曾 燕，賈振國(guó)

(長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

Proteus 仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

曾 燕，賈振國(guó)

(長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力學(xué)院，長(zhǎng)春130012)

針對(duì)傳統(tǒng)單片機(jī)課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出了應(yīng)用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)的解決方案。詳細(xì)分析了Proteus在單片機(jī)課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了應(yīng)用的教學(xué)效果。

單片機(jī);教學(xué);仿真;Proteus

單片機(jī)及其相關(guān)課程是工科院校電子信息、自動(dòng)化和機(jī)電等專業(yè)的一門(mén)專業(yè)必修課，這就構(gòu)成了單片機(jī)教學(xué)成為相關(guān)院校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)重點(diǎn)。單片機(jī)又是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其自身特性決定了其教學(xué)中的難點(diǎn)較多。而加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，引入Proteus仿真軟件，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室輔助單片機(jī)教學(xué)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，為理論和實(shí)踐教學(xué)提供很好的平臺(tái)。

一、單片機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

(一)理論教學(xué)中存在的問(wèn)題

單片機(jī)課程涉及的知識(shí)面廣、內(nèi)容難度較大，對(duì)抽象思維和邏輯思維要求很高，學(xué)生感到難學(xué)、老師感到難教，所以在教學(xué)當(dāng)中必須把教學(xué)內(nèi)容更為直觀地展示給學(xué)生。以往，教師一般會(huì)把實(shí)驗(yàn)板或者仿真器引入到課堂上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)做演示實(shí)驗(yàn)給學(xué)生看。但效果往往不理想，小小的實(shí)驗(yàn)板和仿真器演示起來(lái)很難看清楚，不能讓所有學(xué)生都觀察到效果，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，教學(xué)效果不佳。所以傳統(tǒng)教學(xué)缺乏有效的演示方法，基本是純理論的語(yǔ)言描述，缺乏直觀對(duì)象的載體，讓聆聽(tīng)者不好理解。

(二)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題

大多數(shù)學(xué)校的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室通常采用實(shí)驗(yàn)箱或者試驗(yàn)板，采取這種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)雖然方便，但是也存在不足。首先，高校使用的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱屬于成品，其電路連接都是已經(jīng)固定連接好的，內(nèi)容只能停留在演示性及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的層次。學(xué)生很難參與到其中的設(shè)計(jì)，也不能充分了解硬件電路的實(shí)際連接情況，動(dòng)手能力得不到訓(xùn)練與提高。其次，單片機(jī)的種類繁多，而實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)板上的資源有限，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室里不可能包括所有種類的單片機(jī)設(shè)備以及各種外圍電路，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容造成了很大的制約。單片機(jī)技術(shù)的迅速更新和發(fā)展，使許多高校設(shè)備落后老化，不斷地購(gòu)買(mǎi)儀器設(shè)備又會(huì)帶來(lái)資金耗費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。第三，實(shí)驗(yàn)箱只有實(shí)驗(yàn)室才有，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，而單片機(jī)課程需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)鞏固課堂知識(shí)，應(yīng)該給學(xué)生創(chuàng)造條件在課后動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯然無(wú)法滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)要求。第四，實(shí)驗(yàn)儀器的損耗與維護(hù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要用到的儀器較多，易造成設(shè)備的損壞，維護(hù)工作量也很大。因此傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在著很大的不足。

二、Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

(一)在教學(xué)中引入“以培養(yǎng)關(guān)鍵能力為核心”的項(xiàng)目教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)法是師生通過(guò)共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，每節(jié)課都圍繞著一個(gè)特定項(xiàng)目展開(kāi)，用項(xiàng)目構(gòu)建本節(jié)課的知識(shí)體系。在項(xiàng)目教學(xué)中，教師圍繞具體項(xiàng)目以模塊方式組織教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做、邊做邊學(xué)，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)這門(mén)課。教師不再把現(xiàn)成知識(shí)技能傳遞給學(xué)生作為教育的唯一目標(biāo)，或者說(shuō)不是簡(jiǎn)單地讓學(xué)生按照教師的安排和講授去得到一個(gè)結(jié)果，而是在教師的指導(dǎo)下，讓學(xué)生把看到的、聽(tīng)到的與手上做的結(jié)合起來(lái)。學(xué)生在尋找這個(gè)結(jié)果的過(guò)程中，學(xué)會(huì)思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，進(jìn)而增強(qiáng)信心、提高學(xué)習(xí)積極性，最后進(jìn)行展示和自我評(píng)價(jià)。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，項(xiàng)目教學(xué)法有效地建立了課堂與實(shí)踐之間的聯(lián)系，能將教學(xué)課題的理論知識(shí)和實(shí)際技能結(jié)合起來(lái);學(xué)生有獨(dú)立制定計(jì)劃并實(shí)施的機(jī)會(huì)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)可以自行組織、安排自己的學(xué)習(xí)行為，使學(xué)生的學(xué)習(xí)更有針對(duì)性和實(shí)用性。

在應(yīng)用項(xiàng)目式教學(xué)的過(guò)程中必須軟件硬件結(jié)合，也就是將程序和外圍電路相結(jié)合。采用虛擬仿真技術(shù)Proteus軟件，則不用制作具體的電路板就能夠完成以上工作，使項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)更加方便經(jīng)濟(jì)。

(二)將Proteus引入單片機(jī)課堂教學(xué)

首先，在單片機(jī)課堂教學(xué)中采用Proteus，可以進(jìn)行大量實(shí)例演示，將原本用語(yǔ)言不便描述的內(nèi)容直觀地展現(xiàn)出來(lái)，一目了然，增強(qiáng)了教學(xué)的生動(dòng)性和直觀性。教師可以開(kāi)發(fā)教學(xué)演示項(xiàng)目，制作一些典型的應(yīng)用系統(tǒng)，比如流水燈、交通燈、數(shù)字鐘及LED顯示等，讓學(xué)生對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。而且Proteus具有用色點(diǎn)顯示芯片管腳狀態(tài)的功能，在仿真過(guò)程中，引腳上的有色小方塊顯示其狀態(tài)，紅色表示低電平，藍(lán)色表示高電平，灰色表示浮空，黃色表示沖突(如兩個(gè)器件同時(shí)向總線上傳送數(shù)據(jù))。這給用戶調(diào)試、演示帶來(lái)方便，教師可通過(guò)單步調(diào)試的方法讓學(xué)生觀察引腳的高低電平變化。

其次，采用Proteus有助于明確概念，解決難點(diǎn)。在單片機(jī)教學(xué)中，P口作為準(zhǔn)雙向口的這個(gè)概念以及如何應(yīng)用、中斷如何產(chǎn)生、LED燈的位選和線選如何區(qū)別等都是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，可以通過(guò)Proteus的演示讓學(xué)生掌握清楚。例如:中斷優(yōu)先級(jí)是教學(xué)中難以掌握的問(wèn)題，以往學(xué)生在課堂聽(tīng)不懂，課后也搞不清?，F(xiàn)在用Proteus在多媒體教室進(jìn)行仿真，學(xué)生也參與操作，顯示直觀清晰。圖1為中斷優(yōu)先級(jí)Proteus仿真演示界面，演示的是“高優(yōu)先級(jí)中斷能中斷低優(yōu)先級(jí)中斷”的仿真片段。應(yīng)用兩個(gè)由按鍵控制的外中斷InT0和InT1，程序設(shè)置InT1為高優(yōu)先級(jí)。啟動(dòng)仿真后，主程序數(shù)碼管從0到9依次顯示反復(fù)循環(huán)。若在顯示3時(shí)按下低優(yōu)先級(jí)按鍵，產(chǎn)生InTO外中斷，則主程序中斷數(shù)碼管顯示停留在3，啟動(dòng)低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序，相應(yīng)數(shù)碼管從0開(kāi)始運(yùn)行。若運(yùn)行到顯示7時(shí)按下高優(yōu)先級(jí)按鍵，產(chǎn)生高優(yōu)先級(jí)InT1外中斷，這時(shí)高優(yōu)先級(jí)中斷打斷低優(yōu)先級(jí)中斷，低優(yōu)先級(jí)數(shù)碼管顯示停留在7，啟動(dòng)高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序。高優(yōu)先級(jí)數(shù)碼管從0開(kāi)始運(yùn)行，直到顯示9后結(jié)束高優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)程序，返回執(zhí)行低優(yōu)先級(jí)尚未完成的中斷服務(wù)程序，結(jié)束后再返回執(zhí)行主程序。學(xué)生通過(guò)觀察和操作，不僅學(xué)懂了，主動(dòng)性也明顯提高，效果很好。

圖1 中斷優(yōu)先級(jí)Proteus的仿真演示

(三)用Proteus改進(jìn)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

利用仿真軟件Proteus構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室，由于軟件的靈活性和較寬的適應(yīng)性，使得可以仿真的內(nèi)容幾乎囊括了單片機(jī)課程的所有知識(shí)點(diǎn)，為實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大靈活性。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生利用Proteus所提供的元器件模型和外設(shè)模型親自設(shè)計(jì)硬件電路圖，獨(dú)立進(jìn)行軟件編程，最后聯(lián)合調(diào)試，并能及時(shí)看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的教學(xué)方法一方面讓學(xué)生了解應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路的結(jié)構(gòu)，鍛煉編程技術(shù)，同時(shí)給學(xué)生提供了較大的創(chuàng)新空間。例如“999秒倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)，該設(shè)計(jì)用到了單片機(jī)端口的定時(shí)器中斷、LED、I/O口擴(kuò)展等硬件功能，同時(shí)涉及到定時(shí)器中斷程序、LED顯示程序、主程序和子程序等主要程序設(shè)計(jì)方法，這些都是單片機(jī)教學(xué)的重點(diǎn)難點(diǎn)。而Proteus仿真動(dòng)態(tài)直觀，過(guò)程與結(jié)果統(tǒng)一，測(cè)量與調(diào)試統(tǒng)一，有助于學(xué)生感性理解和接收，使學(xué)生增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的信心，多個(gè)難點(diǎn)逐步在實(shí)踐中得到解決。圖2為該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與仿真圖，這些都是學(xué)生親自設(shè)計(jì)操作下得出的結(jié)果。

圖2 999秒倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)的仿真演示

Proteus仿真軟件打破了學(xué)習(xí)的時(shí)間限制，開(kāi)拓了學(xué)習(xí)的空間，只要有一臺(tái)電腦，學(xué)生就可以利用課余時(shí)間，在自己的PC上隨時(shí)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。采用Proteus仿真軟件，既節(jié)約大量昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi)用，還能避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn)，和因操作不當(dāng)而造成的儀器儀表的損毀。

在單片機(jī)課程要求的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放性教學(xué)，主要包括兩種開(kāi)放形式:一是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課上沒(méi)有完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，或?qū)ψ鲞^(guò)的實(shí)驗(yàn)存在疑問(wèn);二是處于對(duì)單片機(jī)的興趣，或在原有單片機(jī)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在老師的指導(dǎo)下，自己動(dòng)手，完成單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、焊接、編程、調(diào)試及分析等工作。允許學(xué)生在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行預(yù)約實(shí)驗(yàn)，同時(shí)向自己有微機(jī)的學(xué)生提供仿真所需軟件資源，開(kāi)闊學(xué)生的課外學(xué)習(xí)活動(dòng)空間，鼓勵(lì)學(xué)生參加科技小組活動(dòng)。

(四)用Proteus改革單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

單片機(jī)課程設(shè)計(jì)是以學(xué)生為主的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，需要設(shè)計(jì)一些基于單片機(jī)的系統(tǒng)，以提高學(xué)生的綜合能力。傳統(tǒng)方法中應(yīng)用程序需要在硬件完成的情況下才能進(jìn)行調(diào)試，這就必須進(jìn)行制版、元器件焊接。另外，如需修改硬件，還要重新制版，在時(shí)間和經(jīng)濟(jì)投入上帶來(lái)很大麻煩。利用Proteus的仿真功能，可以使學(xué)生嘗試脫離實(shí)物電路進(jìn)行軟硬件調(diào)試，減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的難度。

在Proteus仿真軟件構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室里，學(xué)生可以根據(jù)教師布置的設(shè)計(jì)項(xiàng)目的任務(wù)和要求自主設(shè)計(jì)，也可以讓學(xué)生根據(jù)自身喜好和掌握知識(shí)的程度自選設(shè)計(jì)題目，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新意識(shí)。等仿真成功之后，再購(gòu)買(mǎi)元器件進(jìn)行電路焊接、系統(tǒng)調(diào)試和程序固化，最終每組獨(dú)立完成一件作品。

三、Proteus的教學(xué)應(yīng)用效果

以往學(xué)生反映單片機(jī)課程難懂、難學(xué)，自從將Proteus仿真演示教學(xué)引入課堂后，學(xué)生普遍反映比以往單純學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)更易于接受。Proteus使抽象變形象，使重點(diǎn)易懂、難點(diǎn)化解，其極為接近實(shí)際的動(dòng)態(tài)演示激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，教學(xué)質(zhì)量明顯提高。在教學(xué)效果調(diào)查表中學(xué)生李××寫(xiě)到:“Proteus促使我對(duì)知識(shí)產(chǎn)生興趣，想親手去做去探索，真的很有趣!”引入Proteus使每個(gè)學(xué)生都擁有一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可在Proteus ISIS窗口中大膽進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試和修改，不用擔(dān)心會(huì)損壞元器件和儀器。由于在安裝實(shí)物作品前就可以看到結(jié)果，所以學(xué)生的膽子大了，獨(dú)立操作能力、主動(dòng)性和創(chuàng)造力都得到發(fā)揮。參加課外科技小組活動(dòng)的學(xué)生在仿真基礎(chǔ)上安裝了實(shí)際電路，實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果一致，成功率很高，而以往不經(jīng)過(guò)仿真，學(xué)生實(shí)際作品的成功率比較低、器件損壞也多。在教學(xué)效果調(diào)查表中學(xué)生秦××寫(xiě)到:“Proteus能及時(shí)顯示電路設(shè)計(jì)的正確性，點(diǎn)擊仿真按鈕，結(jié)果就出來(lái)了。運(yùn)行失敗時(shí)我覺(jué)得沮喪，可在終于成功的時(shí)刻，我欣喜若狂!它讓我充滿自信在面包板上安裝我的作品?！眻D3就是學(xué)生制作的電子秒表的仿真演示圖，其中其數(shù)碼管LED由左向右分別顯示的是分、秒、百分之一秒，有3個(gè)功能操作鍵，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)計(jì)時(shí)、停止計(jì)時(shí)和數(shù)碼管顯示清零功能。

圖3 電子秒表的仿真演示

因此，Proteus仿真促使了單片機(jī)實(shí)踐活動(dòng)的成功，提高了學(xué)生對(duì)實(shí)際單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和制作能力。實(shí)踐證明:Proteus是學(xué)生學(xué)與用、理論與實(shí)踐相結(jié)合的優(yōu)秀平臺(tái)。

四、結(jié)束語(yǔ)

Proteus仿真軟件不僅能仿真單片機(jī)CPU的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒(méi)有單片機(jī)參與的其他電路的工作情況。在程序調(diào)試、系統(tǒng)仿真時(shí)，不僅能觀察到程序執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器等內(nèi)容變化，而且從工程的角度直觀地看到了外圍電路工作情況，非常接近實(shí)際工程應(yīng)用。

實(shí)踐證明，Proteus軟件在單片機(jī)及相關(guān)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的有效開(kāi)展，有助于學(xué)生有效地掌握所學(xué)知識(shí)，縮短從理論知識(shí)到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程;有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，對(duì)單片機(jī)教學(xué)具有指導(dǎo)意義。但必須指出，仿真不能完全代替實(shí)物，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到很多新的問(wèn)題，我們不可能拋棄已有的教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)手段而僅僅依靠虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。只有將Proteus的仿真結(jié)果應(yīng)用于具體電路系統(tǒng)，才能真正鍛煉學(xué)生的軟硬件綜合開(kāi)發(fā)能力。

［1］候玉寶，等.基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008，52 －57.

［2］喬建華，等.Proteus在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用分析［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(3):70 －73.

［3］伍馮潔，等.Proteus與Keil在單片機(jī)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(6):100 －103.

The applicationof Protues simulation technology in single-chip microcomputer teaching

ZEnG Yan，et al.

(School of Energy and Power，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China)

In view of the problems in traditional singlechip microcomputer teaching，this paper proposes a solution used by Protues'simulation software.This paper analyzes Protues application characteristic in the singlechip microcomputer classroominstruction，experiment and the curriculum project in detail，and explains the teaching result by examples.It holds that the use of Protues simulation software can fully enhance the efficiency of MCU teaching and is worthy of recommendation.

Single-chip microcomputer;teaching;simulation;Protues

G64

A

1009-8976(2011)01-0132-03

2010－11－30

吉林省高等教育教學(xué)研究課題(項(xiàng)目編號(hào):2005－5)作者簡(jiǎn)介:曾燕(1970—)，女(漢)，湖南醴陵，副教授主要研究自動(dòng)控制、仿真技術(shù)。