Proteus仿真软件在单片机教学实践中的应用＊

庞宝麟，封岸松，李 帅

（沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110000）

单片机技术属于嵌入式技术，近年来在信息电子工程领域迅速发展。随着科技的进步，计算机等相关技术发展迅猛，社会上对相关人才的需求也迅速增长，相应的单片机这类课程的重要性也越来越明显。目前大多数工科专业都开设相关课程，因此单片机相关课程已成为工科专业的专业基础课程。传统的单片机教学一直是采用传统的“老师讲，学生听”的教学模式，教学过程枯燥，教学以理论教学为主，理论与实际结合相脱节，学生学习积极性不高，缺乏独立思考和分析解决问题的能力。在工科院校的教育改革过程中，人们越来越认识到实践环节的重要性[1]。随着科技的发展，网络技术及移动通信技术大面积普及，传统的单片机教学模式已经不能适应培养单片机应用型人才的教学要求。针对这种情况很多学校都进行了相应的单片机教学改革，如增加实践环节的比例、采用慕课及线上线下混合式教学等新型的教学形式。为了能让学生真正掌握单片机技术，积极主动地去学习单片机方面的相关知识，亟需改变教学模式[2]。

1 单片机教学模式探讨

目前，随着教学改革的推进，越来越多的教学模式涌现出来，如慕课、微课、线上线下混合式教学等。

1.1 慕课

慕课（Massive Open Online Course，MOOC）是近几年兴起的一种在线教育方式，里面涵盖了一些重点学府的课程，比如武汉大学、西安交通大学、同济大学的课程，内容面也广，几乎各个专业都有，如经济学、建筑、计算机等。慕课以录像形式呈现，并附有讲义和作业。只要在规定的时间内学完课程，并按时交作业，参加期末考试，通过考试后就会得到电子结业证书。这种学习方式基本上不受时间和地点的限制，除了专业课程，学生还可以学习各种感兴趣的其他课程。

1.2 微课

微课是指运用信息技术按照认知规律，呈现碎片化学习内容、过程及扩展素材的结构化数字资源。微课的主要特征是：主持人讲授性、主持人可以出镜、可以画外音、流媒体播放性。它可以以视频、动画等形式基于网络流媒体播放。微课教学时间较短、教学内容较少、资源容量较小，适用于移动设备的学习。

1.3 混合式教学

混合式教学即将在线教学和传统教学的优势结合起来的一种“线上+线下”的教学。通过2种教学形式的有机结合，可以把学习者的学习由浅到深地引向深度学习。

近2年由于疫情的原因，很多高校在整个学期都采用了线上教学模式，由于单片机课程属于理论和实际结合十分紧密的课程，受到教学环境和硬件条件的限制，线上实践类环节采用传统的教学方式较为困难。单片机教学所对应的实践课时较少，采用传统的硬件开发板进行单片机实验项目时，一些实验项目需要示波器、万用表等设备，学生在线下需要购买相应设备，成本较高，因此课后很难有再实践的机会；并且由于是网络教学，教师无法临场指导，采用硬件开发板需要进行硬件连接，然后将软件烧录到芯片中，再进行联机调试，任何一个环节出现问题，实验就无法进行，学习效率较低。同时由于单片机类课程涉及到的相关课程设计实践环节很多是较为复杂的系统，开发板电路固定，有些设计无法采用，需要自己焊接电路，增大了学习成本。为了解决以上问题，可以将Proteus仿真应用在单片机教学实践中[3]。

2018年教育部高等教育司吴岩司长提出：“各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课’、打造‘金课’，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量”。这是教育部文件中第一次正式使用“金课”这个概念。国家层面上已经为打造“金课”提供了必要条件，如为建设中国“金课”提供政策保障、组织保障、机制保障、评价保障、经费保障共5大方面的保障，实施一流课程的“双万”计划。建设1万门国家级一流线上线下精品课程，也叫国家“金课”；打造1万门省部级一流线上线下的精品课程，也叫地方高校的“金课”，通过优质的“金课”来提高学生们的综合能力。而把Proteus仿真软件用于单片机实践环节可以真正助力单片机的“金课”建设。

2 Proteus仿真软件在教学中的应用

2.1 Proteus仿真软件简介

Proteus软件作为现代辅助工程设计工具，是一款由英国Lab Center Electronics公司研发的软件。除了具有其他EDA（Electronic Design Automation）工具的功能外，它可以结合电子技术、单片机等进行电路设计，有效降低设计难度，减少工作量，尤其可以减少元器件的损耗，降低设计成本；同时仿真效果较好、兼容度高，只要一台电脑就可以安装使用，十分适合线上实践环节的展开[4]。

2.2 Proteus仿真软件的优势

Proteus仿真软件既可以设计印刷电路板，又可以在线仿真；既可以仿真模拟电路，又可以仿真数字电路，同时本身支持Keil、IAR等多种编译工具，编译好的程序可以直接运行无需下载。该仿真软件的仿真库里具有AVR、PIC、51、ARM、8086等多种常用芯片，近年来又增加了国内流行的STM32和DSP系列处理器，库中的常用元件超过了27 000多种。单片机常用的一些外围器件，如I2C接口的存储芯片和并行接口键盘显示芯片，各种类型的显示器，如LED、LCD、LED点阵等一应俱全，常用的外设芯片如8155、8255，AD/DA芯片如0832、0808以及时钟芯片DS1302等都可以在库中找到。同时该软件提供各种典型的终端，如示波器、直流电机、步进电机等；提供各种输入源，如温度传感器，脉冲输入信号等。且该软件仿真显示生动，如示波器类动态器件可实时调节波形大小等。

2.3 基于Proteus的单片机教学实例分析

“单片机原理与应用”这门课程一般是理论与实践相结合，因此实践环节必不可少，在实践环节中利用Proteus仿真软件可以让学生更直观地感受单片机的设计方法。本门课程的实验部分设置了4个实验，都可以用Proteus进行仿真。

下面选取2个典型的实例来进行分析。

频率信号发生器设计：要求利用单片机的定时器设计一个频率信号发生器，发出方波，方波从对应的单片机IO口输出。利用Proteus仿真软件设计的硬件电路如图1所示。

图1 频率信号发生器硬件图

从图1中可以看到，仿真软件设计非常简单，可以直接绘制单片机最小系统，然后从单片机的P1.0接口连接一个虚拟示波器就可以了。相比硬件开发板连接更简便，且不容易出错。

软件设计利用Keil软件进行编程，生成Hex文件，也可以直接用Proteus本身的编译环境进行编程，编程结束可以直接调试，调试结果如图2所示。从图中可以看出显示界面清晰、波形完整、各个按钮可调，同硬件开发板相比显示效果更好、干扰更小。

图2 仿真效果图

人机交互接口设计：要求利用单片机的键盘显示器实现一个人机交互系统。按下某一按键，在显示器上显示对应的键值。利用Proteus仿真软件实现的电路图如图3所示。

图3键盘/显示电路图

从图3中可以看出，利用该软件绘制电路图时，可以选择矩阵式按键和LED数码管来实现硬件电路的搭建，电路中的电阻为限流电阻。并且通过图3可以看出，Proteus软件绘图在本实验中相比硬件开发板接线简单，不仅节省了成本，且显示器不易烧坏。

软件设计利用Keil软件或Proteus自带的编译环境编辑程序，编译完毕后运行，就能在软件中直接查看仿真结果，如图4所示。

图4键盘/显示仿真结果

从以上2个典型实例中可以看出，Proteus仿真软件基本上可以替代硬件开发板来实现实验程序的设计，节省了设计成本。

3展望

可以将Proteus仿真软件应用于更多的单片机应用场景中，如实验、单片机课程设计、毕业设计、各类电子竞赛等。Proteus软件和单片机相关教学环节的有效结合有助于学生有效地掌握所学知识，缩短设计时间，提高教学效率，对单片机的实践教学有指导意义，对于学校来说降低了成本。尤其是在疫情时期的线上教学环节，可以完全替代线下实验，提高了学生的学习兴趣，培养学生分析问题、解决问题的能力。

4结语

单片机的教学手段是灵活多样的，教学方法也因人而异，随时改进教学方法是十分必要的，只有不断地改进教学方法才能激发学生的学习兴趣，取得较好的学习效果。应该不断加大教学改革和探索的力度，同时Proteus仿真软件在使用过程中还有一些问题亟待解决，如由于是软件仿真，跟实际硬件开发板相比，在开发项目时没有仿真出真实环节中的干扰问题，对硬件电路的设计要求没有实际开发板严格，电源的大小、变化对电路的影响不明显及真实的电路虚连问题体现不出来等。未来应该在Proteus仿真软件的使用过程中充分考虑到以上问题，合理利用仿真软件。