《4路數(shù)字顯示搶答器》的教學(xué)設(shè)計(jì)——關(guān)于探討Protues仿真軟件在《單片機(jī)原理及應(yīng)用》中的應(yīng)用

鄒海珍

（廣州市輕工高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510000）

近年來，單片機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，作為微控制系統(tǒng)的核心，在工業(yè)控制、汽車電子、機(jī)器人、通信、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備與家用電器等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因而，國內(nèi)很多技工院校都將單片機(jī)課程作為電氣自動(dòng)化、機(jī)電一體化、電子信息等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。這是一門具有很強(qiáng)的實(shí)踐性的課程,而技工學(xué)校又以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用能力為主,這就對(duì)技工學(xué)校的單片機(jī)教學(xué)提出了更高的要求。如何提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是我們?cè)趩纹瑱C(jī)教學(xué)過程中重點(diǎn)考慮的問題。

1 傳統(tǒng)教學(xué)與基于Protues教學(xué)的比較

1.1 單片機(jī)傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

在傳統(tǒng)的單片機(jī)理論教學(xué)中，以老師講、學(xué)生聽為主要形式。而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，則主要依據(jù)教學(xué)對(duì)象、課堂教學(xué)內(nèi)容、進(jìn)度及學(xué)時(shí)量，利用計(jì)算機(jī)配合實(shí)驗(yàn)箱完成一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練。這種教學(xué)方式雖然能循序漸進(jìn)，學(xué)生也易于接受，但存在如下不足：（1）單片機(jī)理論內(nèi)容本就比較抽象難懂，在老師單純的理論講解中，學(xué)生容易開小差，久而久之，積累的問題就會(huì)越多，學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。（2）實(shí)驗(yàn)課中，實(shí)驗(yàn)箱里所有的元器件、線路板都是事先準(zhǔn)備好的，學(xué)生需要做的工作只是連連線，使用測(cè)試儀器儀表觀測(cè)并記錄一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，學(xué)生真正動(dòng)手操作的內(nèi)容較少，實(shí)操能力很難得到有效鍛煉。（3）實(shí)驗(yàn)主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生很難參與到其中的設(shè)計(jì),不利于培養(yǎng)和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，更難于挖掘?qū)W生潛能和發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力。（4）實(shí)驗(yàn)過程中需要用到的儀器較多,易造成設(shè)備的損壞,留給實(shí)訓(xùn)室工作人員的維護(hù)工作量也很大。另外，因?yàn)閱纹瑱C(jī)技術(shù)的迅速更新和發(fā)展,使許多學(xué)校設(shè)備落后、老化,不斷地購買儀器設(shè)備又會(huì)帶來資金耗費(fèi)嚴(yán)重等問題。

1.2 Proteus簡(jiǎn)介

Proteus仿真軟件由ISIS和ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成,其中ISIS是原理圖編輯和電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件,ARES是高級(jí)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(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，可一鍵切換到 PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。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(xué)優(yōu)勢(shì)

基于Proteus的單片機(jī)教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 基于Proteus的單片機(jī)教學(xué)流程圖

與傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)相比,用Proteus仿真軟件進(jìn)行教學(xué)時(shí),具有如下比較明顯的優(yōu)勢(shì):

（1）簡(jiǎn)單易學(xué)，充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。Proteus仿真軟件簡(jiǎn)單易學(xué),從電路圖設(shè)計(jì)到仿真再到PCB板設(shè)計(jì),都可以利用該軟件進(jìn)行,滿足學(xué)生對(duì)電路設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)。在仿真的過程中即使發(fā)現(xiàn)在硬件或是編程方面的不足,也能夠隨時(shí)修改。這樣既克服了傳統(tǒng)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)板上的硬件電路固定、學(xué)生不能更改的局限性,又能拓展學(xué)生的思路、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,并且提高了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力。

（2）硬件投入少,減少實(shí)驗(yàn)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(gè)元件庫,超過27000個(gè)仿真器件，功能強(qiáng)大，較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)省去了購買各種元器件的費(fèi)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(biāo)準(zhǔn)元件都是可靠和經(jīng)濟(jì)的。使用Proteus軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可減少元器件的損耗問題,在實(shí)驗(yàn)的過程中也是比較安全的。這樣既減少損耗，又可以讓學(xué)生大膽地進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（3）理實(shí)相結(jié)合，提高教學(xué)效果。只要一臺(tái)裝有Proteus軟件的計(jì)算機(jī)，教師就既能在理論課上演示實(shí)驗(yàn)效果，又能在實(shí)驗(yàn)室公共機(jī)房復(fù)習(xí)理論內(nèi)容，使單片機(jī)課程的理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相互滲透，相互交叉，有機(jī)地融合為一個(gè)整體，避免了在傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)模式中存在理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)人為割裂的現(xiàn)象。

綜上所述,基于Proteus的單片機(jī)教學(xué)比傳統(tǒng)教學(xué)在很多方面都有了改善,既節(jié)省硬件方面的開支,又達(dá)到了很好的實(shí)驗(yàn)效果,并且簡(jiǎn)單易學(xué),對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立創(chuàng)新能力有很大幫助。Proteus已經(jīng)成為單片機(jī)教學(xué)不可或缺的教學(xué)軟件之一。

2 基于Proteus四人搶答器的設(shè)計(jì)

2.1 四人搶答器設(shè)計(jì)的總體介紹

搶答器在知識(shí)競(jìng)賽、文體娛樂的搶答活動(dòng)中能準(zhǔn)確、公正的地判斷并顯示出搶答者的號(hào)碼，大大地增加了娛樂性的同時(shí)，也更加公平、公正。因而在搶答活動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。

四人搶答器的設(shè)計(jì)過程在硬件與軟件方面是同步進(jìn)行的。硬件部分主要由AT89C51單片機(jī)、數(shù)碼管顯示電路以及搶答按鍵電路等組成。軟件是在Keil環(huán)境下編寫,仿真環(huán)節(jié)在Proteus環(huán)境下進(jìn)行。由于Keil與Proteus有聯(lián)調(diào)的功能,所以編寫好的程序可以實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)試。最終的設(shè)計(jì)程序需要生成hex文件,在Proteus軟件中嵌入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行仿真。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

四人搶答器硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)器 件 包 括 AT89C51、CAP、CAP-ELEC、CRYSTAL、RES、74LS14、BUTTON、電源和數(shù)碼管。

電路中共有5個(gè)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(shù)碼管顯示最先按鍵的選手的號(hào)碼并保持到下一次搶答開始。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括程序初始化、按鍵檢測(cè)、顯示數(shù)據(jù)等部分(如圖3所示)。

圖3 程序流程圖

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在軟件上進(jìn)行程序編寫、編譯。

2.4 仿真調(diào)試

在Protues軟件上繪制好原理圖后，調(diào)入已編譯好的目標(biāo)代碼文件：*.hex，就可以在原理圖中看到模擬的實(shí)物操作狀態(tài)。在系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管無顯示，當(dāng)按下“開始”按鈕后，隨機(jī)按下1~4號(hào)按鈕，數(shù)碼管顯示最先按鍵的選手號(hào)碼并保持。進(jìn)行下一輪搶答時(shí)，只需再次按下“開始”按鈕即可再次搶答。

3 結(jié)束語

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，任課老師在課前就需要把儀器設(shè)備及元器件準(zhǔn)備好，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟按部就班的進(jìn)行，這就把學(xué)生置于被動(dòng)地位，很少有機(jī)會(huì)能按自己的思維開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。而利用Protues軟件和一臺(tái)計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，打破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以在不同的時(shí)間、地點(diǎn)和領(lǐng)域自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)他們提出問題、分析問題和解決問題的能力，并可以根據(jù)自己的想法，進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，利用Protues軟件，對(duì)教師的教學(xué)也是一個(gè)很好的提高和促進(jìn)，計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)給了教師一個(gè)更好的平臺(tái)，可在沒有實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和實(shí)驗(yàn)室的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)。

［1］徐萍，主編.單片機(jī)技術(shù)項(xiàng)目教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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［5］孫駟洲,陸華才.Proteus軟件在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].科技信息，2013（1）.