Proteus仿真軟件在單片機實驗教學改革上的應用

摘要： 本文首先對單片機實驗教學存在的問題進行了分析，然后提出了引入Proteus仿真教學的解決辦法，最后詳細闡述了Proteus仿真在實驗教學中的應用措施和取得的實際效果。

關鍵詞： Proteus仿真 設計能力 實踐能力 電子競賽培訓

1.引言

隨著社會信息化程度的不斷提高，嵌入式技術越來越廣泛地應用于我們的生活，成為當今最熱門的行業技術。作為典型代表的單片機技術在各高校也成了一門熱門的、重要的就業方向性課程，然而，單片機技術課程是一門與工程實踐結合緊密的課程，要想讓學生掌握好這門技術，需要加強實驗實踐環節的教學，提高學生的動手能力，培養學生對工程對象的設計能力和應用性編程能力。

2傳統實驗教學存在的問題

筆者從事于單片機實驗教學工作多年，2007年開始就積極地進行單片機實驗教學研究，從專業的角度來看：目前，大部分的高校都是采用實驗箱進行教學，而實驗箱是儀器開發公司的成品，設計時具有整體規劃性，例如實驗模塊整體地址的設計，學生很難了解到其中的細節設計內涵。對于初學者，局部實驗難以吃透，很難有良好的實驗效果。這樣，一般的單片機實驗箱也只能起到驗證實驗的作用，學生只是看看實驗現象而已，達不到實驗教學的目的。

3.解決的辦法

英國Labcenter Electronics公司開發Proteus軟件是一種混合電路仿真工具，Proteus不僅能仿真單片機CPU的工作情況，而且能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其他電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，解決了實驗和工程應用脫節的矛盾，有利于學生實踐能力的培養。

2009年筆者立足我院實際教學需要，主持成立了《基于Proteus仿真單片機實驗實踐課程教學改革》課題研究小組，研究課題獲得了學院的大力支持與省級教改立項。我們主要從以下幾個方面的內容展開了研究：

（1）以Proteus虛擬仿真軟件為核心構建單片機虛擬仿真實驗室。

（2）結合仿真軟件構建新的實驗教學體制和方法。

（3）在傳統硬件實驗箱教學中引入電子仿真教學實現跨越性、自由性、創新性實驗實踐教學。

2010年該課題成果在電子信息工程專業和應用電子技術專業三個班的學生中進行了改革試點，取得了良好的效果，院級教研順利結題。

4.單片機實驗教學改革上的幾點應用

4.1單片機實驗教學

通過上述教學研究，我們形成了單片機實驗實踐教材，教材分為三章：第一章為實驗部分，主要是針對理論授課內容的重難點設計開發的基于Proteus仿真平臺的單片機基礎實驗，共為10個實驗，主要是對單片機內部資源編程應用的簡單實驗，例如P1口的使用—流水燈實驗、定時器實驗、外部中斷實驗和串口通信等基礎實驗，學生可以自由使用Proteus元件庫提供元器件按實驗內容自己畫原理圖，嘗試改寫或編寫簡單的應用程序，通過Proteus提供的虛擬儀表進行檢測，讓學生觀察實驗現象，了解實驗內涵。這樣既可以讓學生掌握單片機的內部硬件資源結構，又可以鍛煉學生的編程能力，還可以對常見的儀器儀表進行學習；第二章為開放性實驗部分，這部分主要是設計性實驗，對課內實驗起著補充作用，可以由老師在課堂上提出問題與拓展思路，學生自主基于Proteus仿真平臺完成課外實驗。第三章為綜合性實驗部分，由老師給出10個由易到難的設計性課題，讓學生自主完成設計，可以給出參考設計思路、原理圖、模塊程序。由學生自己根據設計要求完成整個電路的設計，并在Proteus虛擬仿真系統上進行驗證，目的是培養學生的主動思維能力與單片機系統綜合設計能力。

在單片機實驗課堂硬件實驗的基礎上引入Proteus虛擬仿真教學的優點就在于：相互輔助、相互補充配合。Proteus虛擬仿真實驗的優點在于可以不需要實驗硬件設備投入就可以完成大量的實驗，對于學生而言，計算機平臺容易普及利用，而不可能每個人都擁有一臺實驗箱。這樣，不受實驗室條件的限制，學生可以很容易開展自主實驗，在老師的指導下完成課外拓展性實驗。

4.2實驗考核方式改革

當然，新的實驗教學方法還必須配套新的考核方式。傳統的考核方式一般采用實驗箱操作抽簽實驗完成，但是學生往往對線路虛焊、導線接觸不良、仿真器燒壞了等問題苦惱，就算是平時都做出來的實驗，因為選定的設備問題導致焦慮情緒影響了實驗過程，這個情況在教學過程中經常遇到。新的考核方式主要是基于Proteus虛擬仿真平臺完成，不存在設備器材問題，學生具有最大的自主發揮的自由度，老師給出課堂實驗相近的設計性實驗課題，學生設計電路圖、編寫或改寫程序完成，以最終運行的實驗效果評定實驗成績。實驗報告必須有詳細的電路設計過程、源程序設計和實際運行效果圖片（Proteus截圖）。

成績算法為：實驗報告占20分，仿真實驗考核占60分，平時出勤10分，課外拓展實驗10分。

4.3開放性實驗

由于Proteus虛擬仿真平臺沒有局限性，實驗內容無限，可以開設的實驗課題與設計課題無限，可以擴展學生的思路和提高學生的學習興趣。軟件平臺的易搭建性，也可以有效地促進學生課外學習活動的開展。在我院，以Proteus軟件為核心建立的虛擬仿真實驗室N501作為長期對學生開放的重點實驗室，是我院電子、電氣等專業學生的課外創新實驗室，是具有電子興趣愛好的學生自主學習進行課外實驗的場所，主要是為了培養學生的創新能力，提供給學生一個自由開發的良好學習平臺。

4.4課外電子競賽培訓活動

同時，我們也將Proteus軟件平臺引入到電子競賽培訓活動當中，為各年度大學生電子設計競賽等科技活動提供一個良好的培訓學習平臺。

Proteus虛擬仿真實驗室的建立有利于創建興趣團隊，組織競賽培訓工作。工程設計項目一般由一個開發小組協作完成，可以培養和鍛煉學生的團隊協作精神。而我們采用培訓過程實際上就是單片機技術工程應用設計的實踐實訓過程：以項目為載體，以小組團隊為單位，借助電子仿真平臺，完成教學任務的同時培養了學生綜合素質、工程意識與職業素養。既促進了學生的系統開發能力培養，又促使學生形成基本的職業規范與職業技能，使學生能更快地與市場需求接軌。

5.結語

2011年9月份在江西省首屆“單片機技術Proteus電路仿真設計大賽”上，我院就獲得了一等獎（全省分數排名前三）的好成績，今年10月份在該項目上又連續獲得了一等獎的佳績。實踐再次表明，我院采取的Proteus仿真軟件在單片機實驗教學的幾項改革措施可以有效地促進學生創新設計能力提高。