Proteus在單片機(jī)教學(xué)和科技制作中的應(yīng)用與實(shí)踐

隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展,大量EDA軟件被引入電子類專業(yè)的課程教學(xué)中。例如在電路分析、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)課程中經(jīng)常把EWB仿真軟件引入到教學(xué)中以提高教學(xué)質(zhì)量。同樣，在單片機(jī)的領(lǐng)域里也有功能強(qiáng)大的EDA軟件可以作為教學(xué)的輔助手段。本文將Proteus仿真軟件引入到單片機(jī)課程的教學(xué)改革中，取得了較好的效果。

1 單片機(jī)課程現(xiàn)狀

1.1 單片機(jī)課程的重要性

單片機(jī)課程是自動(dòng)化、嵌入式等工科專業(yè)的一門專業(yè)方向課，目的是培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力強(qiáng)的高技能型人才。掌握單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí),具備基本應(yīng)用技能，才能符合當(dāng)前社會(huì)對(duì)自動(dòng)化、嵌入式專業(yè)人才的要求。同時(shí)，單片機(jī)教學(xué)的效果對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和專業(yè)技能的掌握也具有重要意義。作為一門應(yīng)用性極強(qiáng)的課程，教師不僅要在理論課上下功夫，還必須在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課積極做出探索，充分利用身邊資源，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

1.2 傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)存在的問題

1.2.1 理論教學(xué)存在的問題

由于單片機(jī)課程本身比較抽象，所以在教學(xué)中必須把教學(xué)內(nèi)容更直觀地展示給學(xué)生。把實(shí)驗(yàn)板或者仿真器引入到課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。但采用這種方法往往效果不是很好。一方面教師在課堂上做演示很浪費(fèi)時(shí)間，降低了教學(xué)的效率；另一方面小小的實(shí)驗(yàn)板和仿真器演示起來很難讓所有學(xué)生都觀察到效果。

1.2.2 實(shí)踐教學(xué)存在的問題

實(shí)驗(yàn)課是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的是提高學(xué)生的動(dòng)手能力和分析、解決問題的能力，使學(xué)生能熟練應(yīng)用單片機(jī)的集成環(huán)境和開發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為今后進(jìn)一步設(shè)計(jì)與應(yīng)用單片機(jī)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。以往實(shí)踐教學(xué)通常在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，學(xué)生使用高度集成化的實(shí)驗(yàn)箱完成老師布置的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)用到的只是實(shí)驗(yàn)箱的固定模塊，只要簡單地連接幾根導(dǎo)線、輸入相關(guān)程序就能完成該次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生搞不清楚硬件原理及設(shè)計(jì)步驟，失去了分析問題、解決問題的機(jī)會(huì)，硬件設(shè)計(jì)的能力得不到很好提高。因而，對(duì)單片機(jī)實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行教學(xué)改革勢(shì)在必行。

2 Proteus仿真軟件介紹

Proteus仿真軟件是目前較先進(jìn)、完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)軟件。它可以方便地安裝在普通PC機(jī)上，與Keil C軟件共同構(gòu)建起個(gè)人的單片機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室。Proteus內(nèi)含6 000種模擬和數(shù)字器件模型，功能強(qiáng)大，具體如下：(1)用于數(shù)字、模擬電路及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等原理圖的繪制；(2)對(duì)數(shù)字、模擬電路及單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行分析與仿真； (3)利用自動(dòng)布線或人工布線將原理圖轉(zhuǎn)換為PCB圖。

Proteus軟件與其他EDA軟件相比,具有革命性的特點(diǎn)：(1)用戶可采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真； (2)仿真處理器及其外圍電路，并配合顯示及輸出，能直觀看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。

3 Proteus在單片機(jī)課堂教學(xué)中的應(yīng)用

為了解決單片機(jī)課程理論教學(xué)中存在的問題，將Proteus仿真軟件應(yīng)用到課堂教學(xué)中,利用仿真的形象、生動(dòng)、實(shí)在等特性，對(duì)單片機(jī)課程理論教學(xué)產(chǎn)生積極的影響，是其他教學(xué)手段難以替代的。

3.1預(yù)先案例設(shè)計(jì) 現(xiàn)場(chǎng)效果演示

利用Proteus仿真軟件預(yù)先設(shè)計(jì)大量的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例，課堂上，用Proteus軟件向?qū)W生演示單片機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)、調(diào)試的全過程，并觀察硬件的工作和程序執(zhí)行效果，使學(xué)生通過實(shí)例對(duì)單片機(jī)的工作原理、工作過程、工作效果有更多的了解，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性有非常大的幫助。圖1為電子時(shí)鐘課程實(shí)例的仿真及效果演示圖。


3.2合理布置作業(yè) 拓展學(xué)生思維

對(duì)理論課中的重點(diǎn)內(nèi)容，合理地布置作業(yè)，讓學(xué)生利用Proteus來驗(yàn)證作業(yè)，不僅可以讓學(xué)生思維得到擴(kuò)展，還可讓學(xué)生的動(dòng)手能力得到一定的提高。以圖1所示的電路為例，要求學(xué)生在圖1的基礎(chǔ)上添加獨(dú)立鍵盤K0～K2做輸入設(shè)備，通過軟件編程設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)可調(diào)的電子時(shí)鐘，要求如下：

(1) K0作為時(shí)鐘調(diào)節(jié)的菜單鍵，第一次按下K0秒鐘處閃爍并時(shí)鐘停止，提示可以調(diào)節(jié)時(shí)間秒；第二次按下分鐘處閃爍，提示可以調(diào)節(jié)時(shí)間分；第三次按下時(shí)鐘處閃爍，提示可以調(diào)節(jié)時(shí)；第四次按下退出調(diào)時(shí)菜單，時(shí)鐘開始繼續(xù)走動(dòng)；

(2) K1和K2分別是時(shí)分秒調(diào)節(jié)的加減鍵。只有當(dāng)菜單鍵按到相應(yīng)的時(shí)分秒時(shí)，才可使用K1和K2來加減調(diào)節(jié)。圖2為調(diào)節(jié)時(shí)間分時(shí)的可調(diào)電子時(shí)鐘課程實(shí)例的仿真圖及效果演示圖。


4 Proteus在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革。

4.1常規(guī)實(shí)驗(yàn) 加強(qiáng)理論基礎(chǔ)知識(shí)的掌握

在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入Proteus仿真軟件，學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求,在Proteus元件庫中選擇所需要的虛擬元件設(shè)計(jì)應(yīng)用電路，這樣，學(xué)生不僅可以調(diào)試自己編寫的程序，而且可以形象、直觀地看到程序執(zhí)行效果并且能鍛煉硬件電路的設(shè)計(jì)能力。雖然引入Proteus仿真軟件對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的提高有一定幫助，但為了盡量避免學(xué)生淡化對(duì)基本技能訓(xùn)練的重視程度、忽視規(guī)范掌握儀器操作等弊端，在實(shí)際的教學(xué)過程中采用了虛實(shí)互補(bǔ)的原則安排教學(xué)，仿真完成后要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室中的集成試驗(yàn)箱進(jìn)行最后的硬件連接與調(diào)試。

4.2 增加綜合開放性實(shí)驗(yàn) 拓展綜合思維

為了提高學(xué)生獨(dú)立分析和解決工程實(shí)際問題的能力，讓學(xué)生具備獨(dú)立開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的技能，專門開設(shè)了單片機(jī)綜合課程設(shè)計(jì)，題目由老師推薦或?qū)W生自薦。先讓學(xué)生組隊(duì)自己設(shè)計(jì)方案，了解并選用電子元器件，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，然后到電子市場(chǎng)購買元器件最后進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試。使學(xué)生了解從選題、調(diào)研、制定設(shè)計(jì)方案、采購元器件、軟硬件設(shè)計(jì)、線路焊接、調(diào)試檢測(cè)等整個(gè)設(shè)計(jì)調(diào)試過程，從而進(jìn)一步提高了學(xué)生自主開發(fā)和實(shí)際動(dòng)手能力及興趣。另外，這種先仿真后實(shí)物的制作，不僅大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的周期，而且降低了硬件電路制作的損耗。

4.3科技制作提升創(chuàng)新能力

課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、各種競(jìng)賽是學(xué)生走向就業(yè)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)。在各種科技制作活動(dòng)中，學(xué)生利用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)后，再進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，這樣不僅可以避免由于設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤所造成的硬件投入上的浪費(fèi),而且可以縮短學(xué)生完成大型設(shè)計(jì)的時(shí)間。