Proteus在單片機教學和科技制作中的應(yīng)用與實踐

隨著計算機的高速發(fā)展,大量EDA軟件被引入電子類專業(yè)的課程教學中。例如在電路分析、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程中經(jīng)常把EWB仿真軟件引入到教學中以提高教學質(zhì)量。同樣，在單片機的領(lǐng)域里也有功能強大的EDA軟件可以作為教學的輔助手段。本文將Proteus仿真軟件引入到單片機課程的教學改革中，取得了較好的效果。

1 單片機課程現(xiàn)狀

1.1 單片機課程的重要性

單片機課程是自動化、嵌入式等工科專業(yè)的一門專業(yè)方向課，目的是培養(yǎng)實際動手能力強的高技能型人才。掌握單片機基礎(chǔ)知識,具備基本應(yīng)用技能，才能符合當前社會對自動化、嵌入式專業(yè)人才的要求。同時，單片機教學的效果對后續(xù)課程的學習和專業(yè)技能的掌握也具有重要意義。作為一門應(yīng)用性極強的課程，教師不僅要在理論課上下功夫，還必須在實驗實踐課積極做出探索，充分利用身邊資源，結(jié)合現(xiàn)代計算機技術(shù)，提高該課程的教學質(zhì)量。

1.2 傳統(tǒng)單片機教學存在的問題

1.2.1 理論教學存在的問題

由于單片機課程本身比較抽象，所以在教學中必須把教學內(nèi)容更直觀地展示給學生。把實驗板或者仿真器引入到課堂上進行演示實驗。但采用這種方法往往效果不是很好。一方面教師在課堂上做演示很浪費時間，降低了教學的效率；另一方面小小的實驗板和仿真器演示起來很難讓所有學生都觀察到效果。

1.2.2 實踐教學存在的問題

實驗課是本課程重要的教學環(huán)節(jié)，其目的是提高學生的動手能力和分析、解決問題的能力，使學生能熟練應(yīng)用單片機的集成環(huán)境和開發(fā)系統(tǒng)，進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，為今后進一步設(shè)計與應(yīng)用單片機打下扎實的基礎(chǔ)。以往實踐教學通常在單片機實驗室進行，學生使用高度集成化的實驗箱完成老師布置的實驗任務(wù)，學生每次實驗用到的只是實驗箱的固定模塊，只要簡單地連接幾根導線、輸入相關(guān)程序就能完成該次實驗，學生搞不清楚硬件原理及設(shè)計步驟，失去了分析問題、解決問題的機會，硬件設(shè)計的能力得不到很好提高。因而，對單片機實驗課進行教學改革勢在必行。

2 Proteus仿真軟件介紹

Proteus仿真軟件是目前較先進、完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與仿真平臺軟件。它可以方便地安裝在普通PC機上，與Keil C軟件共同構(gòu)建起個人的單片機虛擬仿真實驗室。Proteus內(nèi)含6 000種模擬和數(shù)字器件模型，功能強大，具體如下：(1)用于數(shù)字、模擬電路及單片機應(yīng)用系統(tǒng)等原理圖的繪制；(2)對數(shù)字、模擬電路及單片機應(yīng)用系統(tǒng)進行分析與仿真； (3)利用自動布線或人工布線將原理圖轉(zhuǎn)換為PCB圖。

Proteus軟件與其他EDA軟件相比,具有革命性的特點：(1)用戶可采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型對設(shè)計進行交互仿真； (2)仿真處理器及其外圍電路，并配合顯示及輸出，能直觀看到運行后輸入輸出的效果。

3 Proteus在單片機課堂教學中的應(yīng)用

為了解決單片機課程理論教學中存在的問題，將Proteus仿真軟件應(yīng)用到課堂教學中,利用仿真的形象、生動、實在等特性，對單片機課程理論教學產(chǎn)生積極的影響，是其他教學手段難以替代的。

3.1預先案例設(shè)計 現(xiàn)場效果演示

利用Proteus仿真軟件預先設(shè)計大量的單片機應(yīng)用實例，課堂上，用Proteus軟件向?qū)W生演示單片機軟硬件設(shè)計開發(fā)、調(diào)試的全過程，并觀察硬件的工作和程序執(zhí)行效果，使學生通過實例對單片機的工作原理、工作過程、工作效果有更多的了解，對提高學生的學習興趣和學習積極性有非常大的幫助。圖1為電子時鐘課程實例的仿真及效果演示圖。


3.2合理布置作業(yè) 拓展學生思維

對理論課中的重點內(nèi)容，合理地布置作業(yè)，讓學生利用Proteus來驗證作業(yè)，不僅可以讓學生思維得到擴展，還可讓學生的動手能力得到一定的提高。以圖1所示的電路為例，要求學生在圖1的基礎(chǔ)上添加獨立鍵盤K0～K2做輸入設(shè)備，通過軟件編程設(shè)計并實現(xiàn)一個可調(diào)的電子時鐘，要求如下：

(1) K0作為時鐘調(diào)節(jié)的菜單鍵，第一次按下K0秒鐘處閃爍并時鐘停止，提示可以調(diào)節(jié)時間秒；第二次按下分鐘處閃爍，提示可以調(diào)節(jié)時間分；第三次按下時鐘處閃爍，提示可以調(diào)節(jié)時；第四次按下退出調(diào)時菜單，時鐘開始繼續(xù)走動；

(2) K1和K2分別是時分秒調(diào)節(jié)的加減鍵。只有當菜單鍵按到相應(yīng)的時分秒時，才可使用K1和K2來加減調(diào)節(jié)。圖2為調(diào)節(jié)時間分時的可調(diào)電子時鐘課程實例的仿真圖及效果演示圖。


4 Proteus在實踐教學中的應(yīng)用

在實踐教學環(huán)節(jié)中，在以下幾個方面進行了教學方法和教學手段的改革。

4.1常規(guī)實驗 加強理論基礎(chǔ)知識的掌握

在實踐教學環(huán)節(jié)中引入Proteus仿真軟件，學生可根據(jù)實驗內(nèi)容的要求,在Proteus元件庫中選擇所需要的虛擬元件設(shè)計應(yīng)用電路，這樣，學生不僅可以調(diào)試自己編寫的程序，而且可以形象、直觀地看到程序執(zhí)行效果并且能鍛煉硬件電路的設(shè)計能力。雖然引入Proteus仿真軟件對學生動手能力的提高有一定幫助，但為了盡量避免學生淡化對基本技能訓練的重視程度、忽視規(guī)范掌握儀器操作等弊端，在實際的教學過程中采用了虛實互補的原則安排教學，仿真完成后要求學生利用實驗室中的集成試驗箱進行最后的硬件連接與調(diào)試。

4.2 增加綜合開放性實驗 拓展綜合思維

為了提高學生獨立分析和解決工程實際問題的能力，讓學生具備獨立開發(fā)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的技能，專門開設(shè)了單片機綜合課程設(shè)計，題目由老師推薦或?qū)W生自薦。先讓學生組隊自己設(shè)計方案，了解并選用電子元器件，在計算機上進行仿真設(shè)計，然后到電子市場購買元器件最后進行硬件設(shè)計與調(diào)試。使學生了解從選題、調(diào)研、制定設(shè)計方案、采購元器件、軟硬件設(shè)計、線路焊接、調(diào)試檢測等整個設(shè)計調(diào)試過程，從而進一步提高了學生自主開發(fā)和實際動手能力及興趣。另外，這種先仿真后實物的制作，不僅大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的周期，而且降低了硬件電路制作的損耗。

4.3科技制作提升創(chuàng)新能力

課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、各種競賽是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。在各種科技制作活動中，學生利用Proteus仿真軟件進行仿真實現(xiàn)后，再進行硬件的設(shè)計和調(diào)試，這樣不僅可以避免由于設(shè)計上的錯誤所造成的硬件投入上的浪費,而且可以縮短學生完成大型設(shè)計的時間。