Proteus 仿真技术在单片机教学中的应用

曾 燕，贾振国

(长春工程学院能源动力学院，长春130012)

Proteus 仿真技术在单片机教学中的应用

曾 燕，贾振国

(长春工程学院能源动力学院，长春130012)

针对传统单片机课程教学中存在的问题，提出了应用Proteus软件进行单片机教学的解决方案。详细分析了Proteus在单片机课程的课堂教学、实验和课程设计中的应用特点，并通过实例说明了应用的教学效果。

单片机;教学;仿真;Proteus

单片机及其相关课程是工科院校电子信息、自动化和机电等专业的一门专业必修课，这就构成了单片机教学成为相关院校相关专业的教学重点。单片机又是一门实践性很强的课程，其自身特性决定了其教学中的难点较多。而加强实践教学环节，引入Proteus仿真软件，构建虚拟实验室辅助单片机教学，可以弥补传统教学方法的不足，为理论和实践教学提供很好的平台。

一、单片机传统教学中存在的问题

(一)理论教学中存在的问题

单片机课程涉及的知识面广、内容难度较大，对抽象思维和逻辑思维要求很高，学生感到难学、老师感到难教，所以在教学当中必须把教学内容更为直观地展示给学生。以往，教师一般会把实验板或者仿真器引入到课堂上，通过现场做演示实验给学生看。但效果往往不理想，小小的实验板和仿真器演示起来很难看清楚，不能让所有学生都观察到效果，而且费时费力，教学效果不佳。所以传统教学缺乏有效的演示方法，基本是纯理论的语言描述，缺乏直观对象的载体，让聆听者不好理解。

(二)实验教学中存在的问题

大多数学校的单片机实验室通常采用实验箱或者试验板，采取这种方法进行实验虽然方便，但是也存在不足。首先，高校使用的单片机实验箱属于成品，其电路连接都是已经固定连接好的，内容只能停留在演示性及验证性实验的层次。学生很难参与到其中的设计，也不能充分了解硬件电路的实际连接情况，动手能力得不到训练与提高。其次，单片机的种类繁多，而实验箱、实验板上的资源有限，在一个实验室里不可能包括所有种类的单片机设备以及各种外围电路，因此对实验内容造成了很大的制约。单片机技术的迅速更新和发展，使许多高校设备落后老化，不断地购买仪器设备又会带来资金耗费严重等问题。第三，实验箱只有实验室才有，课内实验学时有限，而单片机课程需要大量的实验来巩固课堂知识，应该给学生创造条件在课后动手做实验，传统的实验教学显然无法满足学生的学习要求。第四，实验仪器的损耗与维护，实验过程中需要用到的仪器较多，易造成设备的损坏，维护工作量也很大。因此传统的单片机实验教学存在着很大的不足。

二、Proteus在单片机教学中的应用

(一)在教学中引入“以培养关键能力为核心”的项目教学法

项目教学法是师生通过共同实施一个完整的项目而进行的教学活动，每节课都围绕着一个特定项目展开，用项目构建本节课的知识体系。在项目教学中，教师围绕具体项目以模块方式组织教学内容，引导学生边学边做、边做边学，在实践中学习这门课。教师不再把现成知识技能传递给学生作为教育的唯一目标，或者说不是简单地让学生按照教师的安排和讲授去得到一个结果，而是在教师的指导下，让学生把看到的、听到的与手上做的结合起来。学生在寻找这个结果的过程中，学会思考、发现问题和解决问题，进而增强信心、提高学习积极性，最后进行展示和自我评价。与传统的教学方法相比，项目教学法有效地建立了课堂与实践之间的联系，能将教学课题的理论知识和实际技能结合起来;学生有独立制定计划并实施的机会，在一定时间范围内可以自行组织、安排自己的学习行为，使学生的学习更有针对性和实用性。

在应用项目式教学的过程中必须软件硬件结合，也就是将程序和外围电路相结合。采用虚拟仿真技术Proteus软件，则不用制作具体的电路板就能够完成以上工作，使项目实现更加方便经济。

(二)将Proteus引入单片机课堂教学

首先，在单片机课堂教学中采用Proteus，可以进行大量实例演示，将原本用语言不便描述的内容直观地展现出来，一目了然，增强了教学的生动性和直观性。教师可以开发教学演示项目，制作一些典型的应用系统，比如流水灯、交通灯、数字钟及LED显示等，让学生对单片机应用系统有一个感性认识。而且Proteus具有用色点显示芯片管脚状态的功能，在仿真过程中，引脚上的有色小方块显示其状态，红色表示低电平，蓝色表示高电平，灰色表示浮空，黄色表示冲突(如两个器件同时向总线上传送数据)。这给用户调试、演示带来方便，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。

其次，采用Proteus有助于明确概念，解决难点。在单片机教学中，P口作为准双向口的这个概念以及如何应用、中断如何产生、LED灯的位选和线选如何区别等都是教学中的重点和难点，可以通过Proteus的演示让学生掌握清楚。例如:中断优先级是教学中难以掌握的问题，以往学生在课堂听不懂，课后也搞不清。现在用Proteus在多媒体教室进行仿真，学生也参与操作，显示直观清晰。图1为中断优先级Proteus仿真演示界面，演示的是“高优先级中断能中断低优先级中断”的仿真片段。应用两个由按键控制的外中断InT0和InT1，程序设置InT1为高优先级。启动仿真后，主程序数码管从0到9依次显示反复循环。若在显示3时按下低优先级按键，产生InTO外中断，则主程序中断数码管显示停留在3，启动低优先级中断服务程序，相应数码管从0开始运行。若运行到显示7时按下高优先级按键，产生高优先级InT1外中断，这时高优先级中断打断低优先级中断，低优先级数码管显示停留在7，启动高优先级中断服务程序。高优先级数码管从0开始运行，直到显示9后结束高优先级中断服务程序，返回执行低优先级尚未完成的中断服务程序，结束后再返回执行主程序。学生通过观察和操作，不仅学懂了，主动性也明显提高，效果很好。

图1 中断优先级Proteus的仿真演示

(三)用Proteus改进单片机实验教学

利用仿真软件Proteus构建虚拟实验室，由于软件的灵活性和较宽的适应性，使得可以仿真的内容几乎囊括了单片机课程的所有知识点，为实践性教学内容的设计带来很大灵活性。在实验过程中，学生利用Proteus所提供的元器件模型和外设模型亲自设计硬件电路图，独立进行软件编程，最后联合调试，并能及时看到实验结果。这样的教学方法一方面让学生了解应用系统硬件电路的结构，锻炼编程技术，同时给学生提供了较大的创新空间。例如“999秒倒计时系统”实验，该设计用到了单片机端口的定时器中断、LED、I/O口扩展等硬件功能，同时涉及到定时器中断程序、LED显示程序、主程序和子程序等主要程序设计方法，这些都是单片机教学的重点难点。而Proteus仿真动态直观，过程与结果统一，测量与调试统一，有助于学生感性理解和接收，使学生增强了学习的信心，多个难点逐步在实践中得到解决。图2为该实验的设计与仿真图，这些都是学生亲自设计操作下得出的结果。

图2 999秒倒计时系统的仿真演示

Proteus仿真软件打破了学习的时间限制，开拓了学习的空间，只要有一台电脑，学生就可以利用课余时间，在自己的PC上随时进行仿真实验。采用Proteus仿真软件，既节约大量昂贵的实验仪器费用，还能避免真实实验或操作所带来的各种危险，和因操作不当而造成的仪器仪表的损毁。

在单片机课程要求的实验基础上，可以进一步开展实验室开放性教学，主要包括两种开放形式:一是学生在实验课上没有完成的实验内容，或对做过的实验存在疑问;二是处于对单片机的兴趣，或在原有单片机学习的基础上，在老师的指导下，自己动手，完成单片机系统的设计、焊接、编程、调试及分析等工作。允许学生在业余时间进行预约实验，同时向自己有微机的学生提供仿真所需软件资源，开阔学生的课外学习活动空间，鼓励学生参加科技小组活动。

(四)用Proteus改革单片机课程设计

单片机课程设计是以学生为主的实践教学活动，需要设计一些基于单片机的系统，以提高学生的综合能力。传统方法中应用程序需要在硬件完成的情况下才能进行调试，这就必须进行制版、元器件焊接。另外，如需修改硬件，还要重新制版，在时间和经济投入上带来很大麻烦。利用Proteus的仿真功能，可以使学生尝试脱离实物电路进行软硬件调试，减少系统设计与开发的难度。

在Proteus仿真软件构建的虚拟实验室里，学生可以根据教师布置的设计项目的任务和要求自主设计，也可以让学生根据自身喜好和掌握知识的程度自选设计题目，培养学生的独立创新意识。等仿真成功之后，再购买元器件进行电路焊接、系统调试和程序固化，最终每组独立完成一件作品。

三、Proteus的教学应用效果

以往学生反映单片机课程难懂、难学，自从将Proteus仿真演示教学引入课堂后，学生普遍反映比以往单纯学习书本知识更易于接受。Proteus使抽象变形象，使重点易懂、难点化解，其极为接近实际的动态演示激发了学生学习的兴趣和积极性，教学质量明显提高。在教学效果调查表中学生李××写到:“Proteus促使我对知识产生兴趣，想亲手去做去探索，真的很有趣!”引入Proteus使每个学生都拥有一个完整的虚拟实验室，学生可在Proteus ISIS窗口中大胆进行设计、调试和修改，不用担心会损坏元器件和仪器。由于在安装实物作品前就可以看到结果，所以学生的胆子大了，独立操作能力、主动性和创造力都得到发挥。参加课外科技小组活动的学生在仿真基础上安装了实际电路，实际结果与仿真结果一致，成功率很高，而以往不经过仿真，学生实际作品的成功率比较低、器件损坏也多。在教学效果调查表中学生秦××写到:“Proteus能及时显示电路设计的正确性，点击仿真按钮，结果就出来了。运行失败时我觉得沮丧，可在终于成功的时刻，我欣喜若狂!它让我充满自信在面包板上安装我的作品。”图3就是学生制作的电子秒表的仿真演示图，其中其数码管LED由左向右分别显示的是分、秒、百分之一秒，有3个功能操作键，实现启动计时、停止计时和数码管显示清零功能。

图3 电子秒表的仿真演示

因此，Proteus仿真促使了单片机实践活动的成功，提高了学生对实际单片机系统的设计能力和制作能力。实践证明:Proteus是学生学与用、理论与实践相结合的优秀平台。

四、结束语

Proteus仿真软件不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。在程序调试、系统仿真时，不仅能观察到程序执行时单片机寄存器和存储器等内容变化，而且从工程的角度直观地看到了外围电路工作情况，非常接近实际工程应用。

实践证明，Proteus软件在单片机及相关实践教学环节的有效开展，有助于学生有效地掌握所学知识，缩短从理论知识到实际应用的过程;有利于促进课程和教学改革，提高了学生的学习兴趣和创新能力，对单片机教学具有指导意义。但必须指出，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。只有将Proteus的仿真结果应用于具体电路系统，才能真正锻炼学生的软硬件综合开发能力。

［1］候玉宝，等.基于Proteus的51系列单片机设计与仿真［M］.北京:电子工业出版社，2008，52 －57.

［2］乔建华，等.Proteus在单片机教学中的应用分析［J］.电气电子教学学报，2008，30(3):70 －73.

［3］伍冯洁，等.Proteus与Keil在单片机开放性实验中的应用［J］.电子测量技术，2008，31(6):100 －103.

The applicationof Protues simulation technology in single-chip microcomputer teaching

ZEnG Yan，et al.

(School of Energy and Power，Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China)

In view of the problems in traditional singlechip microcomputer teaching，this paper proposes a solution used by Protues'simulation software.This paper analyzes Protues application characteristic in the singlechip microcomputer classroominstruction，experiment and the curriculum project in detail，and explains the teaching result by examples.It holds that the use of Protues simulation software can fully enhance the efficiency of MCU teaching and is worthy of recommendation.

Single-chip microcomputer;teaching;simulation;Protues

G64

A

1009-8976(2011)01-0132-03

2010－11－30

吉林省高等教育教学研究课题(项目编号:2005－5)作者简介:曾燕(1970—)，女(汉)，湖南醴陵，副教授主要研究自动控制、仿真技术。