單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

肖艷軍 孟憲樂

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，中國 天津300130）

0 引言

由于單片機(jī)體積小、成本低、控制功能強(qiáng)，易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，使得它作為智能控制核心被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。所以說單片機(jī)的開發(fā)已成為目前高校電子和計(jì)算機(jī)等相關(guān)專業(yè)學(xué)生必備的能力。

然后現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一般的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通常為固定線路，學(xué)習(xí)者只能依照該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的接線，然后將代碼輸入，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，幾乎沒有自由創(chuàng)新和開發(fā)的空間。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)量也很難達(dá)到人手一臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，加上課時(shí)的限制使得大多數(shù)學(xué)生無法在課上得到充分的鍛煉。基于現(xiàn)如今電腦的普及，軟件的高度開發(fā)，筆者在此基礎(chǔ)上增加了將Proteus與Keil整合應(yīng)用于單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的環(huán)節(jié)，使學(xué)生可以在課下進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自己開發(fā)簡(jiǎn)單項(xiàng)目的能力，達(dá)到理論與實(shí)際的合理過渡。

1 Keil軟件的編程訓(xùn)練

作為一種高級(jí)語言，C語言已成為高校好多專業(yè)所必修的課程。而在單片機(jī)開發(fā)中，大多企業(yè)的軟件開發(fā)也是以C51為主。在此形勢(shì)下,原來實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一貫的匯編語言開發(fā)環(huán)境顯然已跟不上時(shí)代的發(fā)展,對(duì)學(xué)生就業(yè)造成一定的影響。鑒于學(xué)生此前學(xué)習(xí)過C語言程序設(shè)計(jì),,加上C51語言編程簡(jiǎn)單易入門的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生由匯編語言向C語言過渡會(huì)容易的多。因而，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境上可以安裝C開發(fā)環(huán)境——Keil uvision軟件。

Keil uvision4是基于C51的集成開發(fā)環(huán)境，支持匯編和C51編程，可編譯生成HEX下載文件。若掛接與目標(biāo)處理器相應(yīng)的硬件仿真器可直接進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，若純軟件實(shí)驗(yàn)還可完全不需要硬件而單獨(dú)調(diào)試程序。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí),只有在精確控制時(shí)，如頻率、時(shí)間的控制上用匯編語言，其余部分均可用C51來完成編程。C51編程部分還可以通過在自己電腦上安裝Keil軟件完成對(duì)應(yīng)的課前預(yù)習(xí)和課后總結(jié)任務(wù)，使課堂上的時(shí)間不會(huì)太過緊促。

2 采用Proteus輔助設(shè)計(jì)

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出品的電路分析與仿真軟件。軟件特點(diǎn)如下：（1）單片機(jī)仿真與SPICE電路仿真相結(jié)合；（2）支持示波器、信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀等虛擬儀器，器儀具有理想?yún)?shù)指標(biāo)，例如極高輸入阻抗或極低輸出阻抗，這些都盡可能減少了儀器對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，支持眾多外部模擬和數(shù)字器件；（3）自身提供軟件調(diào)試功能，也支持Keil C51等外部編譯和調(diào)試環(huán)境。

Proteus允許用戶搭建以單片機(jī)為核心的完整電路系統(tǒng)，并進(jìn)行整體硬件仿真和軟件調(diào)試，能真正對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。利用Proteus軟件，學(xué)生的硬件電路將不再受限于實(shí)驗(yàn)箱固有的模式，可以充分發(fā)揮自己的想象力進(jìn)行自主開發(fā)。在課上老師可以進(jìn)行簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)如單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建與仿真的任務(wù)分配，而課下則要求每人根據(jù)自己興趣進(jìn)行一個(gè)稍微復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)。這樣，學(xué)生即使離開實(shí)驗(yàn)室，脫離實(shí)驗(yàn)箱，也可以進(jìn)行完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，而且能通過仿真看到結(jié)果。學(xué)生可以自由發(fā)揮設(shè)計(jì)靈感，不受既有電路的限制，大大鍛煉了學(xué)生自主創(chuàng)新的能力，可謂之后工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3 基于Proteus+Keil的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

鑒于proteus支持Keil作為外部編譯和調(diào)試環(huán)境的特點(diǎn)，Proteus和Keil軟件的結(jié)合使用已成為單片機(jī)制作初期常用的手段。在電路板實(shí)際制作之前，開發(fā)者可通過Proteus和Keil軟件進(jìn)行所需功能的仿真，達(dá)到要求后再進(jìn)行具體元器件及PCB板的購買，大大節(jié)省了開發(fā)周期和開發(fā)成本。

單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也可以把Proteus與Keil仿真軟件整合起來使用。首先采用Proteus軟件繪制硬件電路圖,然后通過Keil進(jìn)行軟件部分的程序設(shè)計(jì),最后再通過兩部分的整合進(jìn)行真調(diào)試。在實(shí)驗(yàn)室的電腦上安裝好這兩個(gè)軟件，老師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中向?qū)W生展示其功能及應(yīng)用,然后在課堂上讓學(xué)生完成基本功能的使用。要求學(xué)生在自己的電腦上也安裝這個(gè)軟件,利用課余時(shí)間自己動(dòng)手做像LED發(fā)光管，蜂鳴器發(fā)聲、鍵盤控制、數(shù)碼管、AD模塊轉(zhuǎn)換等小實(shí)驗(yàn)。

4 傳統(tǒng)方法與新方法的有機(jī)結(jié)合

根據(jù)單片機(jī)課程的特點(diǎn)，傳統(tǒng)方法的存在與課堂內(nèi)容更接近；而文章介紹的新方法則更貼近于就業(yè)，因而做到傳統(tǒng)方法與新方法的有機(jī)結(jié)合將是培養(yǎng)高水平人才的關(guān)鍵所在。為達(dá)到上述目標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)、開放實(shí)驗(yàn)三部分。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要是基本硬件的認(rèn)識(shí)、基本指令的使用與匯編語言的設(shè)計(jì)。這是對(duì)學(xué)生課堂知識(shí)的鞏固，幫助學(xué)生消化課堂上的知識(shí)。

綜合實(shí)驗(yàn)則包括硬件接線和軟件編程兩部分。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供基本電路，但完成實(shí)驗(yàn)要求還需要學(xué)生在掌握各模塊功能的前提下自主接線。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書只給出了任務(wù)、要求和原理性說明，學(xué)生必須根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵髞泶罱ㄖ黧w電路，然后編寫程序，最后進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。學(xué)生需認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告和調(diào)試心得，作為實(shí)驗(yàn)考核的一部分。

開放實(shí)驗(yàn)室是由教師帶動(dòng)學(xué)生在課下自主完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的環(huán)節(jié)，它是對(duì)課堂內(nèi)容的補(bǔ)充和升華，是學(xué)生充分發(fā)揮自主創(chuàng)新能力的環(huán)節(jié)，也是解決儀器損壞、儀器數(shù)量不足、內(nèi)容多等問題的重要手段。指導(dǎo)老師可以鼓勵(lì)學(xué)生自主提出感興趣的題目進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，也可提出幾個(gè)方向供學(xué)生選擇。這樣，領(lǐng)悟能力高的學(xué)生有了發(fā)展才華的機(jī)會(huì)，很有可能開發(fā)出新穎的實(shí)驗(yàn)電路，得到滿意的仿真結(jié)果，甚至焊接出實(shí)現(xiàn)功能的電路板。貪玩的學(xué)生也會(huì)有完成課余任務(wù)的壓力與緊迫感，提高他們的自制力，自覺完成任務(wù)。另外，學(xué)生需在課下利用Proteus和Keil軟件進(jìn)行軟硬件的調(diào)試，而課堂只作為對(duì)學(xué)生進(jìn)行答疑和供學(xué)生相互交流的環(huán)境。調(diào)試過程和結(jié)果可以PPT的形式展示，作為實(shí)驗(yàn)考核的重點(diǎn)。

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是過渡實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和過渡實(shí)驗(yàn)又是順利完成綜合實(shí)驗(yàn)必不可少的環(huán)節(jié)。根據(jù)課時(shí)情況有條理地分配和穿插三部分，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生自主完成項(xiàng)目開發(fā)的能力。

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ竭^于貼近課本，是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，作為基礎(chǔ)可以很好的幫助學(xué)生消化課堂上的知識(shí)。利用Proteus與Keil進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)，具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，為單片機(jī)實(shí)驗(yàn)改革提供了一個(gè)很好的思路。在傳統(tǒng)模式讓學(xué)生學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際的方法的基礎(chǔ)上，利用Proteus與Keil進(jìn)行單片機(jī)有關(guān)軟硬件技術(shù)的自主訓(xùn)練，大大培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。這種通過“軟硬結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為主體的個(gè)性化教育模式，為學(xué)生在以后更高層次的深入應(yīng)用和工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)學(xué)習(xí)輔導(dǎo)與實(shí)踐教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004,6.

［2］唐涌杰,王禎巖,等.面向21世紀(jì)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思路[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2000(5):8-10.

［3］劉應(yīng)群，孫兵,等.Proteus與Keil在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010（11）:42-43.

［4］伍馮潔,謝陳躍,等.Proteus與Keil在單片機(jī)開放性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].電子測(cè)量技術(shù),2008（6）:100-103.