基于Proteus的單片機虛擬仿真探究性實驗項目的設計與實踐＊

成玲

（中國石油大學（華東）計算機科學與技術學院，山東 青島266580）

“單片機原理與技術”是工科院校物聯網工程專業一門重要的專業基礎課程，課程實踐性強，要求理論與實踐相結合，重在應用；通過實驗加強學生對單片機的深入理解，培養學生分析問題和解決問題的能力，提高硬件設計和動手實踐能力，增強創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，存在實驗環境受空間和時間的限制、實驗手段不夠先進、學生解決復雜工程問題的訓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容，增加單片機虛擬仿真探究性實驗項目的設計，提高項目挑戰度，滿足學生個性化能力培養的要求。

1 單片機虛擬仿真探究性實驗項目的建設要求

要調動學生參與實驗的主動性和積極性，首先要樹立以學生為中心的實驗教學理念，突出學生的主體地位。通過自主探究學習和自主完成實驗，激發學生學習的興趣和潛能。此外，探索性實驗項目的建設要結合學生的實際水平和需要，科學設計準確、恰當的實驗教學內容，保證實驗的可行性，體現綜合性和挑戰度。基于Proteus的單片機虛擬仿真探索性實驗項目的開發，通過設計一個新穎實用的單片機集成系統，學生不僅可以獨立設計功能模塊，還可以看到自己設計的模塊在整個系統中的運行效果，這使得實驗內容富有挑戰性，更體現了綜合性、工程性、探索性和創新性的項目優勢。

結合教學大綱，線下完成驗證型基礎模塊實驗，而綜合型、創新型、不易實施的設計實驗可以通過虛擬仿真實驗完成，幫助學生實現從知識學習到實驗動手的跨越，做到理論聯系實踐，加深對系統的閉合性的理解，同時使學生從應用場景的倒推中感受應用性和工程化。系統結構的自我設計、軟硬件設備的部分自我選擇、實驗流程的自我探究，充分調動了學生的主動性，培養了學生關于單片機開發的“實踐”“整合”和“創新”的思維。而小組合作完成項目，充分培養了學生的團隊協作意識。

2 單片機虛擬仿真探究性實驗項目的設計

單片機虛擬仿真探究性實驗項目要求利用Proteus仿真和Keil編譯調試完成環境構建，借鑒模塊化設計思想整合實驗模塊，對涉及到的基礎模塊進行選擇、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，設計完成一個新穎實用的單片機控制系統。學生通過自由組合形成小組，自主查閱所使用的單片機相關資料和應用案例，團隊自主設定課題方案，指導教師審核由小組撰寫提交的開題表并進行存檔，并作為考核內容，開題表包括題目、組長、成員、簡介、系統結構圖、涉及技術和設備清單組成，通過這種方式保證課題不是“紙上談兵”，也加強了創新性和團隊合作。學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中，更好地支撐課程指標點。

2.1 項目需求功能分析

以接水果的經典小游戲實驗案例為例，來分析基于Proteus的單片機虛擬仿真探究性實驗項目設計的實驗過程，這個游戲需要完成的主要任務可以分解為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達到一定分數則關卡升級，關卡等級越高水果掉落速度越快，相應游戲難度更大；③完成所有關卡則通關。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，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、數碼管的顯示原理的控制、中斷系統及蜂鳴器等幾個方面。不僅需要對中斷系統各個功能寄存器進行設置，也需要掌握鍵盤的相關知識。實驗項目既包括硬件電路設計，也包括軟件設計和仿真，是一個綜合程度很高的實驗項目，學生隨著實驗的深入將逐步接受并運用相關的理論知識，提升硬件開發設計和軟件編程的能力。

2.2 硬件電路設計

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個發光二極管顯示游戲過程，數碼管顯示游戲分數、游戲局數等。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，而3組所有LED燈共有43種也就是26種狀態，利用P1口P1.0到P1.5六個引腳控制12個發光二極管，用于顯示游戲內容；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，果籃不能同時出現在兩個位置，所以不能同時按下兩個按鈕。3個按鈕對應3種輸入狀態，用P1.6和P1.7兩個引腳作為游戲操作的輸入端，按鈕的響應采用中斷；游戲的得分等狀態信息利用四位的數碼管來顯示；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 系統軟件設計和實驗現象

根據硬件電路設計，按照系統的功能畫出軟件程序流程圖。對按鈕的響應，采用中斷服務子程序處理，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產生高低音。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。基于Proteus的單片機控制接水果游戲實驗項目圖如圖1所示。

圖1 基于Proteus的單片機控制接水果游戲實驗項目圖

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、學生被動接收、實驗依據指導書按部就班完成的模式，采用多種教學手段有機結合，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，每組設定一個組長負責協調分工，自主設計實驗方案，引導學生獨立思考、團結協作、敢于創新，將實驗項目當作開發“作品”一樣完成。實驗過程不受空間及時間的限制，構建以過程評價與能力培養為導向的多元化、全方位考核評價體系，增加了創新評價和協作能力評價兩部分分值。實驗驗收可以在線進行，其中一組學生進行作品的介紹和演示時，其他學生全都作為評委參與該組作品的評價、交流和探討中。演示要求系統整體模型運行無誤，進行現場作品演示和答辯。最后提交報告、開發文檔、用戶使用說明書、源代碼、執行程序、演示視頻和答辯PPT。

對案例進行分析、歸類，標注清楚其技術應用、適用范圍和服務功能，構建“總—分—總”的優質單片機虛擬仿真實驗探究性實驗項目案例庫。讓學生有更多的選擇和啟發，學生參考案例能夠清楚自選課題所需的技術、設備和實現的功能。保持案例庫的先進性和保證案例庫的利用率，加強學生自主學習和綜合實踐的能力，讓創新人才脫穎而出，學生培養由原來的以知識為導向轉向以能力為導向，真正實現學科專業認證的目標要求。

4 結語

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