基于虚拟仿真平台的“单片机应用技术”课程教学改革探索与实践

郭 庆

(辽宁省交通高等专科学校 机械电子工程系,辽宁 沈阳 110122)

0 引言

对全球而言,2020庚子年注定是一个被载入史册的特殊之年。面对突如其来的新冠肺炎疫情,各高职院校积极响应教育部的号召,开展“停课不停教、停课不停学”的在线教学,保证了疫情防控期间的教学进度和教学质量。在线教学不仅打破了传统线下教学的时空限制,同时也改变了教师的传统教学观念。“单片机应用技术”在线课程的顺利开展,不仅突显了虚拟仿真教学平台的重要性,也为今后的课程改革提供了新思路。

1 “单片机应用技术”课程教学现状

“单片机应用技术”是一门实践性、综合性和应用性很强的课程,其主要教学模式是“先理论,后实验”,这种教学模式注定了在理论和实践两个教学环节都存在一些不同程度的问题。

(1)理论教学重点强调对原理性知识的理解和掌握,教师通过PPT课件和板书讲解单片机的片内资源、IO接口电路和C语言程序设计等内容,涉及很多较抽象的理论知识,学生感觉如同读“天书”一般,很难理解,逐渐丧失了学习的兴趣和信心。

(2)理论教学和实践教学分开进行,导致教学环节上存在脱节。学生在上完几次理论课之后才做实验,基本上已经忘记前面学过的理论知识,导致学生在实践操作时又无从下手。而实验箱的自身成本过高,学校采购的实验箱数量有限,仍存在多名同学使用同一台实验箱的情况。又由于时间和场地等问题,学生课后难得有机会动手实践。因此实验效果不佳,学生的编程设计能力很难得到训练与提高。

(3)大多数职业院校采用的是厂家生产的成品实验箱,其电路的走线、整体规划布局已经完成,学生很难参与其中的电路设计。同时,由于受学时等客观因素的限制,开设的实验也是以验证性为主,缺乏设计性、综合性和创新性。实验过程中,学生只是按照老师演示操作步骤和实验指导书完成原理知识的验证,经常还会出现元器件损坏、线路连接不良等问题,导致学生无法顺利完成实验,这就严重制约了学生的实践动手操作能力和创新能力[1]。

(4)目前市面上单片机的种类繁多,技术更新和发展迅速,学校即使采用了现阶段顶级的单片机实验箱,其有限的资源也始终无法跟上技术发展的步伐,单片机教学实验设备的更新换代问题也将成为学校资金重复投入的一大问题。

针对上述问题,结合“单片机应用技术”课程特点,利用Proteus和Keil软件搭建的虚拟仿真平台辅助理论教学和实践教学。教师也可以利用单片机虚拟仿真实验平台开展教学改革,改进传统的单片机授课模式,激发学生的实践创新能力。

2 Proteus虚拟仿真平台在单片机理论教学中的应用

Proteus仿真软件是一款非常优秀的EDA工具软件,也是单片机课堂教学的先进助手。由于Proteus提供了实验室无法比拟的大量元器件库,提供了修改电路设计的灵活性,提供了实验室在数量、质量上难以比拟的虚拟仪器、仪表,所以它的元器件、连接线路等可以和传统的单片机实验硬件高度对应,在相当程度上它可以替代传统的单片机实验室。该软件在新冠疫情期间的线上教学和返校后的线下理论教学中的应用,对学生的动手实践起到很好的辅助作用。

近两年,随着新冠疫情的反复变化,Protues+Keil虚拟仿真平台在单片机理论教学和实践教学中逐渐受到关注。使用者只需在计算机中安装Proteus与Keil软件,并稍做简单的设置,即可完成虚拟仿真平台的搭建。但大多数学校只是在实验课上引入虚拟仿真平台,先将实验项目仿真实现后,利用开发板或实验箱进行项目实施。这种方式并没有解决理论知识和实践操作须脱节的问题[2]。

因此,本专业将“单片机应用技术”课程做如下调整:在线上的教学过程中,只要学生有电脑就可以完成仿真操作,解决了没有单片机实验箱的学生无法实践操作的问题。在线下的教学过程中,将单片机课程的理论教学场所从多媒体教室调整到计算机机房。在理论课程教学中深入分析单片机课程的理论知识点和基础技能点,选取合适的模块项目,精心设计一些典型的并且与外设功能相匹配的教学案例,从简单到复杂,层层递进、逐步深入。在理论课上学生每完成一个案例模块就像玩闯关游戏一样,大大地提升了学生的成就感。

在Proteus虚拟仿真平台中,学生可以根据电路原理图的设计和程序代码编写过程中出现的问题,按需更改电路原理图和程序代码,也可以借助示波器、逻辑分析仪等虚拟仪器对程序执行的过程和演示结果进行观察分析,使抽象难懂的理论知识变得形象化、具体化[3]。

3 教学实例设计

下面以模拟汽车左右转向灯控制应用为例,介绍采用Protues+Keil虚拟仿真平台完成单片机虚拟仿真的详细过程[4,5]。

3.1 设计要求

采用Protues仿真软件模拟一个汽车左右转向灯的控制系统。在课上播放汽车转向灯的真实工作视频,分析转向灯工作要点,归纳总结电路的组成,为硬件电路设计做好准备。

3.2 硬件设计

在单片机最小系统电路的基础上,再采用单片机的P0,P1,P2或P3任意两个IO端口分别与LED和开关电路相连就完成硬件电路的设计。打开Proteus软件,在丰富的电子元件库中,通过关键字查询添加相应的电子元件并进行连接,绘制硬件电路图。Proteus仿真软件搭建的电路原理图能让学生形象直观地理解电路的硬件组成。

3.3 C语言程序设计

分析汽车转向灯显示状态、P3口引脚状态和驾驶员发出的命令三者的关系,如表1所示。

表1 汽车转向灯显示状态、P3口引脚状态和驾驶员发出的命令

P3.0引脚的状态与左转灯D1的亮灭状态相对应,当P3.0引脚的状态为1时,左转灯D1熄灭;当P3.0引脚的状态为0时,左转灯D1闪烁。同样P3.1引脚的状态与右转灯D2的亮灭状态相对应。

在Keil软件中输入C语言源程序代码,进行编译、调试,最终生成单片机可以执行的HEX文件。C语言程序代码如图1所示。

图1 C语言程序代码

3.4 仿真调试

打开Proteus软件,双击电路原理图中的AT89C51单片机,加载可执行的HEX文件,点击仿真按钮中的play运行按钮,拨动开关SW1和SW2即可模拟驾驶员发出左转和右转命令。通过仿真效果展示即可判断系统硬件与软件设计得是否正确。仿真效果如图2所示。

图2 硬件电路及仿真效果

4 结语

基于Proteus+Keil软件的单片机虚拟仿真平台在“单片机应用技术”理论教学环节的应用,使抽象知识形象化、具体化,化解了教学难点,有助于学生高效地掌握课堂所学理论知识,巩固加深理论知识的记忆,缩短从理论知识到实际应用的过程,激发了学生的学习兴趣,提高了学生的实践创新能力。在后期的单片机课程设计和全国职业院校技能大赛中,发挥了非常好的辅助作用。