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ＰＲＯＴＥＵＳ在单片机教学中的应用
作者：王 莉 苏 波
关键词：PROTEUS；单片机；课堂教学；实验教学；课程设计
单片机以其功能强、体积小、抗干扰性能好等优点，在过程控制、智能仪器仪表、机电一体化产品、智能接口等领域得到了广泛的应用。掌握单片机应用技术已成为电类专业大学生和相关工程技术人员的迫切需求。我校的自动化、电气工程、电子信息工程、电子科学与技术、计算机应用、测控技术与仪表、机电一体化等专业都开设了单片机课程，并将其列为重要的技术基础课或专业主干课。单片机课程在教学中普遍存在入门难、理论与实践脱节、学生开发能力难以培养等问题。为了提高教学质量，增强教学效果，不少从事单片机教学的同行曾撰文对单片机教学改革问题进行了深入的探讨，内容涉及课堂教学、实验、课程设计等多个环节。其中一些举措确实能很好地激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，但由于课时、实验环境、辅导力量等的限制，学生的受益面不大，只有很少一部分学生具备独立开发单片机系统的能力。原因在于传统的单片机系统开发流程较为复杂，一般要经过项目分析、电路设计、电路板制作、元器件安装焊接、硬件调试、软件调试、系统调试等步骤，若出现问题，有时需要对硬件和软件进行反复的修改。费时费力的开发过程往往容易使学生在学习中受挫，而且由于受开发成本和开发速度的影响，学生不可能得到充分的训练。一直以来，人们渴望能够借助PC机在虚拟环境下完成上述的所有过程，待方案成熟、排除一切不确定性因素之后再进行实际的制作。单片机系统仿真工具PROTEUS的出现使这一设想成为可能。笔者在熟悉PROTEUS之后，将其引入到单片机教学的各个环节，并收到了很好的效果。
将PROTEUS引入单片机课堂教学
用PROTEUS实例激发学生的学习兴趣为了提高学生的学习兴趣，以前在上第一次课的时候往往要向学生列举大量的实例说明单片机技术的实用性及其应用的广泛性。为了增强直观效果，借助幻灯片展示大量的单片机制作产品的图片；另外将上届学生的课程设计作品和自己科研项目中制作的样机拿到课堂供学生观看。这些举措确实能起到一定的效果，但这些图片和作品所展现的内容毕竟有限，学生很难领悟到单片机在这些制作中的作用与地位。在接触PROTEUS之后，笔者运用PROTEUS制作了一些典型的应用系统（如流水灯、交通灯、数字钟、LCD显示等），并从互联网上搜集了不少单片机爱好者开发的优秀作品，学生反响强烈，兴趣大增。
利用PROTEUS增强教学直观效果，提高课时利用率在单片机课堂教学中，教师经常需要对单片机和接口芯片引脚的电平变化进行分析，传统的讲解方法费时费力且不直观。虽然可以借助Keil C51、Wave等仿真软件来观察各端口的变化，但显示的只是0、1两种状态，直观性不是很强。PROTEUS具有用色点显示芯片管脚状态的功能，教师可通过单步调试的方法让学生观察引脚的高低电平变化。另外，也可通过示波器、逻辑分析仪和发光二极管进行观察。例如，中断系统中关于中断优先级设定、外部中断触发方式、中断嵌套等内容较为抽象，即使通过实验装置来演示，也只能看到表面结果。用PROTEUS软件可以方便地演示中断系统的细节内容，加深学生对知识的理解。讲课的生动性和直观性增强后，可以节省时间用来给学生补充更多的实例，以拓宽知识面，提高课时利用率。
借助PROTEUS化解教学难点在单片机教学中，串行通讯是一个难点，传统的教学方法很难使学生透彻理解双机通讯、多机通讯以及PC机与单片机之间的通讯过程。实验条件也限制了这些通讯过程的演示。因此，串行通讯这一难点往往没有成为教学的重点，而实际上串行通讯在实际中的应用是很广泛的。有了PROTEUS之后，这一问题便迎刃而解。
用PROTEUS制作的单片机双机通讯例子如图1所示，串口工作方式为方式1，波特率相同，主机循环向从机发送0~9，从机接收到数据后加1再回送给主机。通过对硬件电路和程序代码的分析，学生对单片机之间的通讯有了清晰的认识。
图1单片机双机通讯仿真实例
对于A/D，D/A，LED动态显示等其他难点知识也可以通过PROTEUS来进行仿真。笔者认为有了PROTEUS软件的支持，以往的难点知识都变得易于讲解。
用PROTEUS改进单片机实验教学
单片机课程的实践性很强，实验环节的教学应引起高度重视。传统的单片机实验只能在单片机实验箱上完成设备现有的实验项目，学生在做实验时往往只是演示一下就算完成任务，很少追究实验本身所体现的问题，也不能通过实验理解相关的理论知识。我校单片机实验室配有清华TSC51/196单片机实验箱，该实验箱提供了20多个实验项目，也可用来开发其他实验项目。由于受实验课时的限制，我们挑选了其中几个具有代表性的实验要求学生完成。学生虽然熟悉了实验步骤和操作，但在不了解整个实验箱系统的构成及软硬件资源的情况下不可能去开发综合性实验，仅停留在演示性、验证性实验的层次。学生做完实验以后，对实验的具体硬件电路和程序编写知之甚少。为了解决这个问题，可以在开放单片机实验室的同时将PROTEUS软件引入到实验教学环节中。要求学生在实验课前运用PROTEUS对实验项目进行仿真，在设计硬件电路和编写程序时考虑实验箱的资源状况，以确保仿真的结果可以在实验箱上实现。而PROTEUS所提供的元器件模型、外设模型和仪器仪表完全可以满足这一要求。学生如果按照这种方法将所有实验做一遍，就相当于自己设计了20多个最小的应用系统，收获可想而知。学生在PC机上仿真成功后再用实验箱做实验，能够做到目的明确，思路清晰，软硬件理解透彻，收到很好的实验效果。上述方法既保证了实验的质量和数量，又减少了实验箱的损耗和实验经费的投入。
对于仿真实验，以前的做法是先将目标板(电子钟实验板)的硬件构成介绍给学生，让学生在课前编写软件并在Wave软件下进行模拟仿真。在实验课上将目标板、仿真器、编程器、单片机、电源交给学生，由学生去熟悉仿真器并完成仿真实验。在四个学时中，学生可以很好地掌握仿真器、编程器的使用，但是大多数学生编写的软件不能实现要求的功能，往往要花费很多时间来修改调试程序。为了解决这一问题，要求学生先运用PROTEUS对电子钟进行仿真（如图2所示），这样，有计算机的学生在课下就有充分的时间去设计电路和编制程序，仿真实验的成功率明显提高，少数系统不能正常工作的原因主要是目标板出现了硬件故障。
图2电子钟点仿真实例
用PROTEUS改革单片机课程设计
PROTEUS在仿真实验中的成功应用为课程设计改革提供了很好的思路和方法。在今后的单片机课程设计中，完全可以打破过去全班只有一两个题目的局面，让学生根据爱好和掌握知识的程度自由发挥设计题目，培养学生的自主创新意识。教师与学生共同探讨方案的可行性之后，由学生在PROTEUS中设计硬件电路，编制程序并调试。等仿真成功之后，由学生购买元器件并进行电路焊接、系统调试和程序固化，最终每人独立完成一件作品。
以上是笔者将PROTEUS软件引入单片机教学中所做的一些探讨，这一做法较好地弥补了传统教学方法中的不足。实践表明，这种方法效果显著，主要体现在学生的学习热情高涨，实验能力和开发能力较前几届学生有了较大提高。在今年的毕业设计中，已有不少学生采用PROTEUS进行前期的仿真。总之，PROTEUS的出现为我们学习和使用单片机提供了一条有效的途径，而且这种作用将会越来越明显。需要注意的是，仿真不能完全代替实物，在实际应用中会遇到很多新的问题，我们不可能抛弃已有的教学模式和实验手段而仅仅依靠虚拟的实验环境。
参考文献：
[1]刘雪雪.谈用Proteus改善现有单片机实验室[J].中国科学教育，2005，（16）.
[2]周绍平.单片机教学改革的实践与思考[J].扬州职业大学学报，2004，（2）.
作者简介：
王莉（1975—），女，河南温县人，河南理工大学电气学院讲师，主要从事工业过程计算机控制方面的研究。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
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