基于Proteus的單片機原理與應用的教學改革*

萬松峰

（東莞職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，廣東 東莞 523808）

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基于Proteus的單片機原理與應用的教學改革*

萬松峰

（東莞職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，廣東 東莞 523808）

摘要：針對單片機原理與應用課程的內(nèi)容抽象、實踐性強的特點，分析教學中存在的問題，提出基于Proteus仿真軟件的單片機原理與應用的教學改革。通過單片機濕度測量項目展示了單片機課程利用Proteus仿真軟件實現(xiàn)“做中學”“學中練”的理實一體化項目教學過程，建立以項目開發(fā)為課程內(nèi)容，以學生實踐項目開發(fā)為中心的教學模式，突出培養(yǎng)學生的單片機開發(fā)應用能力，提高了教學效果。

關(guān)鍵詞：單片機；Proteus；教學改革；濕度測量

引言

單片機技術(shù)是工科類學生一門重要的實踐課程，單片機技術(shù)開發(fā)應用能力是工科類人員必備技能之一。單片機教學模式一般先講單片機工作原理內(nèi)部結(jié)構(gòu)后講單片機指令系統(tǒng)和應用，學習者很難入門感覺課程枯燥乏味失去信心學習。先理論后實踐的模式教學以單片機內(nèi)部原理和匯編指令講解為核心的教學模式形成理論和實踐脫節(jié)，學生沒有單片機開發(fā)的感性認識和工程體驗，應用能力不足。

單片機應用系統(tǒng)的開發(fā)包括系統(tǒng)設計、單片機電路設計、單片機軟件設計和單片機系統(tǒng)調(diào)試等幾個階段。傳統(tǒng)實驗室無法及時滿足單片機應用系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試要求，影響學生實際分析和解決單片機問題的能力，也影響學生的實踐動手技能和科技創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。Proteus軟件仿真功能可以虛擬出一個設備齊全的單片機專業(yè)實驗室，單片機系統(tǒng)設計、單片機電路設計、單片機軟件設計和單片機系統(tǒng)調(diào)試都可在同一個計算機的上進行。利用Proteus軟件實現(xiàn)單片機課程“做中學”“學中練”的理實一體化項目教學。

一、基于Proteus軟件單片機的教學改革

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐步成為分析與輔助設計的重要工具，大量仿真軟件代替硬件進行學習，用于控制工程的Matlab、用于電工電子的Multisim等。Proteus是英國Lab center Electronics公司開發(fā)的可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路的仿真軟件，是將電路仿真軟件、PCB設計軟件和模型仿真軟件合一的設計平臺，還包含各種虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。利用該軟件將單片機課程理論教學和實踐應用融為一體進行項目化教學改革。

在單片機項目化教學改革中，通過項目化的教學使學生真正掌握分析問題、解決問題的思路與過程，實現(xiàn)單片機課程培養(yǎng)目標。實施中對解決現(xiàn)實問題進行探討，邊做邊學符合人的認知規(guī)律，循序漸進地引導學生掌握相應的知識和技能。既能增強實踐的具體體驗，又能增強理論運用的活力，尤其適用于應用性人才的培養(yǎng)。單片機教學以項目為載體，將理論與實踐相結(jié)合，學生成為分析和解決實際問題的主角，學生在做項目的過程中感知知識和訓練技能提高學習效果和實踐能力。

單片機項目化教學中，具體項目課題的選擇與設計是至關(guān)重要的，直接影響到教學效果。教師以教學標準為依據(jù)，培養(yǎng)學生基本技能和創(chuàng)新能力為出發(fā)點，結(jié)合單片機技術(shù)的應用實際，擬定難度適宜循序漸進的項目。根據(jù)我校學生特點和單片機教學要求設置16個項目見表1。單片機項目化教學主要包括任務要求、任務分析、解決方案、任務實施、任務總結(jié)、任務拓展等。在項目化教學實施過程中，學生要明確任務要求帶著問題去學習；通過對任務分析確定解決方案，將確定的解決方案直接實施加強對所學知識的理解；任務實施后對整個過程進行總結(jié)分析，最后再拓展創(chuàng)新，加強學生獨立思考、動手的能力。

二、基于Proteus軟件單片機的教學實施

以項目15濕度測量為例，介紹Proteus軟件在單片機項目化教學過程的實施。

（一）任務要求

利用HS1101電容式相對濕度傳感器測量濕度，濕度高于50%亮紅燈否則亮綠燈。

（二）任務分析

HS1101電容傳感器可以等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。電容的變化通過555振蕩電路中準確地轉(zhuǎn)變?yōu)榉幢鹊碾妷侯l率信號。單片機通過P3.5口測量頻率來實現(xiàn)濕度測量。

表1單片機課程項目結(jié)構(gòu)表

（三）解決方案

濕度測量解決方案框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框圖

（四）任務實施

1.硬件設計

根據(jù)項目方案設計電路原理草圖后在Proteus軟件平臺選擇器件并繪制硬件電路原理圖，如圖2所示。這個電路原理圖包含了51單片機最小系統(tǒng)、濕度測量電路、數(shù)碼管顯示電路、LED燈指示電路等。

圖2 HS1101濕度測量電路圖

濕度測量電路由555芯片、電阻和HS1101構(gòu)成一個多諧波振蕩器，HS1101的等效電容通過R16和R17充電達到上限電壓（近似于0.67 VCC，時間記為t1），這時555的引腳3由高電平變?yōu)榈碗娖剑缓笸ㄟ^R17開始放電，由于R16被7引腳內(nèi)部短路接地，所以只放電到觸發(fā)界線（近似于0.33 VCC，時間記為t2），這時555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖健Ｍㄟ^不停充放電，產(chǎn)生方波輸出。輸出波形的頻率公式f=1/T=1/（t1+t2）=1/ （2*R17+R16）ln2，再根據(jù)典型頻率與濕度對應關(guān)系就可以得到相對濕度值。

2.軟件設計

程序主要包括系統(tǒng)初始化模塊、T0定時模塊、T1計數(shù)模塊、頻率濕度轉(zhuǎn)換、顯示指示模塊。軟件流程圖如圖3所示。

圖3程序流程圖

3.系統(tǒng)仿真

利用Protues繪制原理圖，通過Keil C對源程序進行編譯、鏈接后聯(lián)機調(diào)試，讓學生完成整個項目開發(fā)，濕度仿真效果圖4所示。

4.任務總結(jié)

通過任務總結(jié)再次對單片機定時/計數(shù)器、程序流程圖及C語言編程進行簡要總結(jié)，并強調(diào)本次任務中的問題點和解決辦法。

圖4濕度仿真效果圖

5.任務拓展

要求學生在本次任務的基礎上增加加濕模塊實現(xiàn)濕度控制。

三、結(jié)束語

基于Proteus仿真軟件在單片機原理與應用課程教學的應用，是對教學方法和教學實踐的一種改革，通過項目實踐感知單片機在理論知識和體驗工程實踐，有利于學生掌握單片機的基本原理和應用，有利于學生系統(tǒng)分析和設計能力、硬件電路設計能力、軟件設計能力和實踐動手能力的培養(yǎng)。

參考文獻

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中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）14-0121-03

*基金項目：廣東機電教指委教改項目（編號：jd201513）；東莞職業(yè)技術(shù)學院院級教改項目（編號：S1501060102）

作者簡介：萬松峰（1979-），男，漢，河南商丘，講師/工程師，碩士研究生，主要研究方向為機電控制。

Abstract:According to the abstract concept and practical features in the course of MCU principle and application，this paper analyzes the problems that exist in our teaching and proposes a teaching reform of MCU principles and applications course based on Proteus.Through the project of measurement humidity，this paper shows the process of the project teaching in which teachers use Proteus simulation software to achieve'doing'in'learning'and 'learning'in'doing'in order to establish the teaching model in which project development is teaching content students practice is course center.The students'ability of the MCU development and application is improved，thus the teaching practice has a better teaching effect.

Keywords:MCU；Proteus；teaching reform；humidity measurement