Proteus仿真軟件在單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

黃麗軍

摘要：針對單片機(jī)技術(shù)這門課程傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足，引入Proteus仿真軟件輔助教學(xué)，可以增加實(shí)驗(yàn)的多樣性，同時(shí)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)效果。文章指出了單片機(jī)課程教學(xué)中面臨的問題，分析了Proteus在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢，提出應(yīng)用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)的多種措施。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)技術(shù)；Proteus仿真；實(shí)踐教學(xué)

單片機(jī)課程是在高校應(yīng)用電子、通信電子、機(jī)電一體化技術(shù)及電氣自動化等專業(yè)的核心課程。當(dāng)前各院校的教學(xué)中都面臨著單片機(jī)這門課程既難教又難學(xué)，教學(xué)效果不太理想的情況，針對該課程實(shí)踐性很強(qiáng)的特點(diǎn)，尋求一種能更好地促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)及提升學(xué)習(xí)能力的教學(xué)模式、教學(xué)方法，是每一位任課教師迫切關(guān)注的問題。而EDA軟件Proteus不僅能滿足單片機(jī)課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中的多種要求，幫助學(xué)生直觀有效地掌握所學(xué)知識，縮短從理論知識到實(shí)際應(yīng)用的過程，而且其靈活自主的應(yīng)用模式使學(xué)生更能體驗(yàn)到學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)及設(shè)計(jì)的魅力。

1單片機(jī)課程教學(xué)中面臨的問題

1.1傳統(tǒng)的課堂理論教學(xué)存在的問題

目前國內(nèi)的大專院校單片機(jī)教學(xué)多是先課堂理論教學(xué)為主，后輔以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)。在理論的教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)編排上通常以單片機(jī)的組成為主線，按照單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)原理、程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的擴(kuò)展及接口電路等順序進(jìn)行講授，再輔以相應(yīng)的實(shí)例。學(xué)生接觸這些課程內(nèi)容若只是孤立的記憶，缺乏宏觀系統(tǒng)的認(rèn)識和感性認(rèn)識，則會普遍感到抽象難學(xué)，甚至學(xué)到一半就退縮放棄。

1.2傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)面臨的問題

單片機(jī)技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，主要培養(yǎng)學(xué)生工程分析研發(fā)、設(shè)計(jì)、制作調(diào)試能力。當(dāng)前各大教育電子產(chǎn)商推出的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都配備了詳盡的實(shí)驗(yàn)說明書及講義，表面上實(shí)驗(yàn)設(shè)備越來越先進(jìn)越智能，但是對學(xué)生們來說，做實(shí)驗(yàn)時(shí)的動手和動腦的可能性程度就越小，往往這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備是按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別模塊化組合，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是按照實(shí)驗(yàn)手冊連接導(dǎo)線、輸入或下載程序、程序執(zhí)行、驗(yàn)證結(jié)果的模式完成的，需要學(xué)生動手設(shè)計(jì)的內(nèi)容很少，難以參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，往往學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后，對實(shí)驗(yàn)的硬件連接原理和程序編寫仍不知所以然，很難真正提高動手能力，學(xué)習(xí)效果也大打折扣[1]。

2Proteus在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

單片機(jī)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，削弱了學(xué)習(xí)效果，當(dāng)前每一位任課教師都急于探求出一種能更好地培養(yǎng)學(xué)生能力的教學(xué)模式。因此近年來很多高校采

用了虛擬現(xiàn)實(shí)的仿真技術(shù)作為單片機(jī)課程實(shí)踐部分的補(bǔ)充和強(qiáng)化，其中Proteus仿真軟件是非常適合于單片機(jī)教學(xué)的一款仿真實(shí)驗(yàn)軟件。

Proteus軟件是來自英國LabcenterElectronics公司的EDA工具軟件，除具有非常強(qiáng)大的原理圖編輯、印制電路板（PrintedCircuitBoard，PCB）自動或人工布線及電路仿真的功能外[2]，其獨(dú)特的功能在于可直接基于原理圖的虛擬原型上與Keil聯(lián)調(diào)實(shí)現(xiàn)微處理器的軟硬件調(diào)試，并進(jìn)行功能效果驗(yàn)證是目前最優(yōu)秀的單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺。使用Proteus仿真軟件進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)演示及實(shí)驗(yàn)仿真，顯然有著明顯的優(yōu)勢。

2.1Proteus軟件的實(shí)驗(yàn)資源非常豐富

Proteus軟件提供了包含數(shù)字和模擬等30多個(gè)元件庫，支持各種模擬和數(shù)字電路的仿真，還自帶各種虛擬儀器儀表，同時(shí)Proteus還支持51系列、PIC系列等主流單片機(jī)的仿真[4]。相比單片機(jī)實(shí)驗(yàn)箱只能支持單一的單片機(jī)CPU系列及有限的常用外圍接口電路，Proteus不僅能仿真多種單片機(jī)CPU的工作情況，還能仿真單片機(jī)的外圍接口電路以及其他電路的工作情況。通過Proteus軟件對單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行綜合仿真，能直觀地看到程序運(yùn)行前后的輸入輸出情況，對改善學(xué)生的理解和擴(kuò)展學(xué)生的思路有很大的幫助。

2.2大幅減少硬件投入成本

在單片機(jī)課程的教學(xué)中，教師通過一臺計(jì)算機(jī)，借助Proteus對CPU和外圍電路強(qiáng)大的仿真能力，在幾乎不需要硬件的條件下，就能將實(shí)驗(yàn)過程、原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀展現(xiàn)出來；同時(shí)Proteus軟件可以有效替代硬件仿真器進(jìn)行前期的軟硬件調(diào)試，學(xué)生可通過一臺計(jì)算機(jī)按要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)電路，從而幫助學(xué)生利用更多的時(shí)間和手段學(xué)到更多的知識。

3應(yīng)用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)的多種措施

3.1將Proteus仿真引入單片機(jī)教學(xué)中的意義

引入Proteus仿真工具作為單片機(jī)教學(xué)的輔助手段，有效提高了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生對課程內(nèi)容及原理的理解和掌握。更重要的是引導(dǎo)學(xué)生在面對單片機(jī)某個(gè)應(yīng)用的設(shè)計(jì)中，學(xué)會應(yīng)用類似Proteus仿真技術(shù)進(jìn)行組合電路設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試等方法，這種應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行單片機(jī)設(shè)計(jì)的能力不僅使得學(xué)生面臨企業(yè)用人單位的技術(shù)水平需求提高時(shí)能更加自信，而且借助Proteus軟件對CPU和外圍電路強(qiáng)大的仿真能力以及豐富的資源庫，可有效提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期，有助于學(xué)生盡快融入工作并取得成績。

3.2將Proteus引入單片機(jī)課堂教學(xué)

利用Proteus軟件輔助課堂理論教學(xué)，教師可以更有效地解決教學(xué)中的難點(diǎn)，比如通過Proteus仿真軟件來動態(tài)演示51單片機(jī)中的準(zhǔn)雙向并行口P0?P3的應(yīng)用、中斷的產(chǎn)生及響應(yīng)、數(shù)據(jù)存儲器及可尋址位的分配及應(yīng)用等用PPT及靜態(tài)圖片都難以直觀解釋的教學(xué)難點(diǎn)。在Proteus仿真中，教師可教導(dǎo)學(xué)生通過單步調(diào)試執(zhí)行的方法在仿真示波器中觀察到每一條指令執(zhí)行后引腳的高低電平變化，進(jìn)而來理解單片機(jī)芯片及外圍接口芯片的引腳功能。在教學(xué)匯編程序編程中，當(dāng)改變某條段指令或是跳轉(zhuǎn)執(zhí)行某段程序時(shí)，通過Proteus軟件的幫助，可以讓學(xué)生觀察到指令及程序運(yùn)行效果從而深刻理解指令的功能應(yīng)用[5]。由于在課堂教學(xué)中加入了仿真環(huán)節(jié)，學(xué)生可以直觀地學(xué)習(xí)和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使抽象理論變得相對形象易懂，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)效果明顯提尚。endprint

3.3用Proteus仿真改進(jìn)單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)

單片機(jī)課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，不管是課程學(xué)習(xí)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)還是課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，乃至畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對于單片機(jī)技術(shù)的實(shí)際掌握都是至關(guān)重要的。而傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課時(shí)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用時(shí)間對學(xué)生而言都是非常有限的，不允許每個(gè)學(xué)生做到充分的實(shí)驗(yàn)操作，完全不能夠達(dá)到鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的目標(biāo)，當(dāng)然也不能夠達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的目標(biāo)。

為了解決這個(gè)問題，教師可以教導(dǎo)學(xué)生利用課余時(shí)間在非實(shí)驗(yàn)室的場合按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來進(jìn)行單片機(jī)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原理圖和程序調(diào)試，并學(xué)習(xí)利用Proteus里的虛擬儀器對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測，之后再讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際操作和驗(yàn)證。這樣學(xué)生不僅有了充裕的時(shí)間了解單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)，而且鍛煉了單片機(jī)編程技術(shù)和測量儀器的綜合使用技能，極大地開拓了單片機(jī)學(xué)習(xí)的空間，降低了單片機(jī)的學(xué)習(xí)成本，提高學(xué)生對單片機(jī)設(shè)計(jì)的水平。

同樣，在課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，為培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識，可以讓學(xué)生根據(jù)自己的想法及掌握知識的程度自由選擇設(shè)計(jì)題目。設(shè)計(jì)之始，教師與學(xué)生共同探討方案的可行性，要求學(xué)生首先應(yīng)用Proteus自主設(shè)計(jì)仿真硬件電路，編制程序并調(diào)試，在采用Proteus軟件仿真成功之后，再購買電子元器件進(jìn)行電路板制作焊接、系統(tǒng)調(diào)試和程序固化，最終每個(gè)設(shè)計(jì)小組獨(dú)立完成一項(xiàng)單片機(jī)控制任務(wù)。在設(shè)計(jì)項(xiàng)時(shí)盡量考慮實(shí)驗(yàn)室可提供的實(shí)驗(yàn)箱軟硬件資源，以方便仿真的結(jié)果在實(shí)驗(yàn)箱上的實(shí)現(xiàn)。先用Proteus仿真再實(shí)物制作的實(shí)踐方式使得學(xué)生能夠借助PC機(jī)在虛擬環(huán)境下完成單片機(jī)開發(fā)中從電路設(shè)計(jì)、電路板制作到軟硬件調(diào)試及系統(tǒng)調(diào)試等必要過程，省去了傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)流程中需對硬件和軟件進(jìn)行反復(fù)調(diào)試修改的繁瑣，不但大大提高單片機(jī)設(shè)計(jì)的效率，降低了設(shè)計(jì)費(fèi)用，而且學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣高漲，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰烷_發(fā)能力有了很大提尚[6]。

4結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，高等教育的教學(xué)模式也在不斷地變革和創(chuàng)新，為了彌補(bǔ)單片機(jī)技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)方法的不足而引入Proteus仿真軟件輔助教學(xué)，增加了實(shí)驗(yàn)的多樣性和可操作性，減少了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和硬件的消耗，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率，明顯激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，有效提高了學(xué)習(xí)效果，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

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