Protues仿真软件在单片机教学中的应用

2021-07-30邱刚

电子元器件与信息技术 2021年4期

邱刚

（重庆三峡学院电气工程系，重庆 404100）

0 引言

在高校的各种电子专业中，单片机课程都是一门较为核心的课程。现阶段中，在各个院校里，相关任课教师在开展单片机课程教学时，存在着教师教学难、学生学习难的现象，从而导致单片机课程的教学效果以及教学质量均难以达到理想目标。单片机教学课程具有较强的应用性以及实践性，因此，相关任课教师应当积极结合这一特点来将Proteus软件应用到单片机教学中。

1 Proteus在单片机实验教学中的作用

Proteus软件是一种具有人工布线、原理图编辑、电路仿真以及印制电路板自动化等相关功能的EDA工具软件，其功能的独特性主要体现在其能够在原理图的虚拟原型基础上联合Keil进行调试[1]，从而使微处理器的软件调试以及硬件调试得以实现，同时还可以对功能效果进行相应的检验。因此，教师在对学生进行单片机教学时，可以积极将Proteus软件应用到教学中。Proteus软件中的元件库多达三十多个，包括模拟元件库以及数字元件库，能够进行各种类型数字电路以及模拟电路的仿真，并且带有相应的仪表以及仪器，此外，Proteus软件还能够支持一些主流单片机的仿真，例如：PIC系列以及51系列，图1是基于51单片机的交通灯Proteus仿真。在单片机实验箱中，常用的外围接口单路比较有限，同时，其所能支持的单片机CPU系列具有一定的单一性。使用Proteus软件来开展相关单片机实验项目的仿真，可以使学生能够对程序运行之前以及运行之后的输入情况和输出情况有更加切实、直观的观察，继而帮助学生可以更好的掌握单片机技术知识。

图1 基于51 单片机的交通灯Proteus 仿真

2 单片机课程教学中存在的不足及问题

2.1 传统单片机理论教学中存在的不足

现阶段中，大部分院校的单片机教学通常都是将教学课堂上的理论概念作为教学主体，后期将一些相关的课程设计以及课程实验作为辅助。在教师编排单片机概念理论教学内容时，一般的主线内容都是介绍单片机的组成，同时将一些实际例子作为辅助进行讲解。学生在学习这些课程时，在宏观系统的认识上较为匮乏，从而导致学生对课程内容只有孤立记忆[2]，大部分学生都会感觉到单片机理论课程的教学内容较为生硬、抽象，从而丧失对单片机课程的学习兴趣，最终导致单片机教学质量及效率均无法达到理想效果。

2.2 传统单片机实践教学存在的不足

单片机技术课程具有较强的应用性以及实践性，其开设目的主要是为了实现学生对相关工程的研发能力、设计能力、制作能力以及调试能力的培养。现阶段中，大部分生产教育电子产品的厂家在推行相应的实验设备时，通常都会为购买者提供较为详细的实验讲解以及实验说明，但是，这些实验设备智能化愈高，对于使用设备的学生而言，在进行相关实验时，动脑以及动手的机会就愈少，从而导致学生的思考能力以及实践能力得不到有效的锻炼。这些较为智能、先进的实验设备通常都会根据相关的实验来进行模块化的组合，在导线连接、下载程序、输入程序、执行程序以及结果验证上都已经形成相应的模式，在学生使用设备时，需要亲自动手来进行设计的实验内容不多，学生难以深入参与实验的细节设计中，在学生做完一项实验之后，依然对程序的编写以及硬件连接的原理模糊不清，最终导致单片机教学的教学效果及教学质量无法得到提高。

3 Proteus软件在单片机教学应用的策略

Proteus软件是一款具有强大仿真能力的单片机仿真软件，其不仅能够使院校在硬件设施上的投入成本得到减少，并且资源较为丰富，能够让将项目实验直观的展现出来，让学生在生动性以及形象性较高的教学过程中获得良好的学习体验，同时可以促进单片机理论知识和实践技术的有机融合，因此，教师应当积极将Proteus软件应用到单片机教学中。

3.1 Proteus软件在单片机理论教学中的应用

3.1.1 理论形象化

在教师对学生开展单片机教学的过程中，当教师讲解单片机理论课程的前部分章节内容时，不能单纯讲授理论知识，特别是对于单片机的结构、中断、资源以及取指译等具有一定抽象性的知识而言，若教师单纯教授理论知识，学生极易产生枯燥、乏味之感，导致学生无法对理论知识有直观地认知以及感性的认知，在这样的情况下，学生对单片机的学习兴趣以及学习热情难以得到有效的激发。教师将Proteus软件应用到理论教学中，利用Proteus软件能够具体表现形式的特点来对学生进行教学，Proteus软件可以将一些复杂性及抽象性较高的知识点生动形象的展现出来，例如：在电路中电流的流向指示以及高电平、低电平的色点指示等等[3]，从而使学生能够对这些知识点有更直观、更深入的理解，继而有效掌握单片机的相关运行机制。假如学生在教学课堂上存在不懂的知识，在课后可以积极使用Proteus软件来进行验证，从而达到对知识点进行巩固的目的，同时培养学生的自主学习意识，提高学生的自主学习能力。

3.1.2 知识具体化

单片机课程对学生的实践能力以及动手能力具有较高的要求，当学生真正了解单片机技术之后，将会提高对单片机的学习兴趣及学习热情。单片机在现实生活中的应用范围较为广泛，如：音乐播放器、电子琴以及交通灯等等，表一是电子琴硬件模块结构图，在学生日常生活中较常使用的一些电子产品，也可以自己通过单片机制作来实现。由于单片机理论知识的抽象程度以及复杂程度较高，如果教师在对学生开展单片机教学时仅仅只注重单纯理论的讲解，则会造成学生的学习兴趣及学习热情下降的情况。Proteus软件将实践教学作为出发点，教师积极将其应用到教学中，可以利用Proteus软件的仿真能力将单片机教学的知识点生动形象的呈现出来，从而让学生对单片机技术在生活中的应用有更加全面、深入的了解，从而使学生的学习兴趣得到充分的激发，培养学生的创新意识及创新思维。

图2 电子琴硬件模块结构图

3.2 Proteus软件在单片机实践教学中的应用

3.2.1 课内实验

在单片机的传统教学课堂中，学生为了了解实验过程、实验步骤、实验内容以及实验结果，一般都是通过阅读相应的实验指导书实现的。因为实验硬件的缺乏，导致学生无法获得真正的实验验证，继而造成学生难以有效、透彻的理解实验重难点以及实验的设计原理。通过将Proteus软件应用到单片机教学中，学生在对实验指导书进行阅读之后，可以根据所掌握的信息来构建相应的实验模拟系统，在大致了解实验系统的工作原理以及结构的基础上，按照所创建的电路图来对程序软件进行编写设计，从而使学生对软件的编程开发有更加深入的了解。在确认程序无异常之后，在进入实验室中开展真正的实验时，可以按照相关的硬件设计来对实验结果进行对比[4]，对问题进行全面的分析，从而加深学生对实验原理的理解，若仿真结果和实际的实验结果无差，则表示所创建的模拟系统符合实际的硬件，相应的程序软件也匹配，促进学生对实验原理、实验过程、实验内容、实验结果的内化。如实验结果与仿真结果存在一定差距，则应当严格探究仿真实验和实际的硬件电路实验存在何种差异，通过这样的方式，能够让学生做到对课内实验的有效预习，从而有效避免出现学生实验时间不够、操作不当、对实验过程一知半解等情况。

3.2.2 课程设计

在单片机课程考核中，其中一个关键的构成内容为课程设计。当学生在对方案进行设计的时候，应当对方案的合理性、可行性、有效性进行反复的推敲验证。假如学生没有进行仿真就直接开展实物电路焊接，如方案存在微小误差，除了会浪费时间资源之外，并且会使硬件成本极速消耗。所以，学生可以先采用Proteus软件来对方案进行相应的仿真验证，从而使方案存在误差的问题得到有效的解决，使硬件成本的浪费得到避免。学生在设计相应的软件编程时，一般情况下，学生的工程应用软件设计经验较为匮乏，在进行软件编程的时候常常会发生不同程度的差错。大多数学生在对电路设计没有完全的认识情况下直接进行实物焊接，把程序直接下载到单片机中，就会出现结果与预期不符的情况，学生在遇到这类问题时，一般都不知道问题具体出在何处，也不会正确调试软件及硬件。因此，学生可以积极应用Proteus软件来对软件程序进行验证，在仿真软件中，通常情况下，只要学生能够正确连接硬件的电路，硬件是不会出现问题的[5]。但是应当注意，在实际的电路焊接以及硬件设计过程中，必须对电路的接触性能、虚焊以及电磁干扰等问题进行充分的考虑。在学生使用Proteus软件对程序进行验证，确认没有异常情况之后，就能够集中在硬件设计的问题上，帮助学生及时找出问题，并且采取相应的解决措施，顺利完成课程设计的软件调试及硬件调试。