基于Proteus與學習板的單片機“1+1虛實結合”教學模式設計

文/廣州鐵路職業技術學院 亓曉彬 鄒偉全 萬學春

一、單片機課程改革的必要性

單片機又叫微控制器(MCU)，是嵌入式系統的基礎核心器件，廣泛應用于當今社會生產生活的各個領域，工業測控、儀器儀表、消費電子、通信產品等都有它的身影，是現代控制中不可或缺的工具和手段[1]。《單片機基礎與應用》是我院為電氣自動化、機電一體化、機電設備維修與管理、城市軌道交通機電設備等專業學生開設的專業必修課，同時也是學生參加大學生科技創新、創新創業、電子設計等相關競賽的必須課程[2]。單片機的重要性不言而喻，然而當前該課程的教學效果并不理想，很多相關專業高職甚至本科畢業生對單片機的掌握達不到入門水準，更談不上應用開發。因此，對單片機課程的教學改革勢在必行。

二、傳統單片機教學模式存在的弊端

傳統的單片機教學為“PPT+板書”的模式，這樣會把單片機外圍電路、程序代碼和運行效果三者隔離開來，無法直觀形象地驗證電路原理的可行性、程序代碼的有效性及運行結果的準確性[3]。在早期甚至出現過課程結束了學生還不認識單片機，不會使用編程軟，更沒焊接、調試、使用過學習板，教學效果可想而知。

近年來，隨著科技和社會的不斷發展，各種單片機實驗箱、學習板大行其道，于是出現了“PC+MCU成品板”的一體化教學模式，此方法只需簡單連線后，便可通過編程進行各種驗證性實驗，能清楚看到運行效果，對學生編程能力的培養有較大作用。但因為學習板電路已經固化，學生不能設計硬件電路(只能編寫、調試程序)，所以對其掌握單片機電路原理、認識電子元器件及進行系統焊接調試等幫助不大，無法達到讓學生全面動手鍛煉的效果[4]。

三、Proteus+學習板的虛實結合教學模式

為了解決傳統單片機教學中的種種問題，我院根據多年教學實踐將單片機教學進程分為課堂教學和實訓周集中實訓兩部分，提出了Proteus課堂仿真教學加單片機學習板的焊接、調試、應用等實訓的“1+1虛實結合”教學模式。

圖1 Proteus課堂仿真流程圖

Proteus仿真軟件是英國LABCENTER ELECTRONICS公司開發的一款功能強大的電子設計自動化軟件，具有原理圖設計、PCB設計等功能，可以進行模擬電路、數字電路及MCU器件混合仿真。其最大特點是可以進行單片機、嵌入式系統的仿真實驗，在一定程度上相當于一塊萬能學習板，非常簡單實用、直觀形象，這也是其他仿真軟件無法比擬的[5][6]。將Proteus引入單片機課堂教學，可以隨時設計各種單片機原理電路并進行仿真，這樣既有利于教學中的問題說明，又有利于學生進行有針對性的練習，同時避免了硬件問題帶來的干擾，有利于教學進程順利推進和學生對單片機知識的掌握及自信心的培養。

單片機的開發應用需要多方面的知識和技能，Proteus仿真軟件的引入，促進了學生對單片機編程和原理電路設計的掌握[7][8]；而電子元器件識別選用、電路板焊接調試、板外系統連接等能力則可在集中實訓中進行鍛煉。通過具體的任務設計，讓學生親自動手挑選元器件，并在空白PCB上焊接，然后經過調試、編程、外圍連接等一系列工作來實現相應的功能，最后教師根據功能的完成情況酌情給分。這一過程，除了增強學生的動手能力之外，還可增加其對整個單片機應用系統和開發流程的認識及掌握，為將來的實際應用打下堅實的基礎。

四、虛實結合的教學實例

虛實結合的教學模式涵蓋了較為全面的單片機系統知識，下面通過流水燈的控制任務講解說明。

1.Proteus仿真實例

流水燈的控制是典型的單片機學習實例，它有多種控制要求和實現方法，可包含單片機的通用I/O口操作、鍵盤操作、定時/計數器、串口、中斷等知識，在此以單個流水燈的循環流動控制為例。基于Proteus的課堂教學仿真流程為圖1所示。

在講解完單片機相關知識點后，便可通過Keil軟件編寫對應功能的C51程序，并編譯生產可執行的HEX文件；然后運行Proteus軟件并設計對應功能的電路原理圖，最后便可向原理圖中單片機元件內裝載HEX文件，通過仿真運行便可觀測任務功能的完成情況，直觀明了，可大大提高學生的學習熱情。流水燈的C51程序和Proteus仿真效果如圖2、3所示。

圖4 單片機學習板實訓步驟

圖2 流水燈程序

圖3 流水燈的Proteus仿真結果

2.學習板應用實例

單片機學習板實訓步驟如圖4所示。通過該過程，可讓學生在掌握學習板電路原理和PCB板構成的基礎上，了解使用各種常用電子元器件，包括其基本功能、元件封裝、引腳分布等。同時學習基本焊接技術并逐步完成整塊電路板的焊接工作，待單片機最小系統測試通過以后，便可編寫相對完整簡單的測試程序來檢測成品電路板的各部分功能。此過程可能遇到漏焊、虛焊、次品元器件等各種問題，需要耐心查找。最后根據任務要求編寫C51程序并經過反復修改調試，最終取得滿意的效果。

基于學習板的流水燈控制程序與Proteus仿真程序完全相同，如圖2所示，效果如圖5所示。

圖5 學習板的流水燈控制

通過應用Proteus仿真軟件和制作、調試、使用單片機學習板，學生學到了更加全面的單片機軟硬件系統知識，使我院單片機課程教學變得更有針對性、目的性；學生們普遍反映這樣的方式非常生動形象，電路的原理非常清晰、運行結果非常明顯，學習熱情和學習效率都得到了很大提高。同時，老師的教學思路更加有條理，知識的講授和電路的運行前后呼應，教學效果更好了，教學工作也變得輕松了，得到了事半功倍的效果。