張琳芳

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械電子系，福建三明365000)

單片機(jī)原理及應(yīng)用課程作為必修或選修課程已在很多工科院校開設(shè)，這門課程是一門實踐性、應(yīng)用性和邏輯性極強(qiáng)的課程，所以傳統(tǒng)的教學(xué)模式必然滿足不了現(xiàn)實的需求.Proteus是一款性能優(yōu)越的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)平臺，是單片機(jī)原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革的有力助手.因此，基于Proteus技術(shù)的研究將為單片機(jī)教學(xué)改革提供新的思路和方向，具有重要的指導(dǎo)作用.

1 傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)方式存在的問題

1.1 理論教學(xué)缺乏系統(tǒng)性

很多院校的單片機(jī)教學(xué)安排以理論為主，按照教材上的順序，先講單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再講指令系統(tǒng)及編程，最后是外部擴(kuò)展技術(shù)及應(yīng)用.這種教學(xué)方式雖然面面俱到，但缺乏系統(tǒng)性，“教師中心、學(xué)生被動”的局面沒有改變，會直接影響教學(xué)效果.

1.2 實驗教學(xué)缺乏創(chuàng)新性

在辦學(xué)經(jīng)費的制約下，大多數(shù)單片機(jī)實驗室采用電路結(jié)構(gòu)固化的單片機(jī)實驗箱.這種類型的實驗設(shè)備成本高、消耗大且存在設(shè)備功能單一、擴(kuò)展性能差、元件容易損壞、重復(fù)利用率低等問題，不利于學(xué)生使用和實驗室的日常管理與維護(hù).并且，實踐教學(xué)的內(nèi)容只能停留在演示性及驗證性實驗的層次上，基本是要求學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書在實驗箱上進(jìn)行簡單的導(dǎo)線連接，通過電腦把相應(yīng)的范例程序下載到實驗箱，然后觀察實驗現(xiàn)象［1］.學(xué)生在這一過程中不僅不能充分了解硬件電路的實際連接情況，也沒有自行編寫控制程序，更談不上參與工作案例的設(shè)計.這樣的實驗就變成了另一種形式的理論，導(dǎo)致理論知識、實際應(yīng)用與技能培養(yǎng)三者無法統(tǒng)一.

1.3 理論與實驗缺乏聯(lián)系性

大多數(shù)院校的理論教室和實驗教室是分開的，所以教師只能將理論教學(xué)與實驗教學(xué)分時分段進(jìn)行，先理論后實驗，先原理后設(shè)計.這樣對單片機(jī)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計方法強(qiáng)調(diào)不夠，使學(xué)生在構(gòu)建實際的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時缺少系統(tǒng)化的思路，甚至在理論教學(xué)沒有結(jié)束時有些學(xué)生就已經(jīng)放棄了這門學(xué)科.基于上述教學(xué)現(xiàn)狀的分析，單片機(jī)課程的教學(xué)改革勢在必行.

2 項目式教學(xué)法

根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合知識體系，采用循序漸進(jìn)、層層深入的方法，確定三個階段的項目式教學(xué)任務(wù)，如表1所示.第一階段——基礎(chǔ)知識，該階段重在掌握單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件編寫流程和調(diào)試技能;第二階段——能力進(jìn)階，該階段精選單一性項目，著重掌握單片機(jī)的I/O口、中斷、定時、串行、按鍵掃描等主要功能，熟悉相應(yīng)程序的編寫和外圍接口的電路控制與調(diào)試方法;第三階段——應(yīng)用開發(fā)，該階段以設(shè)計性、綜合性項目為主，要求靈活運(yùn)用單片機(jī)知識，以小組的形式完成項目的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)［2］.三個階段的教學(xué)均應(yīng)用Keil和Proteus軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)仿真，為基于Proteus技術(shù)的單片機(jī)教學(xué)改革提供了對象并奠定了基礎(chǔ).

表1 項目式教學(xué)任務(wù)Tab.1 Project-based teaching tasks

項目教學(xué)法下的單片機(jī)授課打破了傳統(tǒng)章節(jié)的安排，按照項目的需求，以“必需、夠用”為原則，循序漸進(jìn)地將知識點分解到每一個具有明確教學(xué)目標(biāo)的項目中.教師也不再是填鴨式的教學(xué)，而是真正發(fā)揮教師主導(dǎo)、學(xué)生主體的作用，圍繞具體項目以模塊化組織教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生邊學(xué)邊做、邊做邊學(xué)，融“教、學(xué)、做”為一體，實現(xiàn)知識、項目和技能的良好融合.

3 Proteus技術(shù)對單片機(jī)教學(xué)改革的重要作用

3.1 Proteus技術(shù)改進(jìn)理論教學(xué)

在單片機(jī)理論教學(xué)中，教師可以利用Proteus和Keil仿真軟件將預(yù)先開發(fā)和設(shè)計好的教學(xué)案例在課堂上演示，以增加教學(xué)的直觀性和生動性并提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性.更重要的是，在項目教學(xué)法的基礎(chǔ)上把項目所包含的理論知識現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，借助Proteus和Keil仿真軟件完成單片機(jī)軟硬件設(shè)計、執(zhí)行及調(diào)試的全過程.

以數(shù)碼管電子鐘的項目為例，見圖1［3］.首先，明確該項目的目標(biāo)及控制要求，學(xué)習(xí)單片機(jī)外圍接口、數(shù)碼管和控制芯片74LS245等相關(guān)知識，在Proteus軟件中完成硬件仿真電路設(shè)計;其次，學(xué)習(xí)與該項目相關(guān)的定時、靜態(tài)顯示及動態(tài)顯示等單片機(jī)知識，明確程序的設(shè)計思路，繪制程序流程圖，并在Keil軟件中進(jìn)行源程序的編寫、編譯和調(diào)試;最后，用Keil和Proteus軟件聯(lián)合仿真、調(diào)試，不斷地修正源程序，直到達(dá)到本項目的目標(biāo)為止.這一教學(xué)過程一方面很好地利用了Proteus色點顯示芯片管腳狀態(tài)功能，突破了數(shù)碼管位選、段選的區(qū)分這一教學(xué)難點;另一方面也讓學(xué)生真實地參與到了單片機(jī)項目的開發(fā)流程中，對理論知識有了更深刻的理解，對單片機(jī)技能也有了更顯著的提高.

圖1 數(shù)碼管電子鐘的仿真演示Fig.1 Nixietube electronic clock simulation demo

3.2 Proteus技術(shù)改進(jìn)實驗教學(xué)

Proteus仿真軟件是英國Labcenter公司開發(fā)的一種性能極強(qiáng)的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)平臺，它涵蓋了AVR，ARM，PIC，MCS8051等微處理器模型以及多種常用的電子元器件，包括74系列、CMOS 4000系列集成電路、AD和DA轉(zhuǎn)換器、鍵盤、LCD顯示器等，還提供了示波器、邏輯分析儀、通信終端、電壓表、電流表等各種虛擬儀表［4］.

基于Proteus軟件的優(yōu)勢和特點，在實驗環(huán)節(jié)中，教師要使實驗進(jìn)度與理論教學(xué)進(jìn)度同步，根據(jù)學(xué)生層次精選實驗課題并提供參考方案.學(xué)生以小組的形式，利用Proteus軟件自行設(shè)計硬件電路圖并獨立完成軟件編程，最后實現(xiàn)軟硬件同步仿真調(diào)試.在這一實驗過程中，軟件與硬件的結(jié)合、編程與調(diào)試的統(tǒng)一、過程和結(jié)果的體現(xiàn)，使學(xué)生不僅掌握了單片機(jī)硬件電路的設(shè)計方法，也鍛煉了C語言編程技能，使教學(xué)的重點和難點逐一突破，助于課程整體知識的系統(tǒng)化.采用Proteus仿真軟件的實驗教學(xué)方法，一方面克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中硬件電路固定、實驗內(nèi)容單一、學(xué)生無法設(shè)計等方面的局限性，改變了單片機(jī)實驗以驗證性為主的狀況;另一方面，也克服了因操作不當(dāng)造成的元器件和儀器儀表損毀的情況，大大減少了硬件的投入，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢.

4 基于Proteus技術(shù)的單片機(jī)教學(xué)案例

4.1 案例描述

通過觀察交通燈的控制規(guī)律，在Proteus虛擬仿真平臺上實現(xiàn)用單片機(jī)及外圍相關(guān)硬件來模擬交通燈的工作狀態(tài).本案例綜合應(yīng)用單片機(jī)I/O和定時技術(shù)，掌握Proteus硬件設(shè)計、軟件仿真及聯(lián)調(diào)技術(shù).

4.2 案例實施

4.2.1 硬件設(shè)計

硬件電路由AT89C51單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、8個共陰數(shù)碼管和若干發(fā)光二極管組成.數(shù)碼管的控制由P1和P2口完成，發(fā)光二極管的控制由P3口完成.啟動Proteus ISIS 7 Professional，教師一邊分析電路設(shè)計原理，一邊在器件中選擇所需元件，合理布局并繪制出電路圖.

4.2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)控制要求，結(jié)合電路圖，利用Keil軟件建立項目，教師現(xiàn)場繪制程序流程圖，編寫軟件程序，完成編譯、修改、調(diào)試后生成Hex文件，主程序流程如圖2所示［5］.

4.2.3 調(diào)試與仿真

運(yùn)行Proteus軟件，雙擊AT89C51單片機(jī)芯片，在彈出的對話框中添加Hex文件.點擊運(yùn)行按鈕，進(jìn)入虛擬仿真狀態(tài)，觀察實驗結(jié)果并比照控制要求，不斷修改并完善程序.

5 結(jié)束語

提出了一種基于Proteus技術(shù)的單片機(jī)教學(xué)改革方案.實踐證明，Proteus軟件在單片機(jī)理論與實驗教學(xué)中的應(yīng)用不但有利于學(xué)生對單片機(jī)知識的消化與吸收，而且有利于教師教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量的提高，為單片機(jī)的教學(xué)改革提供了可靠借鑒.

圖2 模擬交通燈主程序流程Fig.2 Traffic light main program flowchart

［1］王明娟.單片機(jī)教學(xué)改革與研究——以欽州學(xué)院為例［J］.欽州學(xué)院學(xué)報，2011，26(3):54-56.

［2］宋躍，余熾業(yè)，胡勝.省級精品單片機(jī)課程教學(xué)改革探索［J］.實驗室研究與探索，2012，31(4):125-127.

［3］劉心紅，郭福田，孫振興.Proteus仿真技術(shù)在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實驗技術(shù)與管理，2007，24(3):96-98.

［4］周潤景.基于 Proteus的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與仿真［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［5］許超，吳新杰，張丹.基于Proteus和Keil的單片機(jī)課程教學(xué)改革［J］.遼寧大學(xué)學(xué)報，2011，38(1):28-30.