停止執(zhí)行的。其次，教學(xué)手段上缺乏先進(jìn)的多媒體演示。再次，學(xué)生學(xué)習(xí)成績評價體系相對單一，現(xiàn)行評價中的學(xué)生綜合成績?yōu)槠谀┛荚嚦煽儯ㄕ酆?0%）、平時成績（折合30%）加權(quán)平均后的成績。

（二）實踐教學(xué)存在的問題

傳統(tǒng)的實驗和課程設(shè)計，一般采用單片機(jī)綜合實驗箱。實驗箱的硬件電路都是模塊化的，需要學(xué)生動手設(shè)計的內(nèi)容很少，實驗過程可以概括為：導(dǎo)線連接、程序編寫、程序下載、程序執(zhí)行、驗證結(jié)果。學(xué)生做完實驗后，對硬件電路和程序編寫缺乏系統(tǒng)化概念。與此同時，在實驗箱的使用過程中存在硬件線路鼓掌、人機(jī)配比不符、實驗設(shè)計受時間和空間制約等問題。因此，學(xué)生的實驗操作效果會受到影響，同時也限制了學(xué)生創(chuàng)新思維的養(yǎng)成。畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計成果應(yīng)是建立在設(shè)計原理之上的產(chǎn)物，此時原理圖的設(shè)計就成為一個核心因素，如果原理圖的設(shè)計失誤就會影響后續(xù)PCB的制作效果。如果學(xué)生缺乏實踐經(jīng)驗，容易造成儀器、儀表及元器件的損失浪費(fèi)。

二、單片機(jī)教學(xué)實踐的改進(jìn)

（一）教學(xué)方法的轉(zhuǎn)變

可采用虛擬實驗室與實物演示相融合的教學(xué)方法。虛擬實驗室是指利用單片機(jī)仿真軟件與多媒體技術(shù)，讓學(xué)生生動形象地理解單片機(jī)的程序執(zhí)行過程，用Proteus軟件進(jìn)行硬件仿真、偉福軟件調(diào)試程序的一種試驗方法。教師在課堂的組織方面，首先通過實物演示激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；其次利用Proteus建立的虛擬實驗室演示硬件電路的設(shè)計、程序的編寫調(diào)試以及軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合的運(yùn)行過程。學(xué)生在知識接受的過程中，通過虛擬實驗室不僅能夠更加直觀地掌握單片機(jī)內(nèi)部工作原理，而且能夠從工程實踐的角度學(xué)習(xí)硬件電路設(shè)計和軟件系統(tǒng)調(diào)試，同時還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生利用課余時間還可以把老師講解的案例進(jìn)行擴(kuò)展。例如，在講完“動態(tài)數(shù)碼管顯示方式”后，學(xué)生可以結(jié)合獨立鍵盤操作功能，在原有電路圖上進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)多位計數(shù)器功能。通過這樣的教學(xué)過程，最終實現(xiàn)增強(qiáng)學(xué)生技能的目標(biāo)。

（二）建立Proteus虛擬實驗室

針對虛擬實驗室建立的問題，Proteus軟件為單片機(jī)教學(xué)實踐提供了一種解決手段，借助該軟件對CPU和外圍電路的仿真能力和資源庫，可以代替硬件仿真器進(jìn)行前期的軟硬件調(diào)試［2］。當(dāng)用戶在自己的計算機(jī)里面裝上了Proteus軟件，就如同建立了一個大型的單片機(jī)實驗室，其中有各種當(dāng)今流行的單片機(jī)芯片，幾萬種電子元器件和各種測試儀表，這些資源在實驗室中也很難得到。通過Proteus軟件建立的虛擬實驗室使單片機(jī)的開發(fā)過程相對高效，可以節(jié)約資源，學(xué)生只需一臺裝有Proteus軟件的計算機(jī)就能不受時空限制地進(jìn)行單片機(jī)學(xué)習(xí)與研究，這也解決了實驗室資源緊張的問題。

三、Proteus軟件在教學(xué)實踐中的具體應(yīng)用

（一）將Proteus軟件引入理論課堂教學(xué)

在學(xué)生初步掌握匯編語言后，采用“項目教學(xué)法”增強(qiáng)學(xué)生對知識的應(yīng)用和理解。第一，Proteus軟件主要用于“項目教學(xué)法”實例的演示，以達(dá)到增強(qiáng)直觀性的目的。在教學(xué)過程中引入流水燈、交通燈、電子時鐘等實例，不僅可以讓學(xué)生對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有一個直觀立體的認(rèn)識，而且還有助于學(xué)生進(jìn)一步消化吸收課堂上教師講授的理論內(nèi)容。第二，Proteus軟件有助于直觀理解指令的含義。通過改變仿真模型的程序，觀察運(yùn)行結(jié)果，從而理解編程語句的含義。第三，Proteus軟件有助于理解概念，消化難點。在教學(xué)中，P0－P3口的概念以及應(yīng)用、中斷如何產(chǎn)生等都是較難理解的知識點，但利用Proteus軟件的實例教學(xué)都能得到較好的解決。教師可以利用Proteus軟件特有的色點顯示芯片管腳狀態(tài)的功能，通過單步執(zhí)行程序的方法讓學(xué)生觀察引腳高低電平的變化，能夠較好地解決單片機(jī)時序控制的難題。

（二）利用Proteus軟件改善實驗教學(xué)

單片機(jī)的實踐性對實驗環(huán)節(jié)提出了很高的要求，而課內(nèi)實驗學(xué)時有限，使用實驗箱又受硬件設(shè)備數(shù)量、質(zhì)量的制約，同時實驗箱僅停留在演示性及驗證性的實驗層次。為了解決這個問題，可以利用Proteus軟件建立虛擬實驗室［3－4］。我們將實驗分為三個層次：基礎(chǔ)驗證實驗、綜合開發(fā)實驗、實際創(chuàng)新實驗。學(xué)生可根據(jù)自身能力進(jìn)行實驗?zāi)Ｐ偷慕⒓罢{(diào)試，再利用課內(nèi)實驗通過實驗箱對實驗結(jié)果進(jìn)行驗證，找出理論仿真實驗跟實際硬件實驗的差別，這樣學(xué)生不僅可以了解單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，而且編程水平也得到了進(jìn)一步提高，同時鍛煉了設(shè)計創(chuàng)新能力。教師可以騰出時間在實驗課上有針對性的解決學(xué)生們提出的問題，提高實驗的成功率；還可以根據(jù)不同學(xué)生的特點，設(shè)計開發(fā)出綜合創(chuàng)新性實驗，讓不同層次的學(xué)生都能受益。

（三）采用Proteus軟件改革課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計

在課程設(shè)計過程中，教師要充分考慮課題的實際應(yīng)用性及可擴(kuò)展性。學(xué)生根據(jù)課程設(shè)計內(nèi)容和要求利用Proteus軟件進(jìn)行軟件仿真，而硬件設(shè)計要充分考慮現(xiàn)有實驗箱資源狀況，以使仿真結(jié)果能在實驗箱上實現(xiàn)。在畢業(yè)設(shè)計的過程中，教師與學(xué)生共同探討方案的可行性，由學(xué)生獨立在Proteus軟件環(huán)境中設(shè)計硬件電路、編寫程序并進(jìn)行在線調(diào)試。軟件仿真成功后，再進(jìn)行元器件的焊接操作、系統(tǒng)調(diào)試和程序固化、系統(tǒng)綜合調(diào)試。軟件仿真不受時間、空間的限制，有效地避免因設(shè)計方案失誤造成的資源浪費(fèi)，縮短了產(chǎn)品制作開發(fā)周期，并能夠逐步提高學(xué)生的實驗創(chuàng)新能力和硬件開發(fā)水平。根據(jù)使用Proteus軟件前后實驗室統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，之前使用實驗板的一次成功率為11.5%，使用Proteus后的一次成功率為81.3%。Proteus軟件還可以應(yīng)用到大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練平臺的建立，通過大學(xué)生電子競賽不僅能提高學(xué)生的實際動手能力，而且還能快速提高青年教師的教學(xué)水平。

四、結(jié)語

綜上分析，Proteus軟件有利于促進(jìn)教學(xué)實踐，具有硬件投入少，功能強(qiáng)大，不受實驗室場地限制的優(yōu)勢，在教育經(jīng)費(fèi)有限的情況下，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的不足。Proteus軟件提供的虛擬儀表不但具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，而且提高了課堂教學(xué)效果，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有現(xiàn)實意義。但由于軟件仿真是在理想條件下進(jìn)行的，還不能替代實際硬件電路，在實際應(yīng)用中還會遇到一些問題，因此不能拋棄已有的教學(xué)模式和實驗手段而僅僅依靠虛擬的實驗環(huán)境。

［1］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)［M］.3版.北京：清華大學(xué)出版社，2010：16－18.

［2］曾成.基于虛擬硬件環(huán)境的單片機(jī)原理與應(yīng)用實驗開發(fā)［J］.實驗技術(shù)與管理，2011（2）：91 －93.

［3］胡瑞強(qiáng)，張毅剛.單片機(jī)課程設(shè)計教學(xué)改革探討［J］.實驗技術(shù)與管理，2010（3）：46 －48.

［4］鹿玉紅，李好.Proteus和keil在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.唐山學(xué)院學(xué)報，2010，23（3）：79－81.