基于Proteus的單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐探究

葉夢(mèng)君　胡長(zhǎng)暉　焦冰　李琳

關(guān)鍵詞：Proteus；搶答器；綜合實(shí)驗(yàn)案例；教學(xué)實(shí)施

中圖分類號(hào)：TP368.1-4；G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）14-0018-04

0 引言

單片機(jī)原理與應(yīng)用課程是電子類專業(yè)一門技術(shù)性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)核心課程，課程學(xué)習(xí)必須通過一系列的軟硬件實(shí)驗(yàn)、理論聯(lián)系實(shí)際，才能學(xué)好、學(xué)懂，取得較好的學(xué)習(xí)效果，單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)一般都是針對(duì)單片機(jī)某個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容簡(jiǎn)單，各知識(shí)點(diǎn)之間的銜接不明顯，不能提高學(xué)生單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的能力，也不能很好提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。基于Proteus的單片機(jī)綜合案例實(shí)驗(yàn)，一方面使用Proteus仿真軟件搭建虛擬硬件平臺(tái)，通過合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)案例，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的工程性、綜合性與探索性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；另一方面將單片機(jī)理論課程中多個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通起來，加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的理解，提高綜合運(yùn)用軟硬件進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的技能，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

本文以單片機(jī)原理與應(yīng)用綜合性實(shí)驗(yàn)——基于Proteus 的8位競(jìng)賽搶答器為例，從知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)、能力目標(biāo)四個(gè)方面，淺談基于Proteus的單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)踐。

1 綜合實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)思想

綜合實(shí)驗(yàn)案例，旨在知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)、能力目標(biāo)對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合培養(yǎng)[1-2]。在知識(shí)目標(biāo)上，培養(yǎng)學(xué)生將單片機(jī)原理與應(yīng)用課程中碎片化的理論知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建成完善的知識(shí)體系；技能目標(biāo)上，培養(yǎng)學(xué)生熟悉使用軟件繪圖和編程開發(fā)，能夠獨(dú)立進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)；素質(zhì)目標(biāo)上，培養(yǎng)學(xué)生具有團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，建立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式，理論聯(lián)系實(shí)踐；能力目標(biāo)上，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維、研發(fā)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力。以8位競(jìng)賽搶答器為例，該綜合案例實(shí)驗(yàn)在知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)、能力目標(biāo)的具體體現(xiàn)。

1.1 綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的知識(shí)目標(biāo)

通過綜合實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)，可以將單片機(jī)原理與應(yīng)用課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通起來，構(gòu)建完善的知識(shí)體系。8位競(jìng)賽搶答器綜合性實(shí)驗(yàn)涉及單片機(jī)原理與應(yīng)用課程中的獨(dú)立式鍵盤與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)、數(shù)碼管的工作原理及顯示、定時(shí)器的工作原理及應(yīng)用、串行通信等知識(shí)點(diǎn)的融合。8位競(jìng)賽搶答器綜合性實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)分布如表1所示，通過對(duì)獨(dú)立式鍵盤、數(shù)碼管、定時(shí)器、串行通信知識(shí)點(diǎn)的掌握，并將知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通起來，構(gòu)建完善的知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)具體搶答功能。

1.2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的技能目標(biāo)

8位競(jìng)賽搶答器綜合性實(shí)驗(yàn)，可以借助虛擬仿真軟件+編程開發(fā)軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，一方面，通過虛擬仿真軟件+編程開發(fā)軟件驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)的可行性，另一方面，通過功能的實(shí)現(xiàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。8位競(jìng)賽搶答器綜合性實(shí)驗(yàn)技能目標(biāo)如表2所示，要求學(xué)生熟悉使用軟件繪圖、編程開發(fā)和仿真軟件，能夠獨(dú)立進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)[3-4]。

1.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的素質(zhì)目標(biāo)

綜合性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的功能和任務(wù)往往較多，需要進(jìn)行拆分，分解成較小的任務(wù)，這就需要多個(gè)同學(xué)協(xié)作共同完成相應(yīng)的任務(wù)需求。8位競(jìng)賽搶答器綜合性實(shí)驗(yàn)包含硬件設(shè)計(jì)任務(wù)和軟件設(shè)計(jì)任務(wù)，8位競(jìng)賽搶答器綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的素質(zhì)目標(biāo)如表3所示。通過綜合實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，鍛煉了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S[5-6]。

1.4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的能力目標(biāo)

8位競(jìng)賽搶答器綜合性實(shí)驗(yàn)，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)和合作討論學(xué)習(xí)，并通過探索、研究獲取知識(shí)。學(xué)生通過對(duì)8位搶答器綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行思考，如果選手較多，采用獨(dú)立式按鍵是否合理，是否可以采用矩陣式鍵盤進(jìn)行操作以及具體實(shí)現(xiàn)；定時(shí)時(shí)間是否可以進(jìn)行調(diào)整；數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片可否用其他芯片或者電路進(jìn)行取代；學(xué)生通過以上一系列問題，進(jìn)行自主設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在能力目標(biāo)上，培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新思維、研發(fā)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力[7-8]。

2 綜合實(shí)驗(yàn)案例具體實(shí)施

2.1 具體任務(wù)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心8位競(jìng)賽搶答器，可以同時(shí)供8名選手或8支隊(duì)伍比賽，具體要求如下：

1）搶答器同時(shí)供8名選手或8個(gè)代表隊(duì)參賽。

2）設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)清除/設(shè)置時(shí)間按鈕S9和搶答開關(guān)按鈕S0，由主持人控制。

3）搶答器具有鎖存和顯示功能。即選手按動(dòng)按鈕，鎖存相應(yīng)的編號(hào)，且優(yōu)先搶答選手的編號(hào)一直保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

4）搶答器具有定時(shí)搶答功能，且一次搶答的時(shí)間由主持人設(shè)定（如30s）。當(dāng)主持人啟動(dòng)“開始”鍵后，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，同時(shí)揚(yáng)聲器發(fā)出短暫的聲響，聲響持續(xù)的時(shí)間為0.5s左右。

5）參賽選手在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行搶答，搶答有效，定時(shí)器停止工作，顯示器上顯示選手的編號(hào)和搶答剩余的時(shí)間，并保持到主持人將系統(tǒng)清除為止。

6）如果定時(shí)時(shí)間已到，無人搶答，本次搶答無效，系統(tǒng)禁止搶答，定時(shí)顯示器上顯示00。

2.2 原理分析

通過對(duì)8位競(jìng)賽搶答器任務(wù)要求分析，該8位競(jìng)賽搶答器有單片機(jī)最小系統(tǒng)、搶答電路、主持人控制電路、數(shù)碼管顯示電路、揚(yáng)聲器提示電路；8位競(jìng)賽搶答器的系統(tǒng)框圖如圖1所示：

2.3 8位競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)微控制器、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成，教師講解單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件圖，學(xué)生掌握單片機(jī)最小系統(tǒng)組成；搶答電路使用AT89C51的IO口（選取P1.0 - P1.7）分別連接獨(dú)立式按鍵作為選手的搶答按鍵，選手編號(hào)分別為1到8，當(dāng)選手按下按鍵時(shí)，按鍵對(duì)應(yīng)的接口由高電平變?yōu)榈碗娖?，程序不斷掃描P1各個(gè)口電平的變化，在掃描到有接口變?yōu)榈碗娖胶?，迅速鎖定該口的編號(hào)，模擬搶答成功情形，學(xué)生掌握獨(dú)立按鍵與單片機(jī)的接口連接。主持人控制電路由AT89C51芯片的IO口（選取P2.0 與P2.1口）進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，通過與兩個(gè)按鍵進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)開始計(jì)時(shí)與搶答時(shí)間的設(shè)置。揚(yáng)聲器發(fā)聲由AT89C51芯片的IO口（選取P3.7口）進(jìn)行提供。顯示電路由數(shù)碼管進(jìn)行顯示，數(shù)碼管由MAX7219芯片進(jìn)行顯示驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)10引腳的LED數(shù)碼管進(jìn)行選手編號(hào)的顯示與搶答時(shí)間顯示，選手編號(hào)與搶答時(shí)間顯示的數(shù)據(jù)由MAX7219芯片的DIN接口（串行數(shù)據(jù)輸入端口）進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的輸入，LOAD口進(jìn)行數(shù)據(jù)的裝載，再通過DIG0～DIG7 口進(jìn)行片選信號(hào)的輸出，對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行控制和顯示，教師講授數(shù)碼管的工作原理與應(yīng)用，MAX7219芯片的工作原理與應(yīng)用，學(xué)生掌握數(shù)碼管、MAX7219芯片與單片機(jī)接口的硬件連接。8位競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)硬件電路如圖2所示：

2.4 8位競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)了8位競(jìng)賽搶答器的硬件電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行8 位競(jìng)賽搶答器的軟件設(shè)計(jì)，通過這個(gè)任務(wù)要求分析，8 位競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)接通電源后，主持人可以按搶答時(shí)間設(shè)置按鍵進(jìn)行搶答時(shí)間的設(shè)置，在設(shè)置好搶答時(shí)間后，按開始按鍵即可開始計(jì)時(shí)搶答，此時(shí)選手可以通過自己的按鍵進(jìn)行搶答。在一個(gè)選手成功之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行選手編號(hào)與搶答時(shí)間的鎖定，數(shù)碼管就會(huì)顯示當(dāng)前搶答選手的編號(hào)與搶答時(shí)間。8位競(jìng)賽搶答器的軟件程序流程圖如圖3所示。

整個(gè)8位競(jìng)賽搶答器程序涉及時(shí)間設(shè)置函數(shù)、定時(shí)時(shí)間函數(shù)、鍵盤掃描函數(shù)、顯示函數(shù)的編寫；其中時(shí)間設(shè)置函數(shù)過程：8位競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)接通電源后，系統(tǒng)裝入時(shí)間初值和搶答結(jié)果初值，系統(tǒng)上電時(shí)，時(shí)間初值為30s，搶答結(jié)果初值為0；如果有時(shí)間設(shè)置鍵按下，改變搶答時(shí)間，每按一次時(shí)間設(shè)置鍵，搶答時(shí)間加1，如果搶答時(shí)間超過60s，搶答時(shí)間重置0。

定時(shí)時(shí)間函數(shù)根據(jù)定時(shí)時(shí)間，選取定時(shí)器和工作方式，確定定時(shí)初值：8位競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)由主持人按開始按鍵即可進(jìn)入開始計(jì)時(shí)搶答環(huán)節(jié)，定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)時(shí)，由定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的定時(shí)功能，每定時(shí)0.5s通過揚(yáng)聲器發(fā)出短暫聲響，揚(yáng)聲器聲響持續(xù)時(shí)間為0.5s左右，每定時(shí)1s，計(jì)時(shí)時(shí)間減1。需要教師講解定時(shí)器的工作原理，定時(shí)器初始化的程序編寫。

鍵盤掃描函數(shù)，初始化搶答選手端口的狀態(tài)，如果搶答選手搶答鍵按下，進(jìn)入相應(yīng)的按鍵處理程序，獲取鍵值，即選手號(hào)；需要講師講解獨(dú)立式鍵盤工作原理及獨(dú)立式鍵盤掃描程序編寫。

顯示函數(shù)有時(shí)間顯示和搶答結(jié)果顯示，均由數(shù)碼管進(jìn)行顯示，顯示函數(shù)主要由MAX7219寫命令函數(shù)進(jìn)行控制。需要教師講解MAX7219 的工作原理及MAX7219寫命令函數(shù)編寫。

2.5 8位競(jìng)賽搶答器系統(tǒng)仿真分析

系統(tǒng)仿真時(shí)首先要在使用Keil C51編譯器時(shí)，對(duì)把所寫的程序進(jìn)行編譯，同時(shí)在仿真器里設(shè)置生成.hex文件，編譯無錯(cuò)誤時(shí)使用Proteus軟件在8位競(jìng)賽搶答器虛擬硬件電路中進(jìn)行仿真。主持人按下開始按鍵后，搶答開始，開始30s倒計(jì)時(shí)，開始搶答仿真結(jié)果如圖4所示；當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)到20s時(shí)，搶答器仿真結(jié)果如圖5所示：

點(diǎn)擊任意選手按鈕，如按按鈕S5，倒計(jì)時(shí)暫停，此時(shí)倒計(jì)時(shí)時(shí)間數(shù)碼管上顯示，數(shù)碼管顯示選手編號(hào)05，選手搶答仿真結(jié)果如圖6所示；若該選手答錯(cuò)，繼續(xù)開始搶答，繼續(xù)倒計(jì)時(shí)，選手編號(hào)清零，仿真結(jié)果如圖7所示。

一輪答題結(jié)束后，定時(shí)時(shí)間和選手編號(hào)均清零，點(diǎn)擊清除/設(shè)置時(shí)間按鈕，可設(shè)置搶答時(shí)間，按開始按鈕重新?lián)尨鸫痤}，如果選手答錯(cuò)，按開始按鍵繼續(xù)搶答，選手編號(hào)清零，計(jì)時(shí)時(shí)間繼續(xù)倒計(jì)時(shí)。

3 結(jié)束語

本綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例已成功應(yīng)用于單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)，具有如下特點(diǎn)：

1）該綜合實(shí)驗(yàn)案例幾乎涵蓋了單片機(jī)原理與應(yīng)用課程中定時(shí)器、中斷、鍵盤、數(shù)碼管、串行通信等核心知識(shí)點(diǎn)，具有較強(qiáng)綜合性，便于學(xué)生將理論課程中碎片化知識(shí)構(gòu)建成相對(duì)完善知識(shí)體系。

2）通過將Proteus虛擬仿真軟件+Keil編程融入單片機(jī)課程的教學(xué)中，一方面提高學(xué)生對(duì)軟件技能的掌握，一方面培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

3）通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、自主創(chuàng)新能力和解決復(fù)雜問題能力。

多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，基于虛擬仿真的綜合性實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)提高了學(xué)生設(shè)計(jì)單片機(jī)硬件電路系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力，取得了良好的教學(xué)效果，有利于教學(xué)水平的提高。