《4路数字显示抢答器》的教学设计——关于探讨Protues仿真软件在《单片机原理及应用》中的应用

邹海珍

（广州市轻工高级技工学校，广东 广州 510000）

近年来，单片机技术飞速发展，作为微控制系统的核心，在工业控制、汽车电子、机器人、通信、计算机外围设备与家用电器等众多领域得到广泛的应用。因而，国内很多技工院校都将单片机课程作为电气自动化、机电一体化、电子信息等专业的重要专业基础课程。这是一门具有很强的实践性的课程,而技工学校又以培养技术应用能力为主,这就对技工学校的单片机教学提出了更高的要求。如何提高学生的实践能力和创新能力是我们在单片机教学过程中重点考虑的问题。

1 传统教学与基于Protues教学的比较

1.1 单片机传统教学中存在的问题

在传统的单片机理论教学中，以老师讲、学生听为主要形式。而在实验教学中，则主要依据教学对象、课堂教学内容、进度及学时量，利用计算机配合实验箱完成一定数量的实验训练。这种教学方式虽然能循序渐进，学生也易于接受，但存在如下不足：（1）单片机理论内容本就比较抽象难懂，在老师单纯的理论讲解中，学生容易开小差，久而久之，积累的问题就会越多，学生容易产生厌学情绪。（2）实验课中，实验箱里所有的元器件、线路板都是事先准备好的，学生需要做的工作只是连连线，使用测试仪器仪表观测并记录一下实验结果。因此，学生真正动手操作的内容较少，实操能力很难得到有效锻炼。（3）实验主要以验证性实验为主，学生很难参与到其中的设计,不利于培养和调动学生学习积极性和主动性，更难于挖掘学生潜能和发挥学生的创造力。（4）实验过程中需要用到的仪器较多,易造成设备的损坏,留给实训室工作人员的维护工作量也很大。另外，因为单片机技术的迅速更新和发展,使许多学校设备落后、老化,不断地购买仪器设备又会带来资金耗费严重等问题。

1.2 Proteus简介

Proteus仿真软件由ISIS和ARES两个软件构成,其中ISIS是原理图编辑和电子系统仿真平台软件,ARES是高级的布线编辑软件,是世界上著名的EDA工具(仿真软件)。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，可一键切换到 PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。在编译方面，它也支持IAR、Keil和 MPLAB等多种编译。

1.3 基于Proteus仿真的教学优势

基于Proteus的单片机教学流程如图1所示。

图1 基于Proteus的单片机教学流程图

与传统单片机教学相比,用Proteus仿真软件进行教学时,具有如下比较明显的优势:

（1）简单易学，充分激发学生学习兴趣。Proteus仿真软件简单易学,从电路图设计到仿真再到PCB板设计,都可以利用该软件进行,满足学生对电路设计及程序设计的学习。在仿真的过程中即使发现在硬件或是编程方面的不足,也能够随时修改。这样既克服了传统单片机实验教学中实验板上的硬件电路固定、学生不能更改的局限性,又能拓展学生的思路、提高学生的学习兴趣,并且提高了学生的创新意识与创新能力。

（2）硬件投入少,减少实验损耗。 Proteus 支持 8051、8086、AVR、ARM等多种处理器模型,为我们提供了30多个元件库,超过27000个仿真器件，功能强大，较传统实验教学省去了购买各种元器件的费用。在Proteus所提供的元件库中,大部分元件可以直接用于接口电路的搭建,并且这些标准元件都是可靠和经济的。使用Proteus软件进行实验可减少元器件的损耗问题,在实验的过程中也是比较安全的。这样既减少损耗，又可以让学生大胆地进行创新设计。

（3）理实相结合，提高教学效果。只要一台装有Proteus软件的计算机，教师就既能在理论课上演示实验效果，又能在实验室公共机房复习理论内容，使单片机课程的理论教学环节和实践教学环节相互渗透，相互交叉，有机地融合为一个整体，避免了在传统单片机教学模式中存在理论教学环节和实践教学环节人为割裂的现象。

综上所述,基于Proteus的单片机教学比传统教学在很多方面都有了改善,既节省硬件方面的开支,又达到了很好的实验效果,并且简单易学,对提高学生学习的积极性和培养学生的独立创新能力有很大帮助。Proteus已经成为单片机教学不可或缺的教学软件之一。

2 基于Proteus四人抢答器的设计

2.1 四人抢答器设计的总体介绍

抢答器在知识竞赛、文体娱乐的抢答活动中能准确、公正的地判断并显示出抢答者的号码，大大地增加了娱乐性的同时，也更加公平、公正。因而在抢答活动中得到广泛的应用。

四人抢答器的设计过程在硬件与软件方面是同步进行的。硬件部分主要由AT89C51单片机、数码管显示电路以及抢答按键电路等组成。软件是在Keil环境下编写,仿真环节在Proteus环境下进行。由于Keil与Proteus有联调的功能,所以编写好的程序可以实时进行调试。最终的设计程序需要生成hex文件,在Proteus软件中嵌入单片机内进行仿真。

2.2 硬件设计

四人抢答器硬件系统如图2所示。

图2 系统硬件结构图

系统器 件 包 括 AT89C51、CAP、CAP-ELEC、CRYSTAL、RES、74LS14、BUTTON、电源和数码管。

电路中共有5个按钮，主持人在读完题后按下“开始”按钮后，4位参赛选手开始抢答，使用1位数码管显示最先按键的选手的号码并保持到下一次抢答开始。

2.3 软件设计

系统的软件设计包括程序初始化、按键检测、显示数据等部分(如图3所示)。

图3 程序流程图

学生根据设计要求，在软件上进行程序编写、编译。

2.4 仿真调试

在Protues软件上绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.hex，就可以在原理图中看到模拟的实物操作状态。在系统上电后，数码管无显示，当按下“开始”按钮后，随机按下1~4号按钮，数码管显示最先按键的选手号码并保持。进行下一轮抢答时，只需再次按下“开始”按钮即可再次抢答。

3 结束语

在传统的实验教学中，任课老师在课前就需要把仪器设备及元器件准备好，学生按照实验步骤按部就班的进行，这就把学生置于被动地位，很少有机会能按自己的思维开展创新性实验。而利用Protues软件和一台计算机就能进行单片机仿真实验，打破了时间和空间的限制，学生可以在不同的时间、地点和领域自主进行实验，增强他们提出问题、分析问题和解决问题的能力，并可以根据自己的想法，进行创新性的设计实验。同时，利用Protues软件，对教师的教学也是一个很好的提高和促进，计算机仿真与虚拟仪器技术给了教师一个更好的平台，可在没有实验经费和实验室的情况下进行实验研究和设计。

［1］徐萍，主编.单片机技术项目教程[M].北京:机械工业出版社，2012.

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