在“单片机原理与应用”课程中引入Ｐｒｏｔｅｕｓ教学研究

摘要：本文从单片机原理与应用课程特点及当前教学中存在的问题出发，提出了单片机仿真教学方案。实践情况和统计结果表明，把Proteus引入单片机课程教学中，教学效果良好，学生的实践能力和创新能力得到极大提高。

关键词：Proteus；单片机；仿真教学

中图分类号：G642文献标识码：B

“单片机原理与应用”课程是电类专业一门重要的专业基础课，其教学目的是通过理论教学与实践环节，使学生正确理解单片机的基本概念、基本原理，掌握单片机程序设计和接口应用的基本方法，并能综合运用单片机的软硬件技术，分析实际问题，为工业生产、科学研究和实验设备等领域的单片机应用开发打下良好的基础。

传统的单片机教学，均是以单片机的结构为主线，按单片机的硬件结构、指令、软件编程、单片机系统的扩展、各种外围器件的应用的顺序讲授，最后再讲一些实例。这种传统的教学结构，学生普遍感到难学。在现有技术发展和教学条件下，应该积极探索新的教学方式。

1传统单片机课程教学存在的不足

单片机教学包括理论和实践教学，而传统的课堂教学及实验中存在诸多问题，如教学方式多以课堂原理讲解与少量硬件仿真实验相结合，课堂教学多以理论为主，实验教学也多进行验证性实验。但单片机是一门应用性和实践性都很强的课程，本身比较抽象，所以在教学中必须把教学内容更为直观地展示给学生。为此，教师一般会把实验板或者仿真器引入到课堂上，通过在课堂上现场做一些演示实验给学生看，但是采用这种方法往往效果不是很好，主要表现在：(1)在课堂上现场做演示实验很浪费时间，降低了教学的效率；(2)小小的实验板和仿真器演示起来很难看清楚，也很难让所有学生都观察到效果，所以采用这种演示的方法来进行理论教学往往是事倍功半。

学生实验时也存在不少问题，实验教学不足，实验学时不足。由于单片机实验室的场地和时间等问题，除了上课以外，平时学生难得有机会实践。个人配备单片机实验开发系统，因成本较高，很多学生无法承受。又由于一般单片机实验多为箱式成品，学生难以参与到其中的细节设计，学生动手能力很难得到训练和提高。

实验设备不足、落后。建造单片机实验室成本高，一般学校很难达到学生人手一套实验开发系统，并且随着技

术的不断发展、设备的不断老化，实验设备也需要更新。要解决此问题就需要不断重建单片机实验室，因此必将带来资金耗费严重等问题。

课程设计、毕业设计等教学活动中存在明显的不足。在实际教学中常常需要学生设计一些基于单片机的系统，以提高学生的综合能力。单片机系统设计包括硬件电路设计、软件编程设计及软硬件结合的系统调试三个方面。目前单独的软、硬件设计都有较好的软件支持，而在软硬件结合的系统调试上，传统的方法中应用程序需要在硬件完成的情况下才能进行调试，这就必须进行制板、元器件焊接。在软硬件的配合中如需要修改硬件，必须重新制板，在时间和经济投入上带来很大的麻烦。

2引入Proteus的可行性

针对传统的理论和实验教学存在诸多的不足，促使我们在教学中寻找新的教学方式和方法，从教学实践上看，将Proteus引入单片机原理与应用课程的教学中是可行的。

目前我校已建立众多的多媒体教室，为课堂教学引入Proteus提供了基本条件，同时学校还拥有很多教学公用计算机，加上很多同学也拥有计算机，这就为学生学习使用Proteus创造了良好的条件。

单片机课程大都安排在大学二年级，学生从大学一年级开始系统地学习了计算机知识，因此学生已有了学习与使用Proteus的基础。

现在EDA技术的发展，已具备单片机仿真的软件，本文探讨的Proteus仿真软件是一款含有大量的系统资源、丰富的硬件接口电路，具有强大的调试功能和软硬件相结合的仿真系统，完全符合单片机教学的要求。在教学过程中既可调试单片机程序，也可仿真单片机外围器件的工作情况；既能充分利用学校计算机房现有计算机，减少硬件设备的维护工作量，还可为学生提供丰富的实验内容。本仿真系统结合了单片机和外围电路，与实际工程系统非常接近，拉近了单片机学习与就业的距离。

3Proteus在单片机原理与应用课程教学中的应用

3.1Proteus简介及其在单片机教学中的意义

Proteus软件是来自英国Labcenter Electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用。Proteus软件由于强大、直观、完善、全面的功能，已为越来越多的国内大学作为电工电子虚拟实验平台、单片机设计与虚拟仿真实验室、嵌入式系统设计与仿真实验室、创新实验平台等电类综合实验平台，为教学改革、创新和科研开发提供了良好的软件支撑。

目前企业单位对单片机应用人才的需求量仍然很大，对技术水平的要求也越来越高。面对传统教学中存在的诸多问题，借助Proteus对CPU和外围电路强大的仿真能力以及丰富的资源库，可以有效替代硬件仿真器进行先期的软硬件调试，等到仿真结果基本理想时再进行实际的硬件调试。这样的开发过程不仅高效，而且会尽可能地减少损失，对于解决实验室资源紧张的问题是一个很好的思路。

3.2将Proteus引入单片机课堂教学

过去在课堂上演示单片机的设计和调试几乎不可能，然而利用Proteus仿真软件可以轻松做到这一点。在进行多媒体教学时，可设计大量的单片机应用实例，用Proteus软件演示从单片机硬件设计到软件调试的全过程，并演示运行结果，增强教学生动性和直观性。比如教师可以制作一些典型的应用系统，如流水灯、交通灯、数字钟及LCD显示等实验进行演示，让学生对单片机应用系统有一个感性认识，明白一个完整系统的含义，清楚单片机在一个系统中的作用和地位以及应用情况。

其次，采用Proteus有助于明确概念，解决难点。在单片机教学中，如P口作为准双向口的这个概念以及如何应用是较难掌握的一个问题。如中断如何产生，LED灯的位选和线选如何区别，串行通信如何实现等等教学中的重点和难点，都可以通过Proteus的演示让学生掌握清楚。Proteus还具有用色点显示芯片管脚状态的功能，教师可通过单步调试的方法让学生观察引脚的高低电平变化。也可通过示波器、逻辑分析仪和发光二极管进行观察。另外Proteus有助于理解指令含义，通过改变某段程序或指令，观察运行效果，从而理解语句含义。

3.3用Proteus改进单片机实践教学

传统教学中实践教学通常在单片机实验室进行，然而由于各种原因，许多高校实验室的设备更新难以跟上，实验仪器和设备陈旧和老化，难以满足实践教学的要求。在实践教学上引入Proteus仿真软件，可以建立先进的单片机仿真虚拟实验室。Proteus仿真软件上有国际通用的虚拟仪器及电子元器件库，用户可以方便地进行电路原理图的设计和仿真测试，观察电路的工作状态及软件运行后的变化情况，用它来做单片机的仿真分析和设计无疑是很方便的。Proteus仿真软件可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU，并提供了几乎所有实验项目需要的外围电路和器件，如LED、LCD、RAM、ROM、键盘、电机、AD/DA、部分SPI器件、部分I2C器件等，学生在机房就可以进行单片机软硬件设计、调试和PCB设计。利用Proteus软件，学生甚至可以利用课余时间在宿舍进行单片机项目的设计和调试，极大地开拓了单片机学习的空间，降低了单片机的学习成本，提高了学习效果。

此外，采用Proteus仿真软件进行实践教学还有一个好处，就是不存在器件损耗问题，从而大大节约了教学资源。根据课时安排，教师可指导学生进行一些单片机项目的制作，让他们在实践中加深对理论知识的理解。学生每完成一步制作，都会有一种成就感，进一步激发他们的学习兴趣，增强学习信心，变被动接受知识为主动获取知识，从而达到理论指导实践，实践加深理论的良性循环。

3.4用Proteus改革单片机课程设计和毕业设计

单片机的后续课程为课程设计和毕业设计，要完成这些设计需要购置的设备比较多，增加了学生经济上的负担。采用Proteus仿真软件后，仅需一台电脑就可以进行单片机项目设计了。尽管软件仿真还不是真正的单片机应用系统，项目最终还是要真正进入到硬件仿真和测试阶段，但如先进行软件仿真，再进行硬件投入，可以避免由于设计上的错误所造成的硬件投入上的浪费。因此在指导学生进行课程设计或毕业设计时，应要求学生必须先通过软件仿真，再进行硬件的设计和调试。此外，对于电子设计竞赛前培训，其培训方式一般都是项目培训法。为了节约时间和成本，提高培训效果，也可以利用Proteus仿真软件，在前期培训指导学生仿真一些相对简单的小项目，在培训后期，再进行一些大项目的制作。

4 效果分析

4.1教学效果明显提高

为提高教学效果，笔者曾设计近几十个演示电路板，但效果不理想，还费时费力。这是因为演示电路板小，且需携带计算机、电源、仿真器、编程器之故。自从将Proteus仿真演示教学引入课堂教学后，其极为接近实际的动态演示激发了学生兴趣、提高了学习的积极性。Proteus使抽象变形象，使重点易懂、难点化解。例如，中断优先级是课堂教学的重点、难点，以往学生在课堂上听不懂，课后也搞不清，现在用Proteus在多媒体教室进行仿真，学生亲自参加，效果很好。学生不仅学懂了，学习的主动性也明显提高。

4.2学生学用结合、动手能力明显提高

学生先进行Proteus设计与仿真，仿真成功后，再进行实际实验，很多重点、难点在学生的Proteus实践中得到解决。如做静态RAM扩展单片机的存储器实验时，以往学生用单片机实验箱做该实验，因实验箱封闭性、显示信号不佳等缺点而使效果不好。现在学生先用Proteus进行该实验的设计与仿真，效果大增。实践证明，Proteus是学生学与用、理论与实践相结合的优秀平台。Proteus仿真动态、直观，过程与结果统一，测量与调试统一，使学生增强了学习单片机的信心。学生最难搞懂的读、写时序也能懂了。

4.3学生可自行实验，锻炼解决实际工程问题的能力

实验能力和实验设计能力的培养，是工科学生解决实际工程问题能力中较为重要的。传统的实验教学忽视了学生实验能力的培养，对于实验设计能力的培养也很少涉及到，因此想将其应用到实际的工程实践中难度是比较大的。此外，当学生毕业后想对单片机控制技术或智能仪表等有更深的研究和学习，如果采用传统的实验教学方法，则学生需要购置的设备比较多，增加了学习和研究的投入。采用仿真软件后，学习的投入变得比较小，而实际工程问题的研究也可以先在软件环境中仿真通过，再进行硬件的投入。这样处理不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。

4.4实验过程中损耗小，基本没有元器件的损耗问题

在传统的教学过程中，若稍有不慎就可能损坏元器件和仪器仪表等硬件设备。如果用烧录器写程序的方法来验证实验结果，由于多次插、拔芯片，易损芯片且效率低，教学效果不佳。同时由于实验过程中需要用到的仪器较多，如计算机、电源、烧录器等，造成设备维护工作量大等问题。另外还涉及到仪器仪表等工作造成的能源消耗。采用Proteus仿真软件进行实验教学则不存在上述的问题，实验的过程比较安全，基本没有元器件的损耗问题，在理论和实践两方面都有其比较明显的经济优势。

4.5与工程实践最为接近，符合市场对人才的需求

当前，单片机工程的开发明显的出现两个特点：一是工程开发产品的复杂程度加深；二是工程项目的上市时间紧迫，即工程项目的研制和开发必须具有高的效率和短周期。而Proteus与工程实践最为接近，市场对Proteus人才有迫切的需求。在单片机教学中引入Proteus，能激发学生学习单片机技术的兴趣，了解实际问题的解决过程，在进行课程设计或做实验的时候，可以在Proteus中做一个工程项目，并将其移植到一个具体的硬件电路中去，让学生知道如何将仿真软件和具体的工程实践结合起来，从而更高效率地处理工程实践问题。

5结束语

将Proteus软件引入单片机原理与应用课程教学中，可以实现把实验室与课堂有机地融为一体，实践证明是可行的而且是行之有效的方法，它的应用，有利于现代人才的培养。从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立以Proteus为基础的单片机仿真系统是非常有意义的，利用仿真系统，可以节约学习、开发的时间和成本，具有很大的灵活性和可扩展性。

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