《4路數字顯示搶答器》的教學設計——關于探討Protues仿真軟件在《單片機原理及應用》中的應用

鄒海珍

（廣州市輕工高級技工學校，廣東 廣州 510000）

近年來，單片機技術飛速發展，作為微控制系統的核心，在工業控制、汽車電子、機器人、通信、計算機外圍設備與家用電器等眾多領域得到廣泛的應用。因而，國內很多技工院校都將單片機課程作為電氣自動化、機電一體化、電子信息等專業的重要專業基礎課程。這是一門具有很強的實踐性的課程,而技工學校又以培養技術應用能力為主,這就對技工學校的單片機教學提出了更高的要求。如何提高學生的實踐能力和創新能力是我們在單片機教學過程中重點考慮的問題。

1 傳統教學與基于Protues教學的比較

1.1 單片機傳統教學中存在的問題

在傳統的單片機理論教學中，以老師講、學生聽為主要形式。而在實驗教學中，則主要依據教學對象、課堂教學內容、進度及學時量，利用計算機配合實驗箱完成一定數量的實驗訓練。這種教學方式雖然能循序漸進，學生也易于接受，但存在如下不足：（1）單片機理論內容本就比較抽象難懂，在老師單純的理論講解中，學生容易開小差，久而久之，積累的問題就會越多，學生容易產生厭學情緒。（2）實驗課中，實驗箱里所有的元器件、線路板都是事先準備好的，學生需要做的工作只是連連線，使用測試儀器儀表觀測并記錄一下實驗結果。因此，學生真正動手操作的內容較少，實操能力很難得到有效鍛煉。（3）實驗主要以驗證性實驗為主，學生很難參與到其中的設計,不利于培養和調動學生學習積極性和主動性，更難于挖掘學生潛能和發揮學生的創造力。（4）實驗過程中需要用到的儀器較多,易造成設備的損壞,留給實訓室工作人員的維護工作量也很大。另外，因為單片機技術的迅速更新和發展,使許多學校設備落后、老化,不斷地購買儀器設備又會帶來資金耗費嚴重等問題。

1.2 Proteus簡介

Proteus仿真軟件由ISIS和ARES兩個軟件構成,其中ISIS是原理圖編輯和電子系統仿真平臺軟件,ARES是高級的布線編輯軟件,是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)。從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，可一鍵切換到 PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和 MPLAB等多種編譯。

1.3 基于Proteus仿真的教學優勢

基于Proteus的單片機教學流程如圖1所示。

圖1 基于Proteus的單片機教學流程圖

與傳統單片機教學相比,用Proteus仿真軟件進行教學時,具有如下比較明顯的優勢:

（1）簡單易學，充分激發學生學習興趣。Proteus仿真軟件簡單易學,從電路圖設計到仿真再到PCB板設計,都可以利用該軟件進行,滿足學生對電路設計及程序設計的學習。在仿真的過程中即使發現在硬件或是編程方面的不足,也能夠隨時修改。這樣既克服了傳統單片機實驗教學中實驗板上的硬件電路固定、學生不能更改的局限性,又能拓展學生的思路、提高學生的學習興趣,并且提高了學生的創新意識與創新能力。

（2）硬件投入少,減少實驗損耗。 Proteus 支持 8051、8086、AVR、ARM等多種處理器模型,為我們提供了30多個元件庫,超過27000個仿真器件，功能強大，較傳統實驗教學省去了購買各種元器件的費用。在Proteus所提供的元件庫中,大部分元件可以直接用于接口電路的搭建,并且這些標準元件都是可靠和經濟的。使用Proteus軟件進行實驗可減少元器件的損耗問題,在實驗的過程中也是比較安全的。這樣既減少損耗，又可以讓學生大膽地進行創新設計。

（3）理實相結合，提高教學效果。只要一臺裝有Proteus軟件的計算機，教師就既能在理論課上演示實驗效果，又能在實驗室公共機房復習理論內容，使單片機課程的理論教學環節和實踐教學環節相互滲透，相互交叉，有機地融合為一個整體，避免了在傳統單片機教學模式中存在理論教學環節和實踐教學環節人為割裂的現象。

綜上所述,基于Proteus的單片機教學比傳統教學在很多方面都有了改善,既節省硬件方面的開支,又達到了很好的實驗效果,并且簡單易學,對提高學生學習的積極性和培養學生的獨立創新能力有很大幫助。Proteus已經成為單片機教學不可或缺的教學軟件之一。

2 基于Proteus四人搶答器的設計

2.1 四人搶答器設計的總體介紹

搶答器在知識競賽、文體娛樂的搶答活動中能準確、公正的地判斷并顯示出搶答者的號碼，大大地增加了娛樂性的同時，也更加公平、公正。因而在搶答活動中得到廣泛的應用。

四人搶答器的設計過程在硬件與軟件方面是同步進行的。硬件部分主要由AT89C51單片機、數碼管顯示電路以及搶答按鍵電路等組成。軟件是在Keil環境下編寫,仿真環節在Proteus環境下進行。由于Keil與Proteus有聯調的功能,所以編寫好的程序可以實時進行調試。最終的設計程序需要生成hex文件,在Proteus軟件中嵌入單片機內進行仿真。

2.2 硬件設計

四人搶答器硬件系統如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

系統器 件 包 括 AT89C51、CAP、CAP-ELEC、CRYSTAL、RES、74LS14、BUTTON、電源和數碼管。

電路中共有5個按鈕，主持人在讀完題后按下“開始”按鈕后，4位參賽選手開始搶答，使用1位數碼管顯示最先按鍵的選手的號碼并保持到下一次搶答開始。

2.3 軟件設計

系統的軟件設計包括程序初始化、按鍵檢測、顯示數據等部分(如圖3所示)。

圖3 程序流程圖

學生根據設計要求，在軟件上進行程序編寫、編譯。

2.4 仿真調試

在Protues軟件上繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.hex，就可以在原理圖中看到模擬的實物操作狀態。在系統上電后，數碼管無顯示，當按下“開始”按鈕后，隨機按下1~4號按鈕，數碼管顯示最先按鍵的選手號碼并保持。進行下一輪搶答時，只需再次按下“開始”按鈕即可再次搶答。

3 結束語

在傳統的實驗教學中，任課老師在課前就需要把儀器設備及元器件準備好，學生按照實驗步驟按部就班的進行，這就把學生置于被動地位，很少有機會能按自己的思維開展創新性實驗。而利用Protues軟件和一臺計算機就能進行單片機仿真實驗，打破了時間和空間的限制，學生可以在不同的時間、地點和領域自主進行實驗，增強他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并可以根據自己的想法，進行創新性的設計實驗。同時，利用Protues軟件，對教師的教學也是一個很好的提高和促進，計算機仿真與虛擬儀器技術給了教師一個更好的平臺，可在沒有實驗經費和實驗室的情況下進行實驗研究和設計。

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