基于Proteus和Keil的項(xiàng)目式單片機(jī)教學(xué)改革

李 媛

(商丘師范學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，河南 商丘 476000)

單片機(jī)課程是電子信息工程、自動(dòng)化專業(yè)的一門實(shí)踐性比較強(qiáng)的專業(yè)課程，目前我校的教學(xué)模式仍然是理論加實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)形式，而且實(shí)驗(yàn)通常需要理論的支撐，由于課時(shí)限制，往往理論內(nèi)容和實(shí)踐不能有效地結(jié)合，難以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力.為滿足我校培養(yǎng)應(yīng)用型人才要求，在單片機(jī)教學(xué)實(shí)踐中，提出了利用超星泛雅平臺(tái)為學(xué)生提供錄制視頻資源，并通過(guò)小組合作形式，基于Proteus和Keil軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目式的教學(xué)改革，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng).

1 傳統(tǒng)教學(xué)的不足

1.1 單片機(jī)教學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)融合度不高

以商丘師范學(xué)院為例，單片機(jī)的理論和實(shí)踐是分開教學(xué)，理論課上多以講解單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)、指令等理論知識(shí)，而實(shí)驗(yàn)課只是對(duì)一些程序設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證.由于教學(xué)課時(shí)的限制，能開展的實(shí)驗(yàn)也有限，實(shí)驗(yàn)課要先對(duì)匯編程序進(jìn)行講解，導(dǎo)致學(xué)生在理論知識(shí)理解不透徹和動(dòng)手實(shí)踐的時(shí)間有限的情況下，做過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)并不能更好地理解單片機(jī)的工作原理，反而會(huì)有更多的疑惑，感覺(jué)入不了門，實(shí)驗(yàn)效果不是很理想.導(dǎo)致學(xué)生興趣不高，學(xué)習(xí)效果比較差.

1.2 綜合性實(shí)驗(yàn)難以開展

實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本是側(cè)重軟件編寫和調(diào)試，對(duì)單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)及外部擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)涉及很少.單片機(jī)課程本身是需要軟硬件結(jié)合的課程，由于硬件開發(fā)設(shè)計(jì)及接口電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)很難開設(shè)，導(dǎo)致綜合性實(shí)驗(yàn)開設(shè)效果不理想，學(xué)生的自主設(shè)計(jì)電路的能力比較差，并且工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)也很難實(shí)現(xiàn)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果比較差.

2 改革教學(xué)內(nèi)容

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，確保教學(xué)效果良好，采用基于Proteus和Keil的項(xiàng)目式教學(xué)方法[1-3]開展單片機(jī)課程的教學(xué)，將C51的教學(xué)與單片機(jī)教學(xué)融合在一起，削弱匯編教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí).本著讓學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容夠用，實(shí)用，將單片機(jī)的課程內(nèi)容進(jìn)行整合，劃分為6個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、單片機(jī)IO口的應(yīng)用、中斷系統(tǒng)的應(yīng)用、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用、串行口的應(yīng)用、鍵盤及顯示接口的應(yīng)用.并將6個(gè)模塊細(xì)化為12個(gè)項(xiàng)目,項(xiàng)目的劃分如表1所示.從表1可以看出，教學(xué)過(guò)程首先讓學(xué)生認(rèn)識(shí)單片機(jī)的開發(fā)工具，學(xué)會(huì)使用Proteus和Keil軟件，接著由淺入深講述單片機(jī)開發(fā)的流程，從而讓學(xué)生先感性認(rèn)識(shí)單片機(jī)并產(chǎn)生興趣，再進(jìn)行各個(gè)模塊的應(yīng)用介紹.每個(gè)模塊設(shè)計(jì)一個(gè)或者多個(gè)項(xiàng)目，以項(xiàng)目制作為導(dǎo)向，圍繞項(xiàng)目開展知識(shí)點(diǎn)講解，配合Proteus和Keil將硬件、軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程展示給學(xué)生，完成項(xiàng)目的調(diào)試與運(yùn)行，并將仿真過(guò)程錄制成視頻，上傳超星泛雅平臺(tái)，供學(xué)生課下參考.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,讓學(xué)生在課下以小組合作的方式，從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和PPT匯報(bào)和撰寫報(bào)告幾個(gè)方面進(jìn)行合理分工，要求學(xué)生自主完成一些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與仿真.

表1 模塊化項(xiàng)目劃分表

3 項(xiàng)目式教學(xué)方法在教學(xué)中的應(yīng)用

由于單片機(jī)課程的應(yīng)用性特點(diǎn)，要求教學(xué)過(guò)程要體現(xiàn)理論與實(shí)踐的融合，但受課時(shí)的限制，實(shí)物的制作過(guò)程在理論課程中難以完成.利用Proteus仿真軟件進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，配合Keil軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)在課堂中演示單片機(jī)從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)到軟硬件聯(lián)調(diào)的全過(guò)程，使抽象的課程變得生動(dòng)有趣.下面以簡(jiǎn)易秒表為例，說(shuō)明基于Proteus與Keil的項(xiàng)目式教學(xué)方法在教學(xué)中的應(yīng)用.一個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程包括5個(gè)部分[5-6]：

圖1 簡(jiǎn)易秒表電路仿真圖

(1)項(xiàng)目導(dǎo)入.通過(guò)公共場(chǎng)合的電子手表、手機(jī)秒表、計(jì)時(shí)秒表等圖片引入項(xiàng)目.

(2)項(xiàng)目功能分析與設(shè)計(jì).根據(jù)預(yù)定的人機(jī)接口確定需要進(jìn)行按鍵和顯示裝置的控制要求，確定單片機(jī)的IO口如何控制數(shù)碼管和按鍵，使用數(shù)碼管的公共端是共陰還是共陽(yáng)，按鍵的閉合和彈起狀態(tài)，講解硬件設(shè)計(jì)方案.

(3)項(xiàng)目相關(guān)知識(shí).由于數(shù)碼管顯示的內(nèi)容固定，通過(guò)數(shù)組實(shí)現(xiàn)比較方便，對(duì)數(shù)組知識(shí)進(jìn)行講解；按鍵的去抖動(dòng)知識(shí)講解，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的消隱問(wèn)題講解.

(4)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn).通過(guò)對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的分析，進(jìn)行流程圖的設(shè)計(jì)，利用Keil進(jìn)行軟件編程的設(shè)計(jì)，并配合Proteus進(jìn)行聯(lián)調(diào).

(5)項(xiàng)目拓展.根據(jù)現(xiàn)有的兩位數(shù)碼管秒表進(jìn)行改進(jìn)，拓展為6位數(shù)碼管秒表，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、復(fù)位和暫停按鍵控制功能.

下面對(duì)簡(jiǎn)易秒表的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明.如圖1所示，簡(jiǎn)易秒表的硬件原理圖通過(guò)Proteus進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖中AT89C51單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)，注意由于是仿真硬件設(shè)計(jì)，電源和地引腳沒(méi)有顯示，實(shí)際系統(tǒng)中AT89C51需要5 V供電，圖中使用共陽(yáng)極數(shù)碼管，按鍵可實(shí)現(xiàn)秒表0-10 s的計(jì)數(shù)、復(fù)位和暫停功能.

軟件在KeilC51中完成編譯生成timer.hex文件，然后將timer.hex文件添加到AT89C51中即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào).源程序如下：

#include

sbit KEY=P3^7;//位定義

unsigned char code Table[]={0xC0,0xf9,0xA4,0x0B0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//共陽(yáng)極數(shù)碼管段碼

unsigned char i=0;count=0;key_flag=0;flag=0;

bit Key_State;

void key_Handle();//按鍵處理函數(shù)聲明

void delay(unsigned int ms)

{unsigned char j;

while(ms-—)for(j=0;j<120;j++);}

void main()

{P0=0xff;//初始顯示0

P2=0x00;//位選關(guān)閉

TMOD=0x01;//T0定時(shí)器，工作模式1

TH0=(65536-50000)/256;//50ms定時(shí)初值

TL0=(65536-50000)%256;

Key_State=1;//用于有按鍵按下的記錄

while(1)

{if(Key_State!=KEY)//判斷是否有按鍵按下

{

delay(5);

Key_State=KRY;//按鍵的狀態(tài)值賦給 Key_State

key_Handle();}

if(flag==1)

{P0=Table[count/10]&0x7f;//顯示十位數(shù)和小數(shù)點(diǎn)

P2=0x01;

delay(5);

P0=0xff;

P0=Table[count%10];//顯示個(gè)位數(shù)

P2=0x02;

delay(5);

P0=0xff;

if(count==100)//計(jì)數(shù)滿100次，10 s顯示00

count=0;} } }

void key_Handle()

{if(Key_State==0)

{key_flag=(key_flag+1)%3;//記錄按的次數(shù)后處理為1,2,0

switch(key_flag)

{case 1:EA=1;ET0=1;TR0=1;break;//開中斷，啟動(dòng)定時(shí)器，50 ms進(jìn)入中斷

case 2:EA=0;ET0=0;TR0=0;break;//關(guān)中斷，停止定時(shí)器

case 0:P0=0xC0;P2=0x00;i=0;count=0;break;//全部清零} } }

void DSY_refresh()interrupt 1

{TMOD=0x01;//T0定時(shí)器，工作模式1

TH0=(65536-50000)/256;//50 ms定時(shí)初值

TL0=(65536-50000)%256;

if(++i==2) //每0.1 s計(jì)數(shù)一次，并刷新數(shù)據(jù)

{i=0;

count++;

flag=1;} }

4 課程考核方式改革

為了保證過(guò)程管理的有效性，對(duì)單片機(jī)課程的考核方式進(jìn)行改革，采用考勤和作業(yè)評(píng)價(jià)(占比20%)、項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程性評(píng)價(jià)(占比30%)與期末考試(占比50%)相結(jié)合的方式.其中，考勤和作業(yè)評(píng)價(jià)主要是針對(duì)平時(shí)對(duì)單片機(jī)理論知識(shí)學(xué)習(xí)和學(xué)習(xí)態(tài)度考核，過(guò)程性評(píng)價(jià)注重項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)踐能力的考核，期末考試以考核課程的基礎(chǔ)理論知識(shí)為主.項(xiàng)目完成后要進(jìn)行PPT演示和實(shí)物演示，PPT演示鍛煉學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容的語(yǔ)言表達(dá)能力，實(shí)物演示要求能夠展示硬件及調(diào)試過(guò)程，并要求提交設(shè)計(jì)報(bào)告，其中PPT報(bào)告占10%，硬件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)占50%，設(shè)計(jì)報(bào)告占40%，旨在考核學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力、實(shí)踐能力、合作能力及語(yǔ)言表達(dá)能力.該考核方式已在2015級(jí)工科各專業(yè)、2017級(jí)自動(dòng)化專業(yè)和2018級(jí)電子信息工程專業(yè)進(jìn)行實(shí)施，改革效果良好，學(xué)生實(shí)踐能力大幅提高，得到學(xué)生一致好評(píng).

5 結(jié) 語(yǔ)

改革后的單片機(jī)教學(xué)真正做到了轉(zhuǎn)換教師為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的“教、學(xué)、做”一體的教學(xué)方式.基于Proteus和Keil的項(xiàng)目教學(xué)法可以讓學(xué)生很好地掌握單片機(jī)開發(fā)流程的工程實(shí)踐能力，而且由于Proteus是純軟件系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)51控制系統(tǒng)的電路搭建，輔以Keil軟件進(jìn)行仿真，只需電腦就可建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在課下獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)、作業(yè)或者課程設(shè)計(jì).學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中獲得成就感，自然會(huì)更好激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更好實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的“教、學(xué)、做”三位一體的教學(xué)法.階段性的考核也可以培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言組織能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和實(shí)踐能力，使學(xué)生綜合素質(zhì)鍛煉得到有效提高，滿足社會(huì)對(duì)應(yīng)用人才的需求，以便于今后能快速的適應(yīng)工作崗位.