萬(wàn)松峰

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 東莞 523808）

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基于Proteus的單片機(jī)原理與應(yīng)用的教學(xué)改革*

萬(wàn)松峰

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣東 東莞 523808）

摘要：針對(duì)單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的內(nèi)容抽象、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，分析教學(xué)中存在的問(wèn)題，提出基于Proteus仿真軟件的單片機(jī)原理與應(yīng)用的教學(xué)改革。通過(guò)單片機(jī)濕度測(cè)量項(xiàng)目展示了單片機(jī)課程利用Proteus仿真軟件實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”“學(xué)中練”的理實(shí)一體化項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程，建立以項(xiàng)目開發(fā)為課程內(nèi)容，以學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目開發(fā)為中心的教學(xué)模式，突出培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用能力，提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；Proteus；教學(xué)改革；濕度測(cè)量

引言

單片機(jī)技術(shù)是工科類學(xué)生一門重要的實(shí)踐課程，單片機(jī)技術(shù)開發(fā)應(yīng)用能力是工科類人員必備技能之一。單片機(jī)教學(xué)模式一般先講單片機(jī)工作原理內(nèi)部結(jié)構(gòu)后講單片機(jī)指令系統(tǒng)和應(yīng)用，學(xué)習(xí)者很難入門感覺(jué)課程枯燥乏味失去信心學(xué)習(xí)。先理論后實(shí)踐的模式教學(xué)以單片機(jī)內(nèi)部原理和匯編指令講解為核心的教學(xué)模式形成理論和實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生沒(méi)有單片機(jī)開發(fā)的感性認(rèn)識(shí)和工程體驗(yàn)，應(yīng)用能力不足。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試等幾個(gè)階段。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法及時(shí)滿足單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試要求，影響學(xué)生實(shí)際分析和解決單片機(jī)問(wèn)題的能力，也影響學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手技能和科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。Proteus軟件仿真功能可以虛擬出一個(gè)設(shè)備齊全的單片機(jī)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)系統(tǒng)調(diào)試都可在同一個(gè)計(jì)算機(jī)的上進(jìn)行。利用Proteus軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)課程“做中學(xué)”“學(xué)中練”的理實(shí)一體化項(xiàng)目教學(xué)。

一、基于Proteus軟件單片機(jī)的教學(xué)改革

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐步成為分析與輔助設(shè)計(jì)的重要工具，大量仿真軟件代替硬件進(jìn)行學(xué)習(xí)，用于控制工程的Matlab、用于電工電子的Multisim等。Proteus是英國(guó)Lab center Electronics公司開發(fā)的可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路的仿真軟件，是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和模型仿真軟件合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，還包含各種虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。利用該軟件將單片機(jī)課程理論教學(xué)和實(shí)踐應(yīng)用融為一體進(jìn)行項(xiàng)目化教學(xué)改革。

在單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)改革中，通過(guò)項(xiàng)目化的教學(xué)使學(xué)生真正掌握分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思路與過(guò)程，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)課程培養(yǎng)目標(biāo)。實(shí)施中對(duì)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題進(jìn)行探討，邊做邊學(xué)符合人的認(rèn)知規(guī)律，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生掌握相應(yīng)的知識(shí)和技能。既能增強(qiáng)實(shí)踐的具體體驗(yàn)，又能增強(qiáng)理論運(yùn)用的活力，尤其適用于應(yīng)用性人才的培養(yǎng)。單片機(jī)教學(xué)以項(xiàng)目為載體，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生成為分析和解決實(shí)際問(wèn)題的主角，學(xué)生在做項(xiàng)目的過(guò)程中感知知識(shí)和訓(xùn)練技能提高學(xué)習(xí)效果和實(shí)踐能力。

單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)中，具體項(xiàng)目課題的選擇與設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，直接影響到教學(xué)效果。教師以教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生基本技能和創(chuàng)新能力為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際，擬定難度適宜循序漸進(jìn)的項(xiàng)目。根據(jù)我校學(xué)生特點(diǎn)和單片機(jī)教學(xué)要求設(shè)置16個(gè)項(xiàng)目見(jiàn)表1。單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)主要包括任務(wù)要求、任務(wù)分析、解決方案、任務(wù)實(shí)施、任務(wù)總結(jié)、任務(wù)拓展等。在項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，學(xué)生要明確任務(wù)要求帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)；通過(guò)對(duì)任務(wù)分析確定解決方案，將確定的解決方案直接實(shí)施加強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解；任務(wù)實(shí)施后對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行總結(jié)分析，最后再拓展創(chuàng)新，加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立思考、動(dòng)手的能力。

二、基于Proteus軟件單片機(jī)的教學(xué)實(shí)施

以項(xiàng)目15濕度測(cè)量為例，介紹Proteus軟件在單片機(jī)項(xiàng)目化教學(xué)過(guò)程的實(shí)施。

（一）任務(wù)要求

利用HS1101電容式相對(duì)濕度傳感器測(cè)量濕度，濕度高于50%亮紅燈否則亮綠燈。

（二）任務(wù)分析

HS1101電容傳感器可以等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。電容的變化通過(guò)555振蕩電路中準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)榉幢鹊碾妷侯l率信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)P3.5口測(cè)量頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)濕度測(cè)量。

表1單片機(jī)課程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)表

（三）解決方案

濕度測(cè)量解決方案框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框圖

（四）任務(wù)實(shí)施

1.硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)電路原理草圖后在Proteus軟件平臺(tái)選擇器件并繪制硬件電路原理圖，如圖2所示。這個(gè)電路原理圖包含了51單片機(jī)最小系統(tǒng)、濕度測(cè)量電路、數(shù)碼管顯示電路、LED燈指示電路等。

圖2 HS1101濕度測(cè)量電路圖

濕度測(cè)量電路由555芯片、電阻和HS1101構(gòu)成一個(gè)多諧波振蕩器，HS1101的等效電容通過(guò)R16和R17充電達(dá)到上限電壓（近似于0.67 VCC，時(shí)間記為t1），這時(shí)555的引腳3由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后通過(guò)R17開始放電，由于R16被7引腳內(nèi)部短路接地，所以只放電到觸發(fā)界線（近似于0.33 VCC，時(shí)間記為t2），這時(shí)555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖?。通過(guò)不停充放電，產(chǎn)生方波輸出。輸出波形的頻率公式f=1/T=1/（t1+t2）=1/ （2*R17+R16）ln2，再根據(jù)典型頻率與濕度對(duì)應(yīng)關(guān)系就可以得到相對(duì)濕度值。

2.軟件設(shè)計(jì)

程序主要包括系統(tǒng)初始化模塊、T0定時(shí)模塊、T1計(jì)數(shù)模塊、頻率濕度轉(zhuǎn)換、顯示指示模塊。軟件流程圖如圖3所示。

圖3程序流程圖

3.系統(tǒng)仿真

利用Protues繪制原理圖，通過(guò)Keil C對(duì)源程序進(jìn)行編譯、鏈接后聯(lián)機(jī)調(diào)試，讓學(xué)生完成整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)，濕度仿真效果圖4所示。

4.任務(wù)總結(jié)

通過(guò)任務(wù)總結(jié)再次對(duì)單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器、程序流程圖及C語(yǔ)言編程進(jìn)行簡(jiǎn)要總結(jié)，并強(qiáng)調(diào)本次任務(wù)中的問(wèn)題點(diǎn)和解決辦法。

圖4濕度仿真效果圖

5.任務(wù)拓展

要求學(xué)生在本次任務(wù)的基礎(chǔ)上增加加濕模塊實(shí)現(xiàn)濕度控制。

三、結(jié)束語(yǔ)

基于Proteus仿真軟件在單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)的應(yīng)用，是對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)實(shí)踐的一種改革，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐感知單片機(jī)在理論知識(shí)和體驗(yàn)工程實(shí)踐，有利于學(xué)生掌握單片機(jī)的基本原理和應(yīng)用，有利于學(xué)生系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力、硬件電路設(shè)計(jì)能力、軟件設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）14-0121-03

*基金項(xiàng)目：廣東機(jī)電教指委教改項(xiàng)目（編號(hào)：jd201513）；東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)教改項(xiàng)目（編號(hào)：S1501060102）

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)松峰（1979-），男，漢，河南商丘，講師/工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電控制。

Abstract:According to the abstract concept and practical features in the course of MCU principle and application，this paper analyzes the problems that exist in our teaching and proposes a teaching reform of MCU principles and applications course based on Proteus.Through the project of measurement humidity，this paper shows the process of the project teaching in which teachers use Proteus simulation software to achieve'doing'in'learning'and 'learning'in'doing'in order to establish the teaching model in which project development is teaching content students practice is course center.The students'ability of the MCU development and application is improved，thus the teaching practice has a better teaching effect.

Keywords:MCU；Proteus；teaching reform；humidity measurement