基于Protues的單片機原理及應用教學改革研究

葛恒清 王欣

摘 要 針對傳統(tǒng)單片機原理及應用課程教學中所存在的問題，提出運用Protues軟件進行輔助教學改革研究，通過教學實例低頻信號發(fā)生器介紹了整個設(shè)計和仿真過程，這種教學模式可以豐富教學內(nèi)容，激發(fā)學生的學習興趣，提高學生自主解決問題和自主創(chuàng)新能力，達到了較好的教學效果。

關(guān)鍵詞 單片機 Protues 教學改革

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

0引言

單片機原理及應用是高校電子電氣類等相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)必修課。該課程是以MCS-51單片機為范例學習單片機原理的課程，是一門面向應用的、具有很強的實踐性與綜合性的課程。該課程的目的是培養(yǎng)學生的軟硬件設(shè)計能力，提升學生的動手實踐能力和創(chuàng)新能力。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于辦公自動化、智能家居、通信等各個領(lǐng)域。在全國電子設(shè)計大賽、全國物聯(lián)網(wǎng)大賽、中國工程機器人大賽等學科競賽中，單片機技術(shù)已經(jīng)稱為參賽選手必備的技術(shù)。能否熟練的應用單片機進行項目開發(fā)已成為用人單位篩選電子電氣專業(yè)人才的標準。

Protues軟件是一款功能強大的虛擬仿真軟件，不僅可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路和數(shù)字電路，而且可以提供嵌入式系統(tǒng)（單片機應用系統(tǒng)、ARM應用系統(tǒng)）的仿真實驗。它支持單片機和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并可以提供周邊設(shè)備的仿真，如LED、鍵盤、電機、示波器等。在編譯方面，它可以與Keil C51集成的開發(fā)環(huán)境相連接，進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試。

1單片機原理及應用教學中存在的問題

1.1學生動手實踐能力較差

在傳統(tǒng)的單片機課程教學中，除了理論課上的原理介紹之外，實驗箱是輔助教學的重要手段，而實驗箱所設(shè)計的實驗往往是驗證性的，內(nèi)容比較單一，學生只要按照步驟進行接線、下載即可，學生不需要動手設(shè)計電路，這限制了學生的主觀能動性和創(chuàng)新意識，很難提升學生的動手實踐能力。

1.2軟硬件結(jié)合內(nèi)容缺失

該課程是一門實踐應用范圍較為廣泛的應用型課程，要求學生能夠搭建出解決實際問題的控制系統(tǒng)，這就要求學生能夠獨立設(shè)計硬件電路、調(diào)試軟件程序，并將這兩者合理進行結(jié)合。而教師在傳統(tǒng)的教學過程中，往往按照教材編寫的順序進行理論教學，學生很難將課堂上的理論知識與真實的硬件電路進行結(jié)合，難以構(gòu)建系統(tǒng)的單片機知識。

2 Protues在單片機教學改革中的應用

2.1提升學生的動手實踐能力

教師在講授單片機實例的時候，可以直接通過Protues進行演示仿真，使理論知識與實踐教學相互滲透，這種將理論講解與仿真驗證相結(jié)合的教學手段可以將抽象的單片機理論生動的向?qū)W生進行展示，使學生更好的進行理解。同時，學生可以通過Protues軟件仿真自己所設(shè)計的系統(tǒng)，可以鍛煉學生解決實際問題的能力，提升學生的動手實踐能力。

2.2構(gòu)建軟硬結(jié)合教學載體

教師在上課的過程中，可以利用Protues軟件將教學內(nèi)容融入到具體項目的設(shè)計和開發(fā)中，更加生動的展示項目的設(shè)計和調(diào)試過程。利用Protues軟件搭建硬件仿真平臺，利用Keil C51對代碼進行編寫和調(diào)試，極大的拓展了課堂教學的軟硬件環(huán)境條件，使學生能夠?qū)⒂布O(shè)計和軟件調(diào)試結(jié)合起來。

3教學實例

本文以設(shè)計低頻信號發(fā)生器為例，首先根據(jù)需求分析，給出系統(tǒng)的設(shè)計方案，然后通過Protues軟件搭建仿真電路，通過Keil進行程序編寫和調(diào)試，最后將調(diào)試后的可執(zhí)行文件下載到Protues軟件的單片機中，實現(xiàn)低頻信號發(fā)生器的仿真。

3.1設(shè)計方案

本系統(tǒng)利用單片機作為信號數(shù)據(jù)產(chǎn)生源，用中斷查表法完成波形數(shù)據(jù)的輸出，再用DA轉(zhuǎn)換模塊輸出所需的波形信號。操作人員可以通過按鍵模塊切換波形的類別，改變其頻率大小。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要由單片機模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、運放模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、按鍵控制模塊、電源模塊、液晶顯示模塊等構(gòu)成。電源模塊為各個模塊提供穩(wěn)定電源，單片機通過程序編程的方法產(chǎn)生數(shù)字信號，D/A轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，而運放模塊將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過示波器可以監(jiān)測到對應的波形信號波形類型及頻率大小。通過Protues所設(shè)計的硬件仿真電路。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.3.1波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序

波形數(shù)據(jù)是通過定時器T0的中斷程序產(chǎn)生的，當定時器計數(shù)溢出時發(fā)生一次中斷，當發(fā)生中斷時，單片機將按順序?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)表中的波形數(shù)據(jù)一一送入DAC0832，DAC832根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)大小輸出相應的電壓，波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生程序流程圖。

3.3.2按鍵掃描程序

按鍵掃描程序的功能為不斷檢測4個按鍵是否被按下，如有按下則執(zhí)行相應的功能，4個按鍵的作用分別為：頻率加、頻率減、波形選擇和步進值設(shè)置，按鍵掃描程序流程。

3.4仿真驗證

通過以上分析后，在Keil軟件進行程序編寫、調(diào)試，調(diào)試成功后，將編譯生成的HEX文件下載到硬件仿真電路的51單片機中，運行后觀察仿真效果?？梢酝ㄟ^按鈕改變波形頻率和類型。為仿真所得的正弦波、方波和三角波。

4教學改革的成效

和傳統(tǒng)的教學模式相比，在單片機原理及應用課程中引入Protues軟件，使軟件仿真和硬件電路調(diào)試緊密的融合在一起，突破了理論和實驗相互分離的局面。通過近幾年在學院的教學實踐，使用這種教學模式，其所取得的成效如下：

4.1激發(fā)了學生的學習熱情，由被動學習轉(zhuǎn)為主動學習

教師在講課的過程中，可通過Protues軟件實時設(shè)計電路并進行驗證，激發(fā)了學生的學習熱情，更好的引導學生如何自主學習，將學習中的被動性轉(zhuǎn)化為主動性，學生更好的對理論課程知識進行理解。

4.2培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的能力

教師將Protues軟件引入理論教學，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的教師講解，學生被動接受的模式，針對教師布置的項目任務(wù)，每位學生都要承擔相應的項目工作，在教師的引導和團隊討論中，學生通過獨立思考和實際動手操作，學生分析問題和解決問題的能力得以提升。

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