基于Protues的單片機原理及應用教學改革研究

葛恒清 王欣

摘 要 針對傳統單片機原理及應用課程教學中所存在的問題，提出運用Protues軟件進行輔助教學改革研究，通過教學實例低頻信號發生器介紹了整個設計和仿真過程，這種教學模式可以豐富教學內容，激發學生的學習興趣，提高學生自主解決問題和自主創新能力，達到了較好的教學效果。

關鍵詞 單片機 Protues 教學改革

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

0引言

單片機原理及應用是高校電子電氣類等相關專業的一門專業必修課。該課程是以MCS-51單片機為范例學習單片機原理的課程，是一門面向應用的、具有很強的實踐性與綜合性的課程。該課程的目的是培養學生的軟硬件設計能力，提升學生的動手實踐能力和創新能力。隨著電子技術的發展，單片機技術已經廣泛應用于辦公自動化、智能家居、通信等各個領域。在全國電子設計大賽、全國物聯網大賽、中國工程機器人大賽等學科競賽中，單片機技術已經稱為參賽選手必備的技術。能否熟練的應用單片機進行項目開發已成為用人單位篩選電子電氣專業人才的標準。

Protues軟件是一款功能強大的虛擬仿真軟件，不僅可以仿真傳統的模擬電路和數字電路，而且可以提供嵌入式系統（單片機應用系統、ARM應用系統）的仿真實驗。它支持單片機和周邊設備，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并可以提供周邊設備的仿真，如LED、鍵盤、電機、示波器等。在編譯方面，它可以與Keil C51集成的開發環境相連接，進行高級語言的源碼級仿真和調試。

1單片機原理及應用教學中存在的問題

1.1學生動手實踐能力較差

在傳統的單片機課程教學中，除了理論課上的原理介紹之外，實驗箱是輔助教學的重要手段，而實驗箱所設計的實驗往往是驗證性的，內容比較單一，學生只要按照步驟進行接線、下載即可，學生不需要動手設計電路，這限制了學生的主觀能動性和創新意識，很難提升學生的動手實踐能力。

1.2軟硬件結合內容缺失

該課程是一門實踐應用范圍較為廣泛的應用型課程，要求學生能夠搭建出解決實際問題的控制系統，這就要求學生能夠獨立設計硬件電路、調試軟件程序，并將這兩者合理進行結合。而教師在傳統的教學過程中，往往按照教材編寫的順序進行理論教學，學生很難將課堂上的理論知識與真實的硬件電路進行結合，難以構建系統的單片機知識。

2 Protues在單片機教學改革中的應用

2.1提升學生的動手實踐能力

教師在講授單片機實例的時候，可以直接通過Protues進行演示仿真，使理論知識與實踐教學相互滲透，這種將理論講解與仿真驗證相結合的教學手段可以將抽象的單片機理論生動的向學生進行展示，使學生更好的進行理解。同時，學生可以通過Protues軟件仿真自己所設計的系統，可以鍛煉學生解決實際問題的能力，提升學生的動手實踐能力。

2.2構建軟硬結合教學載體

教師在上課的過程中，可以利用Protues軟件將教學內容融入到具體項目的設計和開發中，更加生動的展示項目的設計和調試過程。利用Protues軟件搭建硬件仿真平臺，利用Keil C51對代碼進行編寫和調試，極大的拓展了課堂教學的軟硬件環境條件，使學生能夠將硬件設計和軟件調試結合起來。

3教學實例

本文以設計低頻信號發生器為例，首先根據需求分析，給出系統的設計方案，然后通過Protues軟件搭建仿真電路，通過Keil進行程序編寫和調試，最后將調試后的可執行文件下載到Protues軟件的單片機中，實現低頻信號發生器的仿真。

3.1設計方案

本系統利用單片機作為信號數據產生源，用中斷查表法完成波形數據的輸出，再用DA轉換模塊輸出所需的波形信號。操作人員可以通過按鍵模塊切換波形的類別，改變其頻率大小。

3.2系統硬件設計

本系統主要由單片機模塊、DA轉換模塊、運放模塊、DA轉換模塊、按鍵控制模塊、電源模塊、液晶顯示模塊等構成。電源模塊為各個模塊提供穩定電源，單片機通過程序編程的方法產生數字信號，D/A轉換模塊將其轉換為模擬電流信號，而運放模塊將其轉換為電壓信號，通過示波器可以監測到對應的波形信號波形類型及頻率大小。通過Protues所設計的硬件仿真電路。

3.3系統軟件設計

3.3.1波形數據產生程序

波形數據是通過定時器T0的中斷程序產生的，當定時器計數溢出時發生一次中斷，當發生中斷時，單片機將按順序將波形數據表中的波形數據一一送入DAC0832，DAC832根據輸入的數據大小輸出相應的電壓，波形數據產生程序流程圖。

3.3.2按鍵掃描程序

按鍵掃描程序的功能為不斷檢測4個按鍵是否被按下，如有按下則執行相應的功能，4個按鍵的作用分別為：頻率加、頻率減、波形選擇和步進值設置，按鍵掃描程序流程。

3.4仿真驗證

通過以上分析后，在Keil軟件進行程序編寫、調試，調試成功后，將編譯生成的HEX文件下載到硬件仿真電路的51單片機中，運行后觀察仿真效果?？梢酝ㄟ^按鈕改變波形頻率和類型。為仿真所得的正弦波、方波和三角波。

4教學改革的成效

和傳統的教學模式相比，在單片機原理及應用課程中引入Protues軟件，使軟件仿真和硬件電路調試緊密的融合在一起，突破了理論和實驗相互分離的局面。通過近幾年在學院的教學實踐，使用這種教學模式，其所取得的成效如下：

4.1激發了學生的學習熱情，由被動學習轉為主動學習

教師在講課的過程中，可通過Protues軟件實時設計電路并進行驗證，激發了學生的學習熱情，更好的引導學生如何自主學習，將學習中的被動性轉化為主動性，學生更好的對理論課程知識進行理解。

4.2培養了學生分析問題和解決問題的能力

教師將Protues軟件引入理論教學，轉變了傳統的教師講解，學生被動接受的模式，針對教師布置的項目任務，每位學生都要承擔相應的項目工作，在教師的引導和團隊討論中，學生通過獨立思考和實際動手操作，學生分析問題和解決問題的能力得以提升。

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