Protues仿真軟件在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用

邱剛

（重慶三峽學(xué)院電氣工程系，重慶 404100）

0 引言

在高校的各種電子專業(yè)中，單片機(jī)課程都是一門較為核心的課程?，F(xiàn)階段中，在各個院校里，相關(guān)任課教師在開展單片機(jī)課程教學(xué)時，存在著教師教學(xué)難、學(xué)生學(xué)習(xí)難的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致單片機(jī)課程的教學(xué)效果以及教學(xué)質(zhì)量均難以達(dá)到理想目標(biāo)。單片機(jī)教學(xué)課程具有較強(qiáng)的應(yīng)用性以及實踐性，因此，相關(guān)任課教師應(yīng)當(dāng)積極結(jié)合這一特點來將Proteus軟件應(yīng)用到單片機(jī)教學(xué)中。

1 Proteus在單片機(jī)實驗教學(xué)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(guān)功能的EDA工具軟件，其功能的獨特性主要體現(xiàn)在其能夠在原理圖的虛擬原型基礎(chǔ)上聯(lián)合Keil進(jìn)行調(diào)試[1]，從而使微處理器的軟件調(diào)試以及硬件調(diào)試得以實現(xiàn)，同時還可以對功能效果進(jìn)行相應(yīng)的檢驗。因此，教師在對學(xué)生進(jìn)行單片機(jī)教學(xué)時，可以積極將Proteus軟件應(yīng)用到教學(xué)中。Proteus軟件中的元件庫多達(dá)三十多個，包括模擬元件庫以及數(shù)字元件庫，能夠進(jìn)行各種類型數(shù)字電路以及模擬電路的仿真，并且?guī)в邢鄳?yīng)的儀表以及儀器，此外，Proteus軟件還能夠支持一些主流單片機(jī)的仿真，例如：PIC系列以及51系列，圖1是基于51單片機(jī)的交通燈Proteus仿真。在單片機(jī)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(jī)CPU系列具有一定的單一性。使用Proteus軟件來開展相關(guān)單片機(jī)實驗項目的仿真，可以使學(xué)生能夠?qū)Τ绦蜻\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(xué)生可以更好的掌握單片機(jī)技術(shù)知識。

圖1 基于51 單片機(jī)的交通燈Proteus 仿真

2 單片機(jī)課程教學(xué)中存在的不足及問題

2.1 傳統(tǒng)單片機(jī)理論教學(xué)中存在的不足

現(xiàn)階段中，大部分院校的單片機(jī)教學(xué)通常都是將教學(xué)課堂上的理論概念作為教學(xué)主體，后期將一些相關(guān)的課程設(shè)計以及課程實驗作為輔助。在教師編排單片機(jī)概念理論教學(xué)內(nèi)容時，一般的主線內(nèi)容都是介紹單片機(jī)的組成，同時將一些實際例子作為輔助進(jìn)行講解。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些課程時，在宏觀系統(tǒng)的認(rèn)識上較為匱乏，從而導(dǎo)致學(xué)生對課程內(nèi)容只有孤立記憶[2]，大部分學(xué)生都會感覺到單片機(jī)理論課程的教學(xué)內(nèi)容較為生硬、抽象，從而喪失對單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)興趣，最終導(dǎo)致單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量及效率均無法達(dá)到理想效果。

2.2 傳統(tǒng)單片機(jī)實踐教學(xué)存在的不足

單片機(jī)技術(shù)課程具有較強(qiáng)的應(yīng)用性以及實踐性，其開設(shè)目的主要是為了實現(xiàn)學(xué)生對相關(guān)工程的研發(fā)能力、設(shè)計能力、制作能力以及調(diào)試能力的培養(yǎng)?，F(xiàn)階段中，大部分生產(chǎn)教育電子產(chǎn)品的廠家在推行相應(yīng)的實驗設(shè)備時，通常都會為購買者提供較為詳細(xì)的實驗講解以及實驗說明，但是，這些實驗設(shè)備智能化愈高，對于使用設(shè)備的學(xué)生而言，在進(jìn)行相關(guān)實驗時，動腦以及動手的機(jī)會就愈少，從而導(dǎo)致學(xué)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(jìn)的實驗設(shè)備通常都會根據(jù)相關(guān)的實驗來進(jìn)行模塊化的組合，在導(dǎo)線連接、下載程序、輸入程序、執(zhí)行程序以及結(jié)果驗證上都已經(jīng)形成相應(yīng)的模式，在學(xué)生使用設(shè)備時，需要親自動手來進(jìn)行設(shè)計的實驗內(nèi)容不多，學(xué)生難以深入?yún)⑴c實驗的細(xì)節(jié)設(shè)計中，在學(xué)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(dǎo)致單片機(jī)教學(xué)的教學(xué)效果及教學(xué)質(zhì)量無法得到提高。

3 Proteus軟件在單片機(jī)教學(xué)應(yīng)用的策略

Proteus軟件是一款具有強(qiáng)大仿真能力的單片機(jī)仿真軟件，其不僅能夠使院校在硬件設(shè)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(xiàn)出來，讓學(xué)生在生動性以及形象性較高的教學(xué)過程中獲得良好的學(xué)習(xí)體驗，同時可以促進(jìn)單片機(jī)理論知識和實踐技術(shù)的有機(jī)融合，因此，教師應(yīng)當(dāng)積極將Proteus軟件應(yīng)用到單片機(jī)教學(xué)中。

3.1 Proteus軟件在單片機(jī)理論教學(xué)中的應(yīng)用

3.1.1 理論形象化

在教師對學(xué)生開展單片機(jī)教學(xué)的過程中，當(dāng)教師講解單片機(jī)理論課程的前部分章節(jié)內(nèi)容時，不能單純講授理論知識，特別是對于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)、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(xué)生極易產(chǎn)生枯燥、乏味之感，導(dǎo)致學(xué)生無法對理論知識有直觀地認(rèn)知以及感性的認(rèn)知，在這樣的情況下，學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣以及學(xué)習(xí)熱情難以得到有效的激發(fā)。教師將Proteus軟件應(yīng)用到理論教學(xué)中，利用Proteus軟件能夠具體表現(xiàn)形式的特點來對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)，Proteus軟件可以將一些復(fù)雜性及抽象性較高的知識點生動形象的展現(xiàn)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(xué)生能夠?qū)@些知識點有更直觀、更深入的理解，繼而有效掌握單片機(jī)的相關(guān)運行機(jī)制。假如學(xué)生在教學(xué)課堂上存在不懂的知識，在課后可以積極使用Proteus軟件來進(jìn)行驗證，從而達(dá)到對知識點進(jìn)行鞏固的目的，同時培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

3.1.2 知識具體化

單片機(jī)課程對學(xué)生的實踐能力以及動手能力具有較高的要求，當(dāng)學(xué)生真正了解單片機(jī)技術(shù)之后，將會提高對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)熱情。單片機(jī)在現(xiàn)實生活中的應(yīng)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(jié)構(gòu)圖，在學(xué)生日常生活中較常使用的一些電子產(chǎn)品，也可以自己通過單片機(jī)制作來實現(xiàn)。由于單片機(jī)理論知識的抽象程度以及復(fù)雜程度較高，如果教師在對學(xué)生開展單片機(jī)教學(xué)時僅僅只注重單純理論的講解，則會造成學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)熱情下降的情況。Proteus軟件將實踐教學(xué)作為出發(fā)點，教師積極將其應(yīng)用到教學(xué)中，可以利用Proteus軟件的仿真能力將單片機(jī)教學(xué)的知識點生動形象的呈現(xiàn)出來，從而讓學(xué)生對單片機(jī)技術(shù)在生活中的應(yīng)用有更加全面、深入的了解，從而使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到充分的激發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識及創(chuàng)新思維。

圖2 電子琴硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

3.2 Proteus軟件在單片機(jī)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

3.2.1 課內(nèi)實驗

在單片機(jī)的傳統(tǒng)教學(xué)課堂中，學(xué)生為了了解實驗過程、實驗步驟、實驗內(nèi)容以及實驗結(jié)果，一般都是通過閱讀相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書實現(xiàn)的。因為實驗硬件的缺乏，導(dǎo)致學(xué)生無法獲得真正的實驗驗證，繼而造成學(xué)生難以有效、透徹的理解實驗重難點以及實驗的設(shè)計原理。通過將Proteus軟件應(yīng)用到單片機(jī)教學(xué)中，學(xué)生在對實驗指導(dǎo)書進(jìn)行閱讀之后，可以根據(jù)所掌握的信息來構(gòu)建相應(yīng)的實驗?zāi)M系統(tǒng)，在大致了解實驗系統(tǒng)的工作原理以及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照所創(chuàng)建的電路圖來對程序軟件進(jìn)行編寫設(shè)計，從而使學(xué)生對軟件的編程開發(fā)有更加深入的了解。在確認(rèn)程序無異常之后，在進(jìn)入實驗室中開展真正的實驗時，可以按照相關(guān)的硬件設(shè)計來對實驗結(jié)果進(jìn)行對比[4]，對問題進(jìn)行全面的分析，從而加深學(xué)生對實驗原理的理解，若仿真結(jié)果和實際的實驗結(jié)果無差，則表示所創(chuàng)建的模擬系統(tǒng)符合實際的硬件，相應(yīng)的程序軟件也匹配，促進(jìn)學(xué)生對實驗原理、實驗過程、實驗內(nèi)容、實驗結(jié)果的內(nèi)化。如實驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定差距，則應(yīng)當(dāng)嚴(yán)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(xué)生做到對課內(nèi)實驗的有效預(yù)習(xí)，從而有效避免出現(xiàn)學(xué)生實驗時間不夠、操作不當(dāng)、對實驗過程一知半解等情況。

3.2.2 課程設(shè)計

在單片機(jī)課程考核中，其中一個關(guān)鍵的構(gòu)成內(nèi)容為課程設(shè)計。當(dāng)學(xué)生在對方案進(jìn)行設(shè)計的時候，應(yīng)當(dāng)對方案的合理性、可行性、有效性進(jìn)行反復(fù)的推敲驗證。假如學(xué)生沒有進(jìn)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(xué)生可以先采用Proteus軟件來對方案進(jìn)行相應(yīng)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(xué)生在設(shè)計相應(yīng)的軟件編程時，一般情況下，學(xué)生的工程應(yīng)用軟件設(shè)計經(jīng)驗較為匱乏，在進(jìn)行軟件編程的時候常常會發(fā)生不同程度的差錯。大多數(shù)學(xué)生在對電路設(shè)計沒有完全的認(rèn)識情況下直接進(jìn)行實物焊接，把程序直接下載到單片機(jī)中，就會出現(xiàn)結(jié)果與預(yù)期不符的情況，學(xué)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(diào)試軟件及硬件。因此，學(xué)生可以積極應(yīng)用Proteus軟件來對軟件程序進(jìn)行驗證，在仿真軟件中，通常情況下，只要學(xué)生能夠正確連接硬件的電路，硬件是不會出現(xiàn)問題的[5]。但是應(yīng)當(dāng)注意，在實際的電路焊接以及硬件設(shè)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(jìn)行充分的考慮。在學(xué)生使用Proteus軟件對程序進(jìn)行驗證，確認(rèn)沒有異常情況之后，就能夠集中在硬件設(shè)計的問題上，幫助學(xué)生及時找出問題，并且采取相應(yīng)的解決措施，順利完成課程設(shè)計的軟件調(diào)試及硬件調(diào)試。

4 結(jié)語

總而言之，Protues軟件除了有利于學(xué)生掌握單片機(jī)技術(shù)知識，提高學(xué)生對單片機(jī)知識的運用能力之外，還可以讓學(xué)生在靈活性及自主性較高的學(xué)習(xí)模式中進(jìn)一步感受單片機(jī)技術(shù)知識所蘊(yùn)含的魅力。教師應(yīng)當(dāng)積極將Protues軟件應(yīng)用到單片機(jī)教學(xué)中激發(fā)學(xué)生對單片機(jī)的學(xué)習(xí)興趣，提高單片機(jī)教學(xué)質(zhì)量及效率。