高 林，徐 建，朱 黎

（湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施 445000）

電類專業(yè)多課程仿真的ARCS分析及綜合應(yīng)用

高 林，徐 建，朱 黎

（湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施 445000）

用ARCS動機(jī)設(shè)計理論，從注意、切身性、自信心和滿足感這4個維度分析了電類專業(yè)多課程仿真的必要性。通過完成8086和AT89C55經(jīng)由RS－232串行總線同步數(shù)字時鐘和溫度顯示這一綜合仿真應(yīng)用實例，對電路原理、程序設(shè)計到仿真結(jié)果進(jìn)行分析，表明在這些課程中引入Proteus仿真，確實能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，有助于提高學(xué)生的實踐動手能力。

多課程綜合仿真；ARCS理論；Proteus軟件

近年來，計算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，并在“模擬電路”、“數(shù)字電路”、“微機(jī)原理”和“單片機(jī)原理”等課程的實驗教學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用［1－6］。電類課程的仿真軟件非常多，其中Proteus是一款包含大量系統(tǒng)資源和豐富的硬件接口電路、具有強(qiáng)大調(diào)試功能和軟硬件相結(jié)合的仿真系統(tǒng)［7－8］。其強(qiáng)大的設(shè)計與仿真功能被廣泛應(yīng)用在數(shù)字電路、模擬電路、單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)等多門課程的教學(xué)和實驗中［9］。2009年推出的VSM for 8086平臺及Proteus 7．5SP3軟件，支持8086微處理器與8255A、8253、8259A、8251A等接口芯片的系統(tǒng)仿真［10］。在電類專業(yè)多門課程中引入Proteus軟件進(jìn)行仿真，能夠提升教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文通過ARCS動機(jī)設(shè)計理論，分析仿真實驗教學(xué)是如何在電類實驗教學(xué)中發(fā)揮作用的，以使仿真實驗教學(xué)更好地服務(wù)于電類實驗教學(xué)，提高教學(xué)效果。

1 ARCS理論分析

ARCS（attention，relevance，confidence，satisfaction，即：注意、切身性、自信心、滿足感）動機(jī)設(shè)計理論是美國心理學(xué)教授凱勒提出的。該理論認(rèn)為：可以從以上4個方面激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)［11］。該理論較為系統(tǒng)、全面地闡述了每種動機(jī)的激發(fā)途徑和動機(jī)策略［12］。

在電類專業(yè)“模擬電路”、“數(shù)字電路”、“微機(jī)原理”和“單片機(jī)原理”等多門課程的傳統(tǒng)教學(xué)中存在概念抽象難懂、學(xué)生缺乏興趣、學(xué)習(xí)效果較差等問題。究其原因，主要是在課堂教學(xué)中長期側(cè)重知識單向流動、忽視學(xué)生的主觀意識和內(nèi)在需要［13］。而在這4門課程中引入Proteus軟件輔助教學(xué)以后，能夠提升理論課和實驗課的教學(xué)效果，既能培養(yǎng)學(xué)生分析和設(shè)計各種模擬電路、數(shù)字電路和系統(tǒng)控制電路的能力，又培養(yǎng)了學(xué)生編寫和調(diào)試程序的能力。從ARCS理論的4個維度可以說明產(chǎn)生這種變化的原因。

（1）注意。Proteus軟件在進(jìn)行各種電路和程序仿真時，具有與現(xiàn)實一致而且多變的效果，比單純的圖片或文字更能喚起學(xué)生的興趣和求知欲，更能引起學(xué)生的注意，進(jìn)而引導(dǎo)他們的自主探究學(xué)習(xí)。

（2）切身性。Proteus軟件能夠用來分析和設(shè)計電路、檢驗程序的正確性，能夠幫助學(xué)生運用一門或者多門課程的知識去解決學(xué)習(xí)中的實際問題，使學(xué)生在學(xué)了相關(guān)課程后就能進(jìn)行實踐，使知識掌握得更加扎實。

（3）自信心。在理論課和實驗課教學(xué)中設(shè)計一些不同難度的Proteus仿真實驗，不同知識水平的學(xué)生通過努力和適度的挑戰(zhàn)都能獲得成功，從而收獲自信心［14］。

（4）滿足感。Proteus軟件給學(xué)生提供了模擬真實的學(xué)習(xí)平臺，讓他們能夠充分運用課程中所學(xué)知識，得到學(xué)習(xí)成果與期望的一致，從心理上的得到滿足。另外，教師還能夠利用這一平臺檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對學(xué)生的努力和成果給予表揚(yáng)和鼓勵，讓學(xué)生體會到成功的喜悅和滿足。

2 綜合仿真的ARCS分析實例

AT89C55單片機(jī)和8086微處理器通過RS－232串行總線同步各自的數(shù)字時鐘和溫度顯示，是一個多課程綜合應(yīng)用的實例。該仿真實驗要求測溫范圍－50℃～＋110℃，誤差小于0．5℃。該實驗綜合應(yīng)用了模擬電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理和單片機(jī)原理等多門課程所學(xué)知識，具有代表性。

2．1 電路原理

該實驗電路由兩部分組成：一是以8086最小模式系統(tǒng)為核心的微機(jī)控制電路，二是以AT89C55為核心的單片機(jī)控制電路，其電路原理如圖1所示。

圖1 電路原理圖

8086核心電路的外圍包括5路接口電路：

第一路通過并口擴(kuò)展芯片8255A連接數(shù)碼管顯示譯碼器74LS48，用以控制6個共陰極數(shù)碼管靜態(tài)顯示時間值；

第二路通過1個74LS273段碼鎖存器和1個74LS273位碼鎖存器連接數(shù)碼管顯示驅(qū)動器來控制4個共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示溫度值；

第三路通過串口擴(kuò)展芯片8251A實現(xiàn)串行通信，經(jīng)由RS－232總線COM3連接到單片機(jī)控制電路；

第四路分別通過計數(shù)器／定時器8253的通道1，將時鐘源產(chǎn)生的1．843 2MHz的時鐘信號變成153．6 kHz的方波信號送至8251A，從而使8251A串行通信波特率為9 600bit／s；通過通道2將NE555產(chǎn)生的36 Hz矩形波變成1Hz方波信號輸出，控制數(shù)碼管的時、分和分、秒之間的小數(shù)點每秒鐘閃亮一次；

第五路通過74LS138譯碼器產(chǎn)生8251A、8253、8255A和2個74LS273芯片的片選信號。

AT89C55核心芯片外圍包括6個電路模塊：（1）按鍵復(fù)位模塊能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)上電或運行過程中的按鍵復(fù)位；（2）1602液晶顯示器模塊的第一行顯示年、月、日和星期，第二行顯示時、分、秒和溫度；（3）RS－232總線COM4模塊負(fù)責(zé)與微機(jī)控制電路進(jìn)行串行通信，通信波特率為9 600bit／s；（4）溫度信號采集模塊由PT100熱敏電阻及放大電路和ADC0804電路兩部分組成，負(fù)責(zé)將PT100通過恒流源電路產(chǎn)生的電壓信號送入LM324運算放大器進(jìn)行放大，再通過ADC0804轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制數(shù)送入單片機(jī)；（5）DS12C887時鐘模塊能夠與單片機(jī)交換年、月、日、星期、時、分、秒這7個時間值；（6）獨立式鍵盤包括3個按鍵，分別實現(xiàn)功能切換（按下第一次到第七次分別調(diào)整七個時間值，第八次完成調(diào)整）、加1和減1功能。

2．2 程序設(shè)計

8086主程序和AT89C55主函數(shù)流程如圖2所示。8086主程序在初始化相關(guān)芯片以后的控制重點是通過8251A以查詢方式順序接收來自單片機(jī)的7個數(shù)值，其中前3個是當(dāng)前時間值（時、分、秒），分別從8255A的PA、PB和PC口輸出，后4個是當(dāng)前溫度值（負(fù)號／百位、十位、個位、十分位），送至段碼鎖存器進(jìn)行顯示。AT89C55主函數(shù)在完成初始化之后，首先讀取A／D轉(zhuǎn)換數(shù)值并進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成實際溫度值，然后掃描按鍵。當(dāng)功能切換鍵沒有按下時為正常工作狀態(tài)，此時讀取DS12C887時鐘芯片中7個時間值并送1602液晶顯示。將當(dāng)前時間值和溫度值從串口輸出的任務(wù)由定時器T0中斷服務(wù)函數(shù)完成。

2．3 仿真結(jié)果

由于該實例電路比較復(fù)雜，所以在Proteus軟件中將電路原理圖分成微機(jī)控制電路和單片機(jī)控制電路兩部分。在Masm for Windows集成實驗環(huán)境軟件中進(jìn)行匯編程序的編寫和編譯，并將生成的EXE文件裝

圖2 主程序和主函數(shù)流程圖

載到8086微處理器的內(nèi)部RAM中［15］。在Keil uVision4軟件中進(jìn)行單片機(jī)C51程序的編寫和編譯，并將生成的HEX文件載入到AT89C55單片機(jī)中［16］。通過虛擬串口軟件VSPD設(shè)置虛擬串口，使COM3口和COM4口虛擬對接［17］。最后分別點擊2個電路原理圖下方的運行按鈕，可以看到微機(jī)控制電路仿真結(jié)果（見圖3）和單片機(jī)控制電路仿真結(jié)果（見圖4）。

圖3 微機(jī)控制電路仿真結(jié)果圖

圖4 單片機(jī)控制電路仿真結(jié)果圖

在圖4的1602液晶顯示器中，第一行顯示“2014－07－07MON”表示從DS12C887讀取的日期是2014年7月7日星期一；第二行顯示“00：03：53－15．7℃”表示時間是00時03分53秒，溫度是－15．7℃。仿真結(jié)果表明發(fā)送方時間、溫度與接收方完全一致，即實現(xiàn)了同步。而且PT100自身顯示溫度是－16℃，即測溫誤差僅為0．3℃，符合誤差小于0．5℃的要求。

3 結(jié)束語

上述綜合仿真應(yīng)用實例表明，在多門課程中引入Proteus軟件能提升教學(xué)效果，因為逼真的仿真效果能引起學(xué)生注意，完成電路和程序設(shè)計能使學(xué)生收獲自信，從成功的喜悅、教師和同學(xué)的好評中能得到滿足感，從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提高了學(xué)生的實踐動手能力。

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ARCS analysis and synthetic application of simulation in many electronic and electrical courses

Gao Lin，Xu Jian，Zhu Li
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

The necessity of simulation in many electronic and electrical courses can be analyzed from the following four aspects：attention，relevance，confidence and satisfaction by using the ARCS motivation design theory．Then an application example of comprehensive simulation to synchronize each digital clock and temperature display through RS－232serial bus between AT89C55and 8086is accomplished．The example is analyzed by circuit principles，program designs and simulation results．So it indicates that Proteus simulation in these courses indeed stimulates the students’learning motivation and is helpful to improve the practical ability and manual dexterity of the students．

synthetic simulation in many courses；ARCS theory；software Proteus

G434；TP391．9

A

1002－4956（2015）3－0144－04

2014－08－08

國家自然科學(xué)基金地區(qū)基金項目（61263030）；湖北民族學(xué)院教學(xué)研究重點項目（2014JY005）；湖北民族學(xué)院教學(xué)研究一般項目（2013JY008）；2014年恩施州第二批農(nóng)業(yè)與社會發(fā)展科技指導(dǎo)性計劃項目

高林（1980—），男，湖北恩施，碩士，講師，主要研究方向為嵌入式技術(shù)與智能控制．

E－mail：glhust＠163．com