利用proteus仿真平臺(tái)提高機(jī)械類學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力

張鵬　王琪　袁明新

摘 要 對(duì)于技術(shù)應(yīng)用型大學(xué)的機(jī)類學(xué)生來(lái)說(shuō)，由于電類的實(shí)踐環(huán)節(jié)普遍相對(duì)較少，因而大多數(shù)機(jī)類學(xué)生在單片機(jī)應(yīng)用方面存在著一定的不足，如何幫助這些學(xué)生利用較少學(xué)時(shí)提高單片機(jī)應(yīng)用能力，培養(yǎng)機(jī)類學(xué)生的綜合工程素養(yǎng)，對(duì)于技術(shù)應(yīng)用型大學(xué)的教學(xué)改革研究具有重要的意義。為此，通過(guò)探索利用電子仿真平臺(tái)proteus作為輔助教學(xué)軟件，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐單片機(jī)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了教學(xué)質(zhì)量，對(duì)推動(dòng)人才培養(yǎng)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞 proteus仿真平臺(tái) 機(jī)械類學(xué)生 單片機(jī) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.05.012

Use Proteus Simulation Platform to Improve Mechanical

Students' Microcontroller Application Ability

ZHANG Peng， WANG Qi， YUAN Mingxin

（Jiangsu University of Science and Technology， Suzhou Institute of Technology， Zhangjiagang， Jiangsu 215600）

Abstract As for students majored in mechanics at technology application model college， since practice regarding electronic is relatively less， their ability in the application of single chip microcomputer often falls short. Therefore， it is of vital importance for the study of teaching and study reform in vocational colleges to help their students improve their application ability of single chip microcomputer within shorter time and cultivate their comprehensive engineering accomplishment. As a result， it will help improve teaching and study quality and push forward the cultivation of professional talents to guide the students to take part in the hardware and software system design of single ship microcomputer by means of exploring taking electronic simulation platform Proteus as a teaching auxiliary software.

Key words simulation platform; mechanics-majored students; single chip microcomputer; practice

0 引言

隨著目前機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展，許多產(chǎn)品已由過(guò)去的純機(jī)械設(shè)計(jì)向機(jī)電一體化過(guò)渡，因而對(duì)高校學(xué)生在單片機(jī)方面的培養(yǎng)提出了更高的要求。相較于偏電類的學(xué)生，由于機(jī)類教學(xué)大綱里電類實(shí)踐環(huán)節(jié)相對(duì)較少，因此如何幫助機(jī)類學(xué)生通過(guò)較少的教學(xué)課時(shí)真正掌握單片機(jī)這一常用工具的開發(fā)流程就成為技術(shù)應(yīng)用型大學(xué)的教學(xué)改革方面一個(gè)非常有意義的研究。①②事實(shí)上，在前期調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)，雖然有過(guò)單片機(jī)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)，但是許多機(jī)類學(xué)生對(duì)于電路板的布線、元器件的封裝等單片機(jī)開發(fā)中容易涉及到的一些基本概念往往是一無(wú)所知，而軟硬件設(shè)計(jì)更令學(xué)生感到畏懼。為了解決機(jī)類學(xué)生這些工程素養(yǎng)方面的不足，我校特地在教學(xué)計(jì)劃中針對(duì)機(jī)類學(xué)生開設(shè)基于proteus仿真平臺(tái)③的單片機(jī)運(yùn)用選修環(huán)節(jié)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)從運(yùn)用中學(xué)習(xí)，體會(huì)到電控單元設(shè)計(jì)的基本概念，彌補(bǔ)了相關(guān)方面的缺乏，從而幫助其提高了運(yùn)用單片機(jī)的信心和能力。這些教改措施的實(shí)施效果證明，它可以糾正了機(jī)類學(xué)生對(duì)單片機(jī)的陌生感，提升了學(xué)生的綜合工程素質(zhì)，對(duì)于探索新形勢(shì)下應(yīng)用型本科高校教學(xué)模式具有一定的借鑒意義。

1 機(jī)制類學(xué)生在運(yùn)用單片機(jī)方面的不足

目前機(jī)類學(xué)生在經(jīng)過(guò)單片機(jī)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)后，往往再?zèng)]有更多的機(jī)會(huì)接觸單片機(jī)。而事實(shí)上隨著機(jī)電一體化等技術(shù)的不斷發(fā)展，目前僅靠機(jī)類學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)已不能適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。形成這種情況的原因主要在于這么幾個(gè)方面：

（1）機(jī)械類學(xué)生接觸電子系統(tǒng)機(jī)會(huì)少，一些基本概念不具備;就我校調(diào)研的情況而言，機(jī)類學(xué)生很少見到電路板等實(shí)物，雖然前序課程講授過(guò)基本理論，但許多實(shí)際設(shè)計(jì)中會(huì)用到的知識(shí)沒(méi)有提及，這樣綜合起來(lái)導(dǎo)致許多知識(shí)只是停留在做題上面，而一些相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，如單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，往往都是在現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下實(shí)施，而對(duì)于芯片封裝等基本知識(shí)學(xué)生并沒(méi)有機(jī)會(huì)了解，這導(dǎo)致了學(xué)生對(duì)實(shí)際電控系統(tǒng)感到陌生。

（2）機(jī)械類學(xué)生幾乎沒(méi)有自行設(shè)計(jì)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)，因此實(shí)際工作時(shí)往往不知如何上手;由于通常單片機(jī)課程所講授的內(nèi)容是將單片機(jī)各個(gè)部分分開講授，這導(dǎo)致學(xué)生在印象中還無(wú)法將單片機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)考慮。事實(shí)上，在我們前期所做的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，我校大部分機(jī)械專業(yè)的學(xué)生對(duì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)都沒(méi)有概念，甚至許多學(xué)生在要求設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)連電源都不知道如何處理，可見他們對(duì)單片機(jī)還不具備一個(gè)整體應(yīng)用的概念。

（3）機(jī)械類學(xué)生對(duì)硬件編程不熟悉，使得其在應(yīng)用時(shí)具備畏難情緒;對(duì)于本校機(jī)械類學(xué)生而言，除去進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做過(guò)項(xiàng)目的以外，大部分學(xué)生對(duì)于在單片機(jī)上寫程序普遍有畏難情緒，而事實(shí)上隨著目前IT產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，工程師必須具備基本的硬件編程能力。但目前的培養(yǎng)模式使得機(jī)械類的學(xué)生對(duì)于編程來(lái)控制芯片工作感到困惑，因此對(duì)于如何將自己的設(shè)計(jì)思路變成可以讓硬件工作的程序有著不小的畏難情緒。

2 利用proteus在較短學(xué)時(shí)內(nèi)提高機(jī)類學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的教改實(shí)施

為了解決以上問(wèn)題，提高我校機(jī)械類學(xué)生在單片機(jī)應(yīng)用方面的知識(shí)技能，滿足現(xiàn)代高等教育對(duì)社會(huì)需求的要求，我們開設(shè)了相應(yīng)的選修教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)引入proteus電子仿真環(huán)境來(lái)搭建教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，讓學(xué)生能在較短學(xué)時(shí)內(nèi)完成一個(gè)電控系統(tǒng)的模擬開發(fā)，使其在較短綜合應(yīng)用電子、控制、單片機(jī)等多學(xué)科知識(shí)，提高其綜合工程實(shí)踐能力。為了達(dá)到循序漸進(jìn)的實(shí)踐效果，我們以易于入手的設(shè)計(jì)方案對(duì)機(jī)械類學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)，使其對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用進(jìn)行了有效的提高。其具體的教學(xué)改革內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）改變過(guò)去機(jī)類學(xué)生教學(xué)中不注重硬件電路實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，利用proteus平臺(tái)的電路仿真功能提高學(xué)生對(duì)電路的認(rèn)識(shí);過(guò)去機(jī)械類學(xué)生對(duì)電路只停留在書本知識(shí)，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此在使用單片機(jī)時(shí)往往不知在哪些情況下采用哪些電路。為了在較短學(xué)時(shí)內(nèi)幫助學(xué)生積累這方面的經(jīng)驗(yàn)，采用proteus平臺(tái)設(shè)計(jì)了MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、晶體管放大電路設(shè)計(jì)等實(shí)踐內(nèi)容，要求學(xué)生比較不同參數(shù)設(shè)計(jì)、不同實(shí)現(xiàn)方案對(duì)系統(tǒng)輸出的影響，通過(guò)這樣的實(shí)踐，學(xué)生基本上熟悉了一些相關(guān)的術(shù)語(yǔ)、完善了相關(guān)的知識(shí)、同時(shí)又適合機(jī)械類學(xué)生快速上手，避免了具體電路實(shí)踐中費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，以較為容易的方案幫助學(xué)生了解了單片機(jī)設(shè)計(jì)中一些電路實(shí)現(xiàn)的基本方法，為下一階段單片機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

（2）在上一階段實(shí)踐基礎(chǔ)上，進(jìn)一步布置學(xué)生完成相應(yīng)的單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并完成pcb板設(shè)計(jì)。由于在教改初期經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)械類學(xué)生往往對(duì)單片機(jī)整體缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，甚至出現(xiàn)在硬件設(shè)計(jì)中只顧著完成所要求的功能內(nèi)容，卻連基本的電源都不接的現(xiàn)象。為了讓機(jī)械類學(xué)生真正體會(huì)到一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)是如何工作的，要求其完成一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械類學(xué)生由于很少有電路板方面的經(jīng)驗(yàn)，因此進(jìn)一步要求他們實(shí)現(xiàn)硬件的PCB板布置，從而學(xué)生能體會(huì)到不同封裝格式，走線的基本要求等這些往往在單片機(jī)課程中容易忽略的東西，提高了學(xué)生真正使用單片機(jī)的能力。得益于proteus軟件綜合性能，使得學(xué)生能在一個(gè)平臺(tái)上快速學(xué)習(xí)相關(guān)技能。

（3）改變過(guò)去只注重一段程序的教學(xué)模式，布置學(xué)生完成整套軟件編程的工作，包括控制策略的考慮。如前所述，機(jī)械類學(xué)生在硬件編程方面往往有種畏難情緒，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這是由于學(xué)生學(xué)習(xí)中往往只講授一段程序，而對(duì)整個(gè)軟件框架沒(méi)有概念。為了讓機(jī)械類學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)了解到實(shí)際工程中對(duì)軟硬件的處理方法，利用proteus易于實(shí)施的特點(diǎn)，要求學(xué)生分組設(shè)計(jì)一整套的控制系統(tǒng)，并要求實(shí)現(xiàn)一定的控制算法，如PID控制策略等。通過(guò)一組學(xué)生拿到這樣一種綜合訓(xùn)練的題目，自己去查找相關(guān)芯片的使用手冊(cè)，以點(diǎn)帶面，幫助學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)快速掌握電控單元開發(fā)的基本流程，使其建立使用單片機(jī)的信心。這時(shí)我們往往要求每個(gè)學(xué)生都要針對(duì)單片機(jī)中某一個(gè)功能模塊熟練編程，能根據(jù)教師提出的不同要求一一都能實(shí)現(xiàn)，以及對(duì)同一種要求利用不同的實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)等，在熟練后，再自行學(xué)習(xí)其他功能模塊的編程實(shí)現(xiàn)。由于proteus能方便仿真多種單片機(jī)，因此學(xué)生很容易將以往所學(xué)知識(shí)在模擬工程中運(yùn)用，通過(guò)仿真中出現(xiàn)的錯(cuò)誤修正以往一些錯(cuò)誤的理解，從而達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)掌握單片機(jī)基本開發(fā)方法。

經(jīng)過(guò)三屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，基本上消除了機(jī)械學(xué)院學(xué)生對(duì)單片機(jī)開發(fā)感到無(wú)從下手的現(xiàn)象，一些學(xué)生由此產(chǎn)生了興趣，主動(dòng)找到一些相關(guān)芯片的文檔學(xué)習(xí)，然后在proteus平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)新的功能，并興奮地將結(jié)果告知老師，可見該方案具有一定的效果。此外在畢業(yè)設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)這樣的教學(xué)活動(dòng)，一些學(xué)生雖然原來(lái)單片機(jī)的成績(jī)不理想，但是在畢業(yè)設(shè)計(jì)中已能夠較為熟練地采用單片機(jī)來(lái)完成設(shè)計(jì)題目，相信他們?cè)谶@樣的教改實(shí)踐中獲得了益處。

3 結(jié)論

為了適應(yīng)由于當(dāng)前科技不斷進(jìn)步而對(duì)機(jī)械類學(xué)生在掌握單片機(jī)應(yīng)用方面提出更高要求的現(xiàn)狀，我們利用proteus這一方便的電子仿真平臺(tái)按照以上的教學(xué)模式在機(jī)械類學(xué)生中展開單片機(jī)實(shí)踐教學(xué)。通過(guò)循序漸進(jìn)的培訓(xùn)方式，幫助學(xué)生在較短的學(xué)時(shí)內(nèi)提高單片機(jī)的使用技能，并為以后進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)提供了基礎(chǔ)。實(shí)踐效果表明這些措施能有效解決當(dāng)前機(jī)類學(xué)生在學(xué)習(xí)單片機(jī)方面的主要困難，可以在短時(shí)間內(nèi)提高相應(yīng)的工程素養(yǎng)。當(dāng)然，我們也深知對(duì)于如何提高機(jī)械類專業(yè)學(xué)生利用單片機(jī)的技能還有許多需要進(jìn)一步探索的地方，如：如何設(shè)計(jì)更具有實(shí)際工程意義的實(shí)踐培訓(xùn)內(nèi)容來(lái)提供給學(xué)生訓(xùn)練、如何結(jié)合機(jī)械裝置進(jìn)行仿真等。④相信通過(guò)不斷的改進(jìn)和完善，這樣的教學(xué)實(shí)踐能為應(yīng)用型大學(xué)機(jī)械類學(xué)生提供一個(gè)快速提高單片機(jī)學(xué)習(xí)效果的有益探索。

基金項(xiàng)目：蘇州理工學(xué)院教改課題專項(xiàng)建設(shè)經(jīng)費(fèi)（123 021024）

注釋

① 郭冰菁，趙書尚，韓建海.機(jī)械類專業(yè)單片機(jī)課程教學(xué)改革與學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2012（19）.

② 覃金昌.高職高專機(jī)械類單片機(jī)教學(xué)改革的幾點(diǎn)思考[J].科技信息，2010（11）.

③ 陳朝元，魯五一.Proteus軟件在自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008.20（2）.

④ 周靈彬，匡載華，張靖武.基于Proteus的電子產(chǎn)品仿真設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010（9）.