賈海云 馮愛花 王雨晨

摘要：單片機技術(shù)在信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造業(yè)中實用性強，是高新技術(shù)企業(yè)人才招聘中一項的重要考核內(nèi)容。單片機實踐課程的教學(xué)改革對如何為企業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才有重大意義。為適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求，提高高職學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力和工作崗位適應(yīng)能力，縮短課堂教學(xué)與實際工作需求的差距，優(yōu)化單片機技術(shù)課程的知識體系、教學(xué)方法和學(xué)習(xí)模式是十分有必要的。文章從單片機教學(xué)中存在的不足出發(fā)，討論了基于Proteus仿真平臺的單片機教學(xué)方法、教學(xué)實施等內(nèi)容，立足于單片機實際控制系統(tǒng)設(shè)計，以產(chǎn)品設(shè)計與制作為載體，將Proteus仿真平臺用于單片機實踐教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生電路圖識讀、設(shè)計、程序開發(fā)和調(diào)試的能力。

關(guān)鍵詞：教學(xué)改革；Proteus仿真平臺；單片機教學(xué)方法；實際控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）28-0151-03

單片機是一種集成度高、體積小可靠性高、價格低、控制能力強的微控制器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、國防軍事、智能制造、儀器儀表等領(lǐng)域。單片機工程師是一種發(fā)展前景多樣化的職位，收入可觀，從事單片機方向的技術(shù)人員可轉(zhuǎn)型為物聯(lián)網(wǎng)工程師、嵌入式工程師等。多數(shù)高等職業(yè)院校電子信息類、自動化類等相關(guān)專業(yè)都將單片機應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)為人才培養(yǎng)方案中的一門專業(yè)課或?qū)I(yè)核心課。

1 單片機應(yīng)用技術(shù)課程教學(xué)現(xiàn)狀

諸多高職院校單片機課程設(shè)置按照理論教學(xué)和實踐教學(xué)1：1的比例開展。理論教學(xué)主要圍繞著單片機的存儲結(jié)構(gòu)、I/O口、定時器與中斷、串行通信和A/D和D/A轉(zhuǎn)換等知識點講解?？菰?、抽象、零碎的理論知識對于多數(shù)基礎(chǔ)薄弱的高職院校學(xué)生而言是非常晦澀難懂的，實踐教學(xué)大多采用硬件電路固化的單片機實驗箱完成驗證性的實驗。盡管這些實驗直觀顯示了預(yù)期的效果，增加了學(xué)生對單片機控制外圍設(shè)備的理解但也能看到單片機課程教學(xué)中存在的問題。由于知識點零碎、實踐課時少、實驗室開放時間少，學(xué)生動手操作機會少、實驗室建設(shè)管理維修成本高等原因，導(dǎo)致學(xué)生難以系統(tǒng)性掌握單片機控制系統(tǒng)開發(fā)的過程。

1.1 實驗箱存在的問題

實踐教學(xué)采用實驗箱也存在幾個問題：（1） 固化的內(nèi)部電路。每個功能模塊的硬件電路已焊好，只須連接I/O導(dǎo)線即可完成電路的搭建，對硬件電路的設(shè)計缺乏動手能力。（2） 較少的實驗項目。題目陳舊，沒有結(jié)合時代的發(fā)展進行更新。（3） 電子元器件易損壞。因較長的使用年限、學(xué)生的不當操作等因素會導(dǎo)致電子元器件的損壞。（4） 實驗室開放的時間有限。因人力資源、學(xué)生自身的上課安排、實驗室課程安排等現(xiàn)實原因造成大多數(shù)情況下，學(xué)生能使用實驗箱的時間遠遠不足。

1.2 實訓(xùn)任務(wù)少，學(xué)生興趣低

實訓(xùn)任務(wù)大多安排驗證性實驗，知識點圍繞各章節(jié)展開，在給定的程序和現(xiàn)成的實驗箱中完成任務(wù)，將編譯好的.hex文件下載到實驗箱單片機中，硬件電路只需將用到的I/O口與外部電路相接，學(xué)生僅得到已知的實驗現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)，缺少對系統(tǒng)整體性框架設(shè)計的思維，缺乏對硬件電路和程序編寫的能力訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生的興趣逐漸降低。

1.3 知識點遷移能力弱，缺乏真實案例訓(xùn)練

在單片機課程教學(xué)中需用到模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語言程序設(shè)計等前導(dǎo)課程知識，課程間知識點的遷移能力對學(xué)生靈活應(yīng)用相關(guān)知識非常重要，遷移能力也是學(xué)習(xí)效果的評價標準之一。單片機廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域，融入各行各業(yè)，但學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機課程中局限于知識點的驗證和自身知識點遷移能力弱，缺乏實際真實案例的開發(fā)訓(xùn)練和實戰(zhàn)經(jīng)驗。因此，對于多數(shù)高職學(xué)生而言，他們將幾門課程的知識點融合遷移的能力較弱。

合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院在單片機實踐課程上將Proteus仿真平臺和單片機實驗箱有效結(jié)合，教師打破原有只使用實驗箱的教學(xué)方法，結(jié)合虛擬仿真平臺教學(xué)，課內(nèi)課后都能融教學(xué)為一體，完成多個仿真產(chǎn)品的設(shè)計，增加了學(xué)生動手實踐的機會。學(xué)生基本都配有筆記本，教師布置作業(yè)，學(xué)生可以不用去實驗室，不需要硬件支持，直接借助該仿真平臺就能完成實訓(xùn)內(nèi)容，降低實訓(xùn)成本，縮短實訓(xùn)時間，在有限的課時內(nèi)，充分利用他們的業(yè)余時間，教師可多講一些單片機開發(fā)案例，提高學(xué)生的實戰(zhàn)能力。這種教學(xué)模式可以解決大多數(shù)院校存在的實訓(xùn)學(xué)時有限、實訓(xùn)設(shè)備缺乏、師資配比不足等問題。

2 Proteus仿真平臺的優(yōu)勢

Proteus 仿真平臺功能強大，能實現(xiàn)電路仿真、虛擬模型仿真和PCB 設(shè)計三大功能。該軟件電子元件庫豐富，可繪制電路原理圖，仿真調(diào)試系統(tǒng)，仿真中產(chǎn)生不同顏色的方點代表高低電平和高阻狀態(tài)，形象直觀地展示電路基本知識。單片機實踐教學(xué)中，采用Proteus軟件進行單片機電路的設(shè)計和仿真，既方便快捷、便于修改，又可節(jié)約硬件電路搭建的時間和元器件耗材成本[1] 。按照實訓(xùn)要求，先在 Proteus仿真平臺里調(diào)試成功，仿真無誤后完成硬件電路的搭建和程序調(diào)試，這樣能避免操作不當造成元器件損壞等問題。學(xué)生通過觀察Proteus 仿真平臺中電路的運行狀態(tài)，觀察單片機引腳高低電平的變化，加深理解單片機的工作過程和I/O口的應(yīng)用。同時，相比傳統(tǒng)實驗箱教學(xué)，可降低實驗箱的維護成本，減少使用占用實驗室。

3 基于 Proteus仿真平臺優(yōu)化教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容

3.1 教學(xué)方法

根據(jù)行業(yè)企業(yè)的發(fā)展趨勢和學(xué)校的定位，每年暑假教師深入企業(yè)進行專業(yè)調(diào)研，了解企業(yè)技術(shù)需求和用人標準，結(jié)合高職學(xué)生的學(xué)情，課程組各老師各抒己見，討論單片機課程教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)理念以實踐為主線，以項目為載體，以任務(wù)驅(qū)動為抓手，以培養(yǎng)職業(yè)能力為核心，強調(diào)理論教學(xué)構(gòu)建學(xué)生的知識體系，實踐教學(xué)構(gòu)建學(xué)生的職業(yè)技能的教學(xué)原則。教學(xué)方法采用項目導(dǎo)向教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法和案例教學(xué)法，以實際的項目開發(fā)開展教學(xué)，將知識點融入項目中[2]。項目導(dǎo)向教學(xué)法以實際的項目展開教學(xué)，將知識點融入項目中。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法采用“提出任務(wù)→分析任務(wù)→完成任務(wù)→邊學(xué)邊做→總結(jié)”這5個步驟。案例教學(xué)法按照“典型案例→C語言知識→模仿編程→實踐提高”步驟展開。教學(xué)過程中始終以學(xué)生為主體，以教師為中心，教學(xué)內(nèi)容以項目化方式安排，保證教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)和社會發(fā)展要求的素質(zhì)、知識和能力匹配。

3.2 教學(xué)內(nèi)容

圍繞單片機課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標、教學(xué)重難點等相關(guān)要求設(shè)計針對性的實用案例，學(xué)生通過實用案例的設(shè)計與仿真，在實踐中落實與深化所講授的理論知識，以實現(xiàn)該門課程的教學(xué)目標。實用案例的設(shè)計由簡單到復(fù)雜，單片機課程共 64學(xué)時，分為基礎(chǔ)實訓(xùn)和綜合實訓(xùn)?；A(chǔ)實訓(xùn)是圍繞單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工作原理展開的，知識點零碎。綜合實訓(xùn)是在完成單片機基礎(chǔ)實訓(xùn)前提下，進行相對復(fù)雜的單片機控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)，目的是讓學(xué)生熟練掌握電路設(shè)計、程序設(shè)計、實物制作的方法，并能獨立完成復(fù)雜的單片機控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、調(diào)試和制作，為嵌入式電子產(chǎn)品的企業(yè)培養(yǎng)技能型人才[3]。具體實訓(xùn)項目如表1所示：

3.3 教學(xué)組織

教材一般先講解單片機引腳、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲組織結(jié)構(gòu)等知識點，內(nèi)容抽象枯燥，高職學(xué)生基礎(chǔ)比較薄弱。因此，我們教學(xué)中打破教材架構(gòu)，以單片機控制一個發(fā)光二極管為主線，先通過實驗箱觀察現(xiàn)象，然后打開原理圖講解電路，再用 Proteus 軟件將電路繪制出來，從Proteus 仿真平臺中觀察實驗現(xiàn)象是否與實驗箱觀測到的一致。然后對實訓(xùn)任務(wù)舉一反三，從更換單片機的控制引腳，到單片機實現(xiàn)對8個發(fā)光二極管的花樣控制等實訓(xùn)任務(wù)的安排，講解單片機的引腳、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、I/O口的使用等知識，提高學(xué)生的興趣。授課過程中融入課程思政，講解單片機在智能制造、航空等領(lǐng)域的案例，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和探索未知的興致。

教學(xué)組織中以探索方式進行實踐課程的教學(xué)，充分體現(xiàn)學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的教學(xué)理念，將若干零碎的知識點通過一個個實訓(xùn)任務(wù)展開，實訓(xùn)任務(wù)的順利完成能增加學(xué)生的成就感，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此，合理安排教學(xué)任務(wù)與教學(xué)目標，設(shè)計合理的教學(xué)環(huán)節(jié)顯得十分重要[4]。

3.4 實踐教學(xué)實施過程

單片機實踐課程以任務(wù)為主線，以教師為主導(dǎo)，以學(xué)生為主體，充分調(diào)動學(xué)生的能動性。教學(xué)實施的具體實施過程：（1） 明確任務(wù)要求。（2） 剖析完成任務(wù)所需的知識點。知識點圍繞涉及C語言、單片機、電子元件等相關(guān)知識展開。（3） 搭建硬件電路。畫電路圖，列元器件清單。根據(jù)任務(wù)要求，合理分配單片機的I/O口，選用合理的外部設(shè)備，須注意終端設(shè)備電源和地的有效連接。（4） 程序設(shè)計與調(diào)試。結(jié)合硬件電路的設(shè)計，繪制流程圖，利用Keil C51 軟件編寫程序，編譯調(diào)試，直到生成.hex文件。（5） 軟件仿真。將調(diào)試好的程序下載到單片機里，觀察仿真電路的運行情況和運行效果是否符合設(shè)計要求。（6） 硬件仿真。將電腦通過串口連接單片機實驗箱，將生成.hex文件下載到單片機，觀察實際電路的運行情況和運行效果。教學(xué)實施過程如圖1所示：

4 仿真實例：電子萬年歷設(shè)計與制作

4.1 設(shè)計任務(wù)

利用時鐘芯片DS1302設(shè)計萬年歷，具體功能要求：（1） 可以實時顯示時間；（2） 設(shè)置按鍵可調(diào)整時間。系統(tǒng)總體框架圖如圖2所示：

4.2 電路設(shè)計

根據(jù)任務(wù)要求，控制系統(tǒng)的硬件電路除了以單片機為主控芯片外，還包含晶振電路、復(fù)位電路、存儲電路、LCD1602構(gòu)成的顯示電路和DS1302芯片構(gòu)成的時鐘電路、按鍵構(gòu)成的獨立式鍵盤電路。萬年歷電路原理圖如圖3所示：

利用Proteus軟件進行硬件電路搭建。具體操作步驟：（1） 新建文件夾，將文件夾命名為萬年歷設(shè)計。（2） 按選取按鍵“P”添加元件。將單片機AT89C51 、電阻RES、晶體振蕩器CRYSTAL 、電容CAP、電解電容CAP-ELEC、紅色發(fā)光二極管LED-RED、按鍵BUTTON、液晶顯示器LCD1602、時鐘芯片DS1302添加到元件列表。（3） 放置元件。放置原則從大到小，從左到右。放置順序按單片機、時鐘電路、復(fù)位電路、存儲電路和控制電路幾個電路模塊放置。（4） 放置電源和地。終端模式下，GROUND對應(yīng)地線，POWER對應(yīng)電源。電路完成后，一定要保存。

4.3 程序設(shè)計

根據(jù)任務(wù)要求完成硬件電路搭建后，打開Keil軟件進行程序編寫，結(jié)合學(xué)院的人才培養(yǎng)方案中的課程設(shè)置，選擇C語言編寫程序。首先根據(jù)需要的功能完成流程圖的設(shè)計，然后進行具體程序的編寫，程序編寫編譯無誤后，會生成.hex文件。

4.4 仿真調(diào)試

利用Proteus軟件進行仿真調(diào)試。雙機單片機，將.hex文件下載到單片機中，然后點擊軟件左下角運行工具欄的開始按鈕，仿真即開啟。Proteus軟件中紅色點代表高電平“1”，藍色點代表低電平“0”，通過紅藍色點可看出電流流向。電流類比水流，水往低處流，電流流向也是從高電位流向低電位，即1→0。換句話說，存在電位差就有電流。

4.5 總結(jié)反思

本次任務(wù)完成了Proteus仿真平臺下萬年歷的設(shè)計，采用的核心元件是單片機AT89C51，利用單片在液晶顯示器上顯示年月日、時間，訓(xùn)練單片機I/O口的應(yīng)用能力，要求學(xué)生掌握時鐘芯片DS1302、液晶顯示芯片LCD1602的工作原理、引腳功能、與單片機的連接方式等知識，為將來從事單片機相關(guān)工作夯實了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

Proteus仿真軟件在單片機課程中的應(yīng)用越來越廣泛，該軟件具有使用方便、仿真成功率高、結(jié)果真實準確等優(yōu)點，受到教師學(xué)生的青睞。學(xué)好單片機需要具備扎實的理論知識、知識的遷移能力和較強的實踐動手能力，因?qū)W生資源有限，平時能利用的設(shè)備有實驗箱和開發(fā)板，但由于實驗箱和開發(fā)板電路固化、實驗室時間開放等局限性，Proteus 仿真平臺的引入學(xué)生可結(jié)合自身興趣和自身知識的掌握情況，充分利用業(yè)余時間學(xué)習(xí)。雖然Proteus仿真平臺功能強大，能實現(xiàn)電路的繪制和程序的調(diào)試仿真，但該仿真平臺是基于理想化的條件實現(xiàn)仿真調(diào)試，代替不了工程實際中的一些差異和變化[5]。因此，在單片機教學(xué)中，需要結(jié)合實踐教學(xué)的具體情況合理使用Proteus仿真平臺，不能完全依托它，需與開發(fā)板、實驗箱有效結(jié)合。

參考文獻：

[1] 任肖麗，王驥，劉思鳳.基于Proteus和Keil的單片機課程實驗教學(xué)改革探索[J].教育現(xiàn)代化，2019，6（A1）：5-7.

[2] 姚靜，李璋，陳廣.基于Proteus和Keil的單片機實驗教學(xué)探究[J].信息通信，2019，32（9）：250-252.

[3] 劉興旺.基于Proteus與Keil的單片機實驗教學(xué)改革方式[J].電子世界，2016（17）：37-38.

[4] 高艷芬，蔡恒.基于Proteus仿真與實驗板結(jié)合的單片機實驗教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2015（41）：138-139.

[5] 阮武林.基于“教師主導(dǎo)—學(xué)生主體”教學(xué)模式下的單片機教學(xué)策略研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2010.

【通聯(lián)編輯：梁書】