基于Proteus的单片机虚拟仿真探究性实验项目的设计与实践＊

成玲

（中国石油大学（华东）计算机科学与技术学院，山东 青岛266580）

“单片机原理与技术”是工科院校物联网工程专业一门重要的专业基础课程，课程实践性强，要求理论与实践相结合，重在应用；通过实验加强学生对单片机的深入理解，培养学生分析问题和解决问题的能力，提高硬件设计和动手实践能力，增强创新意识和团队合作意识。由于以往单片机实验主要以实体实验为主，存在实验环境受空间和时间的限制、实验手段不够先进、学生解决复杂工程问题的训练不足和能力欠缺等几个方面的问题，所以需要改革实验内容，增加单片机虚拟仿真探究性实验项目的设计，提高项目挑战度，满足学生个性化能力培养的要求。

1 单片机虚拟仿真探究性实验项目的建设要求

要调动学生参与实验的主动性和积极性，首先要树立以学生为中心的实验教学理念，突出学生的主体地位。通过自主探究学习和自主完成实验，激发学生学习的兴趣和潜能。此外，探索性实验项目的建设要结合学生的实际水平和需要，科学设计准确、恰当的实验教学内容，保证实验的可行性，体现综合性和挑战度。基于Proteus的单片机虚拟仿真探索性实验项目的开发，通过设计一个新颖实用的单片机集成系统，学生不仅可以独立设计功能模块，还可以看到自己设计的模块在整个系统中的运行效果，这使得实验内容富有挑战性，更体现了综合性、工程性、探索性和创新性的项目优势。

结合教学大纲，线下完成验证型基础模块实验，而综合型、创新型、不易实施的设计实验可以通过虚拟仿真实验完成，帮助学生实现从知识学习到实验动手的跨越，做到理论联系实践，加深对系统的闭合性的理解，同时使学生从应用场景的倒推中感受应用性和工程化。系统结构的自我设计、软硬件设备的部分自我选择、实验流程的自我探究，充分调动了学生的主动性，培养了学生关于单片机开发的“实践”“整合”和“创新”的思维。而小组合作完成项目，充分培养了学生的团队协作意识。

2 单片机虚拟仿真探究性实验项目的设计

单片机虚拟仿真探究性实验项目要求利用Proteus仿真和Keil编译调试完成环境构建，借鉴模块化设计思想整合实验模块，对涉及到的基础模块进行选择、搭建和验证，能够涵盖课程中至少三个知识点，配合外部接口电路，设计完成一个新颖实用的单片机控制系统。学生通过自由组合形成小组，自主查阅所使用的单片机相关资料和应用案例，团队自主设定课题方案，指导教师审核由小组撰写提交的开题表并进行存档，并作为考核内容，开题表包括题目、组长、成员、简介、系统结构图、涉及技术和设备清单组成，通过这种方式保证课题不是“纸上谈兵”，也加强了创新性和团队合作。学生通过实验不仅可以熟悉常用的微控制器，还可以将其很好地运用在单片机系统中，更好地支撑课程指标点。

2.1 项目需求功能分析

以接水果的经典小游戏实验案例为例，来分析基于Proteus的单片机虚拟仿真探究性实验项目设计的实验过程，这个游戏需要完成的主要任务可以分解为3步：①控制果篮的水平位置，努力接住每一个落下的苹果，接住得分，漏掉则扣除一定分值；②达到一定分数则关卡升级，关卡等级越高水果掉落速度越快，相应游戏难度更大；③完成所有关卡则通关。接水果是一个使用Flash制作的图形化游戏，我们需要利用单片机来模拟控制实现，这个游戏项目包含的单片机的原理知识主要有I/O口的输入输出、数码管的显示原理的控制、中断系统及蜂鸣器等几个方面。不仅需要对中断系统各个功能寄存器进行设置，也需要掌握键盘的相关知识。实验项目既包括硬件电路设计，也包括软件设计和仿真，是一个综合程度很高的实验项目，学生随着实验的深入将逐步接受并运用相关的理论知识，提升硬件开发设计和软件编程的能力。

2.2 硬件电路设计

通用的MCS-51单片机的4个8位并行双向I/O口，可为项目提供游戏操作的输入和控制接口，3列4行12个发光二极管显示游戏过程，数码管显示游戏分数、游戏局数等。每列4个LED灯为一组，亮起的灯表示正在下落的水果，每个水平位置同时最多只有一个水果正在下落；这样每一组灯在有亮起时共有4种状态，而3组所有LED灯共有43种也就是26种状态，利用P1口P1.0到P1.5六个引脚控制12个发光二极管，用于显示游戏内容；在3列LED灯下添加3个按键，来模拟控制游戏中接水果的果篮，按下某个按钮代表将果篮移动到该水平位置，果篮不能同时出现在两个位置，所以不能同时按下两个按钮。3个按钮对应3种输入状态，用P1.6和P1.7两个引脚作为游戏操作的输入端，按钮的响应采用中断；游戏的得分等状态信息利用四位的数码管来显示；另外，电路中的蜂鸣器可以为玩家在游戏过程中增加更多的体验反馈。

2.3 系统软件设计和实验现象

根据硬件电路设计，按照系统的功能画出软件程序流程图。对按钮的响应，采用中断服务子程序处理，有源蜂鸣器只有一种声音频率，通过向蜂鸣器输出周期不同的高频方波信号实现产生高低音。按下任何一个按钮开始游戏，按钮点击错误，评价显示F（Fail），同时蜂鸣器低频震响；成功在某列水果落到第4行时点击按钮，评价显示P（Perfect），同时蜂鸣器高频震响。3次失误后，游戏失败，2 s后进入初始界面。基于Proteus的单片机控制接水果游戏实验项目图如图1所示。

图1 基于Proteus的单片机控制接水果游戏实验项目图

3 单片机虚拟仿真探究性实验项目的实施

探究性实验打破以往以教师讲授为主、学生被动接收、实验依据指导书按部就班完成的模式，采用多种教学手段有机结合，具体的实验组织方案采用分组制，每个人需要提前生成身份码，每组设定一个组长负责协调分工，自主设计实验方案，引导学生独立思考、团结协作、敢于创新，将实验项目当作开发“作品”一样完成。实验过程不受空间及时间的限制，构建以过程评价与能力培养为导向的多元化、全方位考核评价体系，增加了创新评价和协作能力评价两部分分值。实验验收可以在线进行，其中一组学生进行作品的介绍和演示时，其他学生全都作为评委参与该组作品的评价、交流和探讨中。演示要求系统整体模型运行无误，进行现场作品演示和答辩。最后提交报告、开发文档、用户使用说明书、源代码、执行程序、演示视频和答辩PPT。

对案例进行分析、归类，标注清楚其技术应用、适用范围和服务功能，构建“总—分—总”的优质单片机虚拟仿真实验探究性实验项目案例库。让学生有更多的选择和启发，学生参考案例能够清楚自选课题所需的技术、设备和实现的功能。保持案例库的先进性和保证案例库的利用率，加强学生自主学习和综合实践的能力，让创新人才脱颖而出，学生培养由原来的以知识为导向转向以能力为导向，真正实现学科专业认证的目标要求。

4 结语

通过引入基于Proteus的单片机虚拟仿真探究性实验项目，将“课内与课外”“虚拟与实践”“线上与线下”密切结合，更易于进行设计型、综合型、探索型实验，虚拟仿真实验采用的技术方法不受实验硬件约束，不受时间场所限制，学生可以选择实验项目自行设计，拓展学习空间，促进差异化、个性化培养，实现线上仿真与线下实践同步互补、学生实验与课外科技活动同步互补等，调动了学生的学习热情，充分让学生“动起来、忙起来”，提升了学生的实践与创新能力。