Proteus和Keil软件在单片机理论与实践教学中的应用

金国华翟朝霞周丽娜张大力

1. 大连海事大学信息科学技术学院 辽宁大连 116026 2. 大连理工大学航天航空学院 辽宁大连 116024

Proteus和Keil软件在单片机理论与实践教学中的应用

金国华1翟朝霞1周丽娜1张大力2

1. 大连海事大学信息科学技术学院 辽宁大连 116026 2. 大连理工大学航天航空学院 辽宁大连 116024

针对单片机课程理论与实践的教学现状，利用Proteus和Keil软件搭建单片机虚拟仿真平台，提出了在理论教学、实验教学、课程设计教学中引入虚拟仿真平台的解决方案，并给出了具体的应用方法。实践表明，将虚拟仿真引入理论与实践教学，激发了学生学习的兴趣和积极性，有效地提高学生的综合开发能力、软硬件设计能力和实践创新能力，取得了较好的教学效果。

单片机；虚拟仿真教学；Proteus软件；Keil软件

单片机原理与应用是电类相关专业重要的专业基础课程，并且是一门理论性和实践性都很强的课程。该课程知识点多、涉及面广、内容相对抽象，学生普遍反映入门很难。如何提高学生的学习兴趣，让学生既能熟练掌握单片机原理的基础知识又能娴熟应用到实践，使学生充分掌握单片机应用系统设计的概念和方法，是任课教师应认真思考、研究和探索的问题[1,2]。

1 教学现状

目前涉及单片机原理与应用课程的主要教学环节是理论教学和实践教学(课内实验、课程设计)。传统的单片机教学模式采用“先理论讲解，后动手实践”，这种教学模式注定了在理论教学和实践教学两个方面都不同程度存在着一些问题。

(1)在理论教学过程中，教师通过PPT讲解单片机的片内资源、程序设计和接口电路，基本是纯语言描述、软硬件分离介绍、应用只是点缀，缺乏一种有效地将软硬件结合、理论和实际应用结合的演示方法，造成学生理解困难、应用能力培养不足以及在构建实际的应用系统时缺少系统化的思路等问题；汇编语言介绍过多，而公司开发产品基本上都用C语言，与社会脱节[3,4]。

(2)在实践教学过程中，实验室采用实验箱和开发板，其电路走线是固定连接好的，学生很难参与到其中的设计，学生的动手能力、实践创新能力被严重制约；另外单片机的种类繁多，技术迅速更新和发展，实验箱、开发板上的资源有限，对设计性实验内容造成了很大的制约；一个单片机应用系统的开发过程包括硬件电路设计、软件设计、PCB电路板制作、元器件焊接、系统调试等几个阶段，由于受到实验场地、设备、管理、时间、学生人数等多方面因素的影响，学生参与单片机应用系统开发的实践过程受到一定程度的限制，严重影响了教学效果[5,6]。

针对以上问题，为了更好地培养学生动手实践能力，提高学生应用单片机开发系统的能力，考虑到计算机仿真技术在软、硬件方面的飞速发展，提出利用Proteus和Keil软件搭建的虚拟仿真平台弥补单片机理论与实践教学中的诸多不足。

2 Proteus和Keil软件在单片机理论与实践教学中的应用

2.1 将Proteus和Keil软件引入单片机理论教学

为了提高教学质量，加强C51语言的教学，在理论教学环节中引入Proteus仿真软件和原本用语言不便描述的内容直接展现出来，增强了教学的生动性和直观性。教师可以根据自己要教授的教学内容开发教学演示项目，设计制作一些典型的应用系统，比如流水灯、电子钟、抢答器、密码锁及LCD显示等，密码锁仿真图如图1所示，通过虚拟仿真平台的联调演示，便于学生理解和掌握教学中的重点和难点，了解单片机在一个应用系统中的作用和地位，让学生对一个完整的单片机应用系统有一个感性的认识[7]。

图1 教学演示单片机应用系统项目-密码锁

2.2 将Proteus和Keil软件引入单片机实验教学

单片机课程的实践性很强，实验环节的教学应该引起高度重视。由于受实验场地、实验学时、实验人数等因素的限制，学生在实验室做实验大多数停留在验证性层次。为了解决这个问题，提高学生动手实践能力，在实验教学中引入Proteus仿真软件和Keil C编程软件搭建的虚拟仿真平台，学生只要有台电脑，在电脑上安装了Proteus软件和Keil C软件，就可以在这个仿真平台上做虚拟实验，实验场地、实验时间不受限制，实验内容也不受限制，既可以是基本实验，也可以是综合实验、设计实验、创新实验，这样为实践性教学内容设计带来很大灵活性。

在实验过程中，学生需要根据实验内容要求，利用Proteus软件提供的元器件模型和外设模型设计硬件电路原理图，在Keil软件中编写程序代码，最后联合调试观察实验结果，有的实验需要利用虚拟仪器仪表的输入输出效果辅助检测实验结果。这样的教学方法，让学生既了解单片机应用系统的硬件电路结构，又锻炼了编程能力，同时给学生提供了更大的设计、创新空间。

2.3 将Proteus和Keil软件以项目驱动教学法引入单片机课程设计教学

单片机课程设计是单片机实践教学过程中的重要环节，在这一环节中，主要是注重培养学生独立分析问题解决问题的能力，提高学生的综合应用和实践动手能力，开发创新思维。为了改善教学效果，在课程设计教学环节中引入Proteus仿真软件和Keil C编程软件搭建的虚拟仿真平台和项目驱动教学法，引导学生变被动学习为主动学习。

在课程设计教学中，采用项目驱动法，先启发和引导学生分析项目要完成的具体任务将其模块化，然后根据项目的要求和指标确定实现方案、选择合适的芯片、元器件，并设计电路原理图，根据设计好的硬件电路编写程序，在虚拟仿真平台上将软、硬件结合观察仿真实验结果，等仿真成功后，学生在进行下一步的实物制作，PCB布线、制板，在实验室领取相关芯片、元器件进行电路焊接、程序下载和系统调试，全程参与一个单片机应用系统的开发过程，最终完成一个电子产品。部分学生作品如图2所示。在基于项目驱动和Proteus仿真的课程设计教学过程中，学生在项目实践开展的过程中既掌握了基础知识，又提高了知识的综合运用能力、软硬件设计能力和实践创新能力，并且对实际控制系统有了直观的认识，对整个开发过程有了充分的了解，为后续的毕业设计和工作打下一个良好的基础[8,9]。

图2 部分学生作品展示—系统仿真图和成品实物图

3 虚拟仿真教学应用效果

将虚拟仿真平台引入单片机理论、实践教学环节两年来，取得了较好的效果。在理论教学过程中，以往学生反映单片机课程难学、难懂，自从将基于虚拟仿真平台的动态演示教学引入课堂后，使抽象内容变形象、重点易懂、难点化解，学生普遍反映比单纯学习书本知识、看教师PPT内容易于接受，大大激发了学生学习单片机的兴趣和积极性，教学质量明显提高。在实践教学过程中，以往学生反映实践机会少、器件易损坏、作品成功率低，自从将虚拟仿真平台引入实践教学后，学生可以不受时间、场所的限制在虚拟仿真平台上大胆的设计、调试、修改，不用担心损坏元器件和仪器设备，直至出现正确的仿真结果，在此基础上再进行实物制作，成功率很高，学生普遍反映胆子大了、有自信了，大大激发了学生的主动性、创造性，提高了学生的软硬件设计能力、实践创新能力。学生具备了这些能力，后续报名参加相关竞赛热情高涨，选择单片机类毕业设计题目数明显增多[10]。

实践结果表明：基于Proteus和Keil软件的单片机虚拟仿真平台是学生学与用、理论与实践相结合的优秀平台。

4 结束语

基于Proteus和Keil软件的单片机虚拟仿真平台在单片机理论与实践教学环节的应用，弥补了传统教学的不足，有助于学生高效的掌握课堂所学理论知识，缩短从理论知识到实际应用的过程，提高了学生的学习兴趣和实践创新能力。必须指出，虚拟仿真是一种很好的教学辅助手段，但仿真不能完全代替实物，要想真正加深学生对单片机原理及应用的理解，掌握单片机应用系统的开发技术，仅依靠虚拟仿真技术是不够的，必须要和实际的电路系统结合，才能锻炼学生的软硬件设计能力、综合开发能力、实践创新能力。

[1] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2]葛浩,林其斌.单片机课程设计教学改革与实践[J].实验技术与管理,2011,28(10):138-140.

[3] 王海燕,杨艳华. Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2012,31(5):88-91.

[4] 曾燕,贾振国.Proteus仿真技术在单片机教学中的应用[J].长春工程学院学报:社会科学版,2011,12(1):132-134.

[5] 陈龙,张亚君. Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用 [J].实验技术与管理,2009,26(8):73-75.

[6] 柯艳明. Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用 [J].实验室科学.2014.17(3):75-78.

[7] 乔建华,李临生,田启川. 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.

[8] 赵月静,陈继荣,张永弟.单片机原理及应用课程创新实践教学改革[J].实验技术与管理,2013,30(1):176-179.

[9] 王京港,张翠平.基于项目驱动及Proteus仿真的单片机教学改革探索[J].中国电力教育,2013(22):138-139.

[10]侯甲童,李全利,王玉龙.Proteus在单片机课程教学中的应用[J].中国现在教育装备,2015(10):69-72.

Application of Proteus and Keil in the Theory and Practice Teaching of SCM

Jin Guohua1, Zhai Zhaoxia1, Zhou Lina1, Zhang Dali2
1.School of Information Science and Technology, Dalian Maritime University, Dalian, 116026, China 2.School of Aeronautics and Astronautics, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China

In view of the present situation of the theory and practice of the single chip microcomputer course, This paper puts forward the solution of using virtual simulation platform which Using Proteus and Keil software to build , and gives the concrete application method in teaching. The practice shows that the virtual simulation is introduced into theory and practice teaching, which has achieved good teaching results, to stimulate the students' learning interest and enthusiasm, effectively improve the students' comprehensive development ability the design of hardware and software capabilities, practice and innovation ability.

Single chip microcomputer; Virtual simulation teaching; Proteus software; Keil software

2016-09-12

金国华，硕士，实验师。

辽宁省虚拟仿真实验教学中心建设项目(辽教发[2015]111号)；大连海事大学教改项目《单片机应用课程设计》课程教学改革研究与实践(编号：2014Q14)。