Protues仿真軟件在單片機教學中的應用

邱剛

（重慶三峽學院電氣工程系，重慶 404100）

0 引言

在高校的各種電子專業中，單片機課程都是一門較為核心的課程。現階段中，在各個院校里，相關任課教師在開展單片機課程教學時，存在著教師教學難、學生學習難的現象，從而導致單片機課程的教學效果以及教學質量均難以達到理想目標。單片機教學課程具有較強的應用性以及實踐性，因此，相關任課教師應當積極結合這一特點來將Proteus軟件應用到單片機教學中。

1 Proteus在單片機實驗教學中的作用

Proteus軟件是一種具有人工布線、原理圖編輯、電路仿真以及印制電路板自動化等相關功能的EDA工具軟件，其功能的獨特性主要體現在其能夠在原理圖的虛擬原型基礎上聯合Keil進行調試[1]，從而使微處理器的軟件調試以及硬件調試得以實現，同時還可以對功能效果進行相應的檢驗。因此，教師在對學生進行單片機教學時，可以積極將Proteus軟件應用到教學中。Proteus軟件中的元件庫多達三十多個，包括模擬元件庫以及數字元件庫，能夠進行各種類型數字電路以及模擬電路的仿真，并且帶有相應的儀表以及儀器，此外，Proteus軟件還能夠支持一些主流單片機的仿真，例如：PIC系列以及51系列，圖1是基于51單片機的交通燈Proteus仿真。在單片機實驗箱中，常用的外圍接口單路比較有限，同時，其所能支持的單片機CPU系列具有一定的單一性。使用Proteus軟件來開展相關單片機實驗項目的仿真，可以使學生能夠對程序運行之前以及運行之后的輸入情況和輸出情況有更加切實、直觀的觀察，繼而幫助學生可以更好的掌握單片機技術知識。

圖1 基于51 單片機的交通燈Proteus 仿真

2 單片機課程教學中存在的不足及問題

2.1 傳統單片機理論教學中存在的不足

現階段中，大部分院校的單片機教學通常都是將教學課堂上的理論概念作為教學主體，后期將一些相關的課程設計以及課程實驗作為輔助。在教師編排單片機概念理論教學內容時，一般的主線內容都是介紹單片機的組成，同時將一些實際例子作為輔助進行講解。學生在學習這些課程時，在宏觀系統的認識上較為匱乏，從而導致學生對課程內容只有孤立記憶[2]，大部分學生都會感覺到單片機理論課程的教學內容較為生硬、抽象，從而喪失對單片機課程的學習興趣，最終導致單片機教學質量及效率均無法達到理想效果。

2.2 傳統單片機實踐教學存在的不足

單片機技術課程具有較強的應用性以及實踐性，其開設目的主要是為了實現學生對相關工程的研發能力、設計能力、制作能力以及調試能力的培養?，F階段中，大部分生產教育電子產品的廠家在推行相應的實驗設備時，通常都會為購買者提供較為詳細的實驗講解以及實驗說明，但是，這些實驗設備智能化愈高，對于使用設備的學生而言，在進行相關實驗時，動腦以及動手的機會就愈少，從而導致學生的思考能力以及實踐能力得不到有效的鍛煉。這些較為智能、先進的實驗設備通常都會根據相關的實驗來進行模塊化的組合，在導線連接、下載程序、輸入程序、執行程序以及結果驗證上都已經形成相應的模式，在學生使用設備時，需要親自動手來進行設計的實驗內容不多，學生難以深入參與實驗的細節設計中，在學生做完一項實驗之后，依然對程序的編寫以及硬件連接的原理模糊不清，最終導致單片機教學的教學效果及教學質量無法得到提高。

3 Proteus軟件在單片機教學應用的策略

Proteus軟件是一款具有強大仿真能力的單片機仿真軟件，其不僅能夠使院校在硬件設施上的投入成本得到減少，并且資源較為豐富，能夠讓將項目實驗直觀的展現出來，讓學生在生動性以及形象性較高的教學過程中獲得良好的學習體驗，同時可以促進單片機理論知識和實踐技術的有機融合，因此，教師應當積極將Proteus軟件應用到單片機教學中。

3.1 Proteus軟件在單片機理論教學中的應用

3.1.1 理論形象化

在教師對學生開展單片機教學的過程中，當教師講解單片機理論課程的前部分章節內容時，不能單純講授理論知識，特別是對于單片機的結構、中斷、資源以及取指譯等具有一定抽象性的知識而言，若教師單純教授理論知識，學生極易產生枯燥、乏味之感，導致學生無法對理論知識有直觀地認知以及感性的認知，在這樣的情況下，學生對單片機的學習興趣以及學習熱情難以得到有效的激發。教師將Proteus軟件應用到理論教學中，利用Proteus軟件能夠具體表現形式的特點來對學生進行教學，Proteus軟件可以將一些復雜性及抽象性較高的知識點生動形象的展現出來，例如：在電路中電流的流向指示以及高電平、低電平的色點指示等等[3]，從而使學生能夠對這些知識點有更直觀、更深入的理解，繼而有效掌握單片機的相關運行機制。假如學生在教學課堂上存在不懂的知識，在課后可以積極使用Proteus軟件來進行驗證，從而達到對知識點進行鞏固的目的，同時培養學生的自主學習意識，提高學生的自主學習能力。

3.1.2 知識具體化

單片機課程對學生的實踐能力以及動手能力具有較高的要求，當學生真正了解單片機技術之后，將會提高對單片機的學習興趣及學習熱情。單片機在現實生活中的應用范圍較為廣泛，如：音樂播放器、電子琴以及交通燈等等，表一是電子琴硬件模塊結構圖，在學生日常生活中較常使用的一些電子產品，也可以自己通過單片機制作來實現。由于單片機理論知識的抽象程度以及復雜程度較高，如果教師在對學生開展單片機教學時僅僅只注重單純理論的講解，則會造成學生的學習興趣及學習熱情下降的情況。Proteus軟件將實踐教學作為出發點，教師積極將其應用到教學中，可以利用Proteus軟件的仿真能力將單片機教學的知識點生動形象的呈現出來，從而讓學生對單片機技術在生活中的應用有更加全面、深入的了解，從而使學生的學習興趣得到充分的激發，培養學生的創新意識及創新思維。

圖2 電子琴硬件模塊結構圖

3.2 Proteus軟件在單片機實踐教學中的應用

3.2.1 課內實驗

在單片機的傳統教學課堂中，學生為了了解實驗過程、實驗步驟、實驗內容以及實驗結果，一般都是通過閱讀相應的實驗指導書實現的。因為實驗硬件的缺乏，導致學生無法獲得真正的實驗驗證，繼而造成學生難以有效、透徹的理解實驗重難點以及實驗的設計原理。通過將Proteus軟件應用到單片機教學中，學生在對實驗指導書進行閱讀之后，可以根據所掌握的信息來構建相應的實驗模擬系統，在大致了解實驗系統的工作原理以及結構的基礎上，按照所創建的電路圖來對程序軟件進行編寫設計，從而使學生對軟件的編程開發有更加深入的了解。在確認程序無異常之后，在進入實驗室中開展真正的實驗時，可以按照相關的硬件設計來對實驗結果進行對比[4]，對問題進行全面的分析，從而加深學生對實驗原理的理解，若仿真結果和實際的實驗結果無差，則表示所創建的模擬系統符合實際的硬件，相應的程序軟件也匹配，促進學生對實驗原理、實驗過程、實驗內容、實驗結果的內化。如實驗結果與仿真結果存在一定差距，則應當嚴格探究仿真實驗和實際的硬件電路實驗存在何種差異，通過這樣的方式，能夠讓學生做到對課內實驗的有效預習，從而有效避免出現學生實驗時間不夠、操作不當、對實驗過程一知半解等情況。

3.2.2 課程設計

在單片機課程考核中，其中一個關鍵的構成內容為課程設計。當學生在對方案進行設計的時候，應當對方案的合理性、可行性、有效性進行反復的推敲驗證。假如學生沒有進行仿真就直接開展實物電路焊接，如方案存在微小誤差，除了會浪費時間資源之外，并且會使硬件成本極速消耗。所以，學生可以先采用Proteus軟件來對方案進行相應的仿真驗證，從而使方案存在誤差的問題得到有效的解決，使硬件成本的浪費得到避免。學生在設計相應的軟件編程時，一般情況下，學生的工程應用軟件設計經驗較為匱乏，在進行軟件編程的時候常常會發生不同程度的差錯。大多數學生在對電路設計沒有完全的認識情況下直接進行實物焊接，把程序直接下載到單片機中，就會出現結果與預期不符的情況，學生在遇到這類問題時，一般都不知道問題具體出在何處，也不會正確調試軟件及硬件。因此，學生可以積極應用Proteus軟件來對軟件程序進行驗證，在仿真軟件中，通常情況下，只要學生能夠正確連接硬件的電路，硬件是不會出現問題的[5]。但是應當注意，在實際的電路焊接以及硬件設計過程中，必須對電路的接觸性能、虛焊以及電磁干擾等問題進行充分的考慮。在學生使用Proteus軟件對程序進行驗證，確認沒有異常情況之后，就能夠集中在硬件設計的問題上，幫助學生及時找出問題，并且采取相應的解決措施，順利完成課程設計的軟件調試及硬件調試。

4 結語

總而言之，Protues軟件除了有利于學生掌握單片機技術知識，提高學生對單片機知識的運用能力之外，還可以讓學生在靈活性及自主性較高的學習模式中進一步感受單片機技術知識所蘊含的魅力。教師應當積極將Protues軟件應用到單片機教學中激發學生對單片機的學習興趣，提高單片機教學質量及效率。