基于Proteus仿真平台的单片机实践课程的教学研究
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作者:贾海云 冯爱花 王雨晨
摘要：单片机技术在信息技术产业、高端装备制造业中实用性强，是高新技术企业人才招聘中一项的重要考核内容。单片机实践课程的教学改革对如何为企业培养高素质技能型人才有重大意义。为适应社会经济发展和企业转型升级的需求，提高高职学生的工程实践能力、创新能力和工作岗位适应能力，缩短课堂教学与实际工作需求的差距，优化单片机技术课程的知识体系、教学方法和学习模式是十分有必要的。文章从单片机教学中存在的不足出发，讨论了基于Proteus仿真平台的单片机教学方法、教学实施等内容，立足于单片机实际控制系统设计，以产品设计与制作为载体，将Proteus仿真平台用于单片机实践教学中，培养学生电路图识读、设计、程序开发和调试的能力。
关键词：教学改革；Proteus仿真平台；单片机教学方法；实际控制系统
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）28-0151-03
单片机是一种集成度高、体积小可靠性高、价格低、控制能力强的微控制器，广泛应用于工业控制、国防军事、智能制造、仪器仪表等领域。单片机工程师是一种发展前景多样化的职位，收入可观，从事单片机方向的技术人员可转型为物联网工程师、嵌入式工程师等。多数高等职业院校电子信息类、自动化类等相关专业都将单片机应用技术课程设为人才培养方案中的一门专业课或专业核心课。
1 单片机应用技术课程教学现状
诸多高职院校单片机课程设置按照理论教学和实践教学1：1的比例开展。理论教学主要围绕着单片机的存储结构、I/O口、定时器与中断、串行通信和A/D和D/A转换等知识点讲解。枯燥、抽象、零碎的理论知识对于多数基础薄弱的高职院校学生而言是非常晦涩难懂的，实践教学大多采用硬件电路固化的单片机实验箱完成验证性的实验。尽管这些实验直观显示了预期的效果，增加了学生对单片机控制外围设备的理解但也能看到单片机课程教学中存在的问题。由于知识点零碎、实践课时少、实验室开放时间少，学生动手操作机会少、实验室建设管理维修成本高等原因，导致学生难以系统性掌握单片机控制系统开发的过程。
1.1 实验箱存在的问题
实践教学采用实验箱也存在几个问题：（1） 固化的内部电路。每个功能模块的硬件电路已焊好，只须连接I/O导线即可完成电路的搭建，对硬件电路的设计缺乏动手能力。（2） 较少的实验项目。题目陈旧，没有结合时代的发展进行更新。（3） 电子元器件易损坏。因较长的使用年限、学生的不当操作等因素会导致电子元器件的损坏。（4） 实验室开放的时间有限。因人力资源、学生自身的上课安排、实验室课程安排等现实原因造成大多数情况下，学生能使用实验箱的时间远远不足。
1.2 实训任务少，学生兴趣低
实训任务大多安排验证性实验，知识点围绕各章节展开，在给定的程序和现成的实验箱中完成任务，将编译好的.hex文件下载到实验箱单片机中，硬件电路只需将用到的I/O口与外部电路相接，学生仅得到已知的实验现象和实验数据，缺少对系统整体性框架设计的思维，缺乏对硬件电路和程序编写的能力训练，导致学生的兴趣逐渐降低。
1.3 知识点迁移能力弱，缺乏真实案例训练
在单片机课程教学中需用到模拟电子技术、数字电子技术、C语言程序设计等前导课程知识，课程间知识点的迁移能力对学生灵活应用相关知识非常重要，迁移能力也是学习效果的评价标准之一。纹机广泛应用于生产生活各个领域，融入各行各业，但学生在学习单片机课程中局限于知识点的验证和自身知识点迁移能力弱，缺乏实际真实案例的开发训练和实战经验。因此，对于多数高职学生而言，他们将几门课程的知识点融合迁移的能力较弱。
合肥财经职业学院在单片机实践课程上将Proteus仿真平台和单片机实验箱有效结合，教师打破原有只使用实验箱的教学方法，结合虚拟仿真平台教学，课内课后都能融教学为一体，完成多个仿真产品的设计，增加了学生动手实践的机会。学生基本都配有笔记本，教师布置作业，学生可以不用去实验室，不需要硬件支持，直接借助该仿真平台就能完成实训内容，降低实训成本，缩短实训时间，在有限的课时内，充分利用他们的业余时间，教师可多讲一些单片机开发案例，提高学生的实战能力。这种教学模式可以解决大多数院校存在的实训学时有限、实训设备缺乏、师资配比不足等问题。
2 Proteus仿真平台的优势
Proteus 仿真平台功能强大，能实现电路仿真、虚拟模型仿真和PCB 设计三大功能。该软件电子元件库丰富，可绘制电路原理图，仿真调试系统，仿真中产生不同颜色的方点代表高低电平和高阻状态，形象直观地展示电路基本知识。单片机实践教学中，采用Proteus软件进行单片机电路的设计和仿真，既方便快捷、便于修改，又可节约硬件电路搭建的时间和元器件耗材成本[1] 。按照实训要求，先在 Proteus仿真平台里调试成功，仿真无误后完成硬件电路的搭建和程序调试，这样能避免操作不当造成元器件损坏等问题。学生通过观察Proteus 仿真平台中电路的运行状态，观察单片机引脚高低电平的变化，加深理解单片机的工作过程和I/O口的应用。同时，相比传统实验箱教学，可降低实验箱的维护成本，减少使用占用实验室。
3 基于 Proteus仿真平台优化教学方法和教学内容
3.1 教学方法
根据行业企业的发展趋势和学校的定位，每年暑假教师深入企业进行专业调研，了解企业技术需求和用人标准，结合高职学生的学情，课程组各老师各抒己见，讨论单片机课程教学方式和教学内容。教学理念以实践为主线，以项目为载体，以任务驱动为抓手，以培养职业能力为核心，强调理论教学构建学生的知识体系，实践教学构建学生的职业技能的教学原则。教学方法采用项目导向教学法、任务驱动教学法和案例教学法，以实际的项目开发开展教学，将知识点融入项目中[2]。项目导向教学法以实际的项目展开教学，将知识点融入项目中。任务驱动教学法采用“提出任务→分析任务→完成任务→边学边做→总结”这5个步骤。案例教学法按照“典型案例→C语言知识→模仿编程→实践提高”步骤展开。教学过程中始终以学生为主体，以教师为中心，教学内容以项目化方式安排，保证教学内容与企业和社会发展要求的素质、知识和能力匹配。
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3.2 教学内容
围绕单片机课程的教学内容、教学目标、教学重难点等相关要求设计针对性的实用案例，学生通过实用案例的设计与仿真，在实践中落实与深化所讲授的理论知识，以实现该门课程的教学目标。实用案例的设计由简单到复杂，单片机课程共 64学时，分为基础实训和综合实训。基础实训是围绕单片机内部结构的工作原理展开的，知识点零碎。综合实训是在完成单片机基础实训前提下，进行相对复杂的单片机控制系统设计开发，目的是让学生熟练掌握电路设计、程序设计、实物制作的方法，并能独立完成复杂的单片机控制系统的分析、设计、调试和制作，为嵌入式电子产品的企业培养技能型人才[3]。具体实训项目如表1所示：
3.3 教学组织
教材一般先讲解单片机引脚、内部结构、存储组织结构等知识点，内容抽象枯燥，高职学生基础比较薄弱。因此，我们教学中打破教材架构，以单片机控制一个发光二极管为主线，先通过实验箱观察现象，然后打开原理图讲解电路，再用 Proteus 软件将电路绘制出来，从Proteus 仿真平台中观察实验现象是否与实验箱观测到的一致。然后对实训任务举一反三，从更换单片机的控制引脚，到单片机实现对8个发光二极管的花样控制等实训任务的安排，讲解单片机的引脚、内部结构、I/O口的使用等知识，提高学生的兴趣。授课过程中融入课程思政，讲解单片机在智能制造、航空等领域的案例，激发学生的爱国情怀和探索未知的兴致。
教学组织中以探索方式进行实践课程的教学，充分体现学生为主体，教师为主导的教学理念，将若干零碎的知识点通过一个个实训任务展开，实训任务的顺利完成能增加学生的成就感，调动学生学习的积极性。因此，合理安排教学任务与教学目标，设计合理的教学环节显得十分重要[4]。
3.4 实践教学实施过程
单片机实践课程以任务为主线，以教师为主导，以学生为主体，充分调动学生的能动性。教学实施的具体实施过程：（1） 明确任务要求。（2） 剖析完成任务所需的知识点。知识点围绕涉及C语言、单片机、电子元件等相关知识展开。（3） 搭建硬件电路。画电路图，列元器件清单。根据任务要求，合理分配单片机的I/O口，选用合理的外部设备，须注意终端设备电源和地的有效连接。（4） 程序设计与调试。结合硬件电路的设计，绘制流程图，利用Keil C51 软件编写程序，编译调试，直到生成.hex文件。（5） 软件仿真。将调试好的程序下载到单片机里，观察仿真电路的运行情况和运行效果是否符合设计要求。（6） 硬件仿真。将电脑通过串口连接单片机实验箱，将生成.hex文件下载到单片机，观察实际电路的运行情况和运行效果。教学实施过程如图1所示：
4 仿真实例：电子万年历设计与制作
4.1 设计任务
利用时钟芯片DS1302设计万年历，具体功能要求：（1） 可以实时显示时间；（2） 设置按键可调整时间。系统总体框架图如图2所示：
4.2 电路设计
根据任务要求，控制系统的硬件电路除了以单片机为主控芯片外，还包含晶振电路、复位电路、存储电路、LCD1602构成的显示电路和DS1302芯片构成的时钟电路、按键构成的独立式键盘电路。万年历电路原理图如图3所示：
利用Proteus软件进行硬件电路搭建。具体操作步骤：（1） 新建文件夹，将文件夹命名为万年历设计。（2） 按选取按键“P”添加元件。将单片机AT89C51 、电阻RES、晶体振荡器CRYSTAL 、电容CAP、电解电容CAP-ELEC、红色发光二极管LED-RED、按键BUTTON、液晶显示器LCD1602、时钟芯片DS1302添加到元件列表。（3） 放置元件。放置原则从大到小，从左到右。放置顺序按单片机、时钟电路、复位电路、存储电路和控制电路赘龅缏纺？榉胖谩＃4） 放置电源和地。终端模式下，GROUND对应地线，POWER对应电源。电路完成后，一定要保存。
4.3 程序设计
根据任务要求完成硬件电路搭建后，打开Keil软件进行程序编写，结合学院的人才培养方案中的课程设置，选择C语言编写程序。首先根据需要的功能完成流程图的设计，然后进行具体程序的编写，程序编写编译无误后，会生成.hex文件。
4.4 仿真调试
利用Proteus软件进行仿真调试。双机单片机，将.hex文件下载到单片机中，然后点击软件左下角运行工具栏的开始按钮，仿真即开启。Proteus软件中红色点代表高电平“1”，蓝色点代表低电平“0”，通过红蓝色点可看出电流流向。电流类比水流，水往低处流，电流流向也是从高电位流向低电位，即1→0。换句话说，存在电位差就有电流。
4.5 总结反思
本次任务完成了Proteus仿真平台下万年历的设计，采用的核心元件是单片机AT89C51，利用单片在液晶显示器上显示年月日、时间，训练单片机I/O口的应用能力，要求学生掌握时钟芯片DS1302、液晶显示芯片LCD1602的工作原理、引脚功能、与单片机的连接方式等知识，为将来从事单片机相关工作夯实了基础。
5 结束语
Proteus仿真软件在单片机课程中的应用越来越广泛，该软件具有使用方便、仿真成功率高、结果真实准确等优点，受到教师学生的青睐。学好单片机需要具备扎实的理论知识、知识的迁移能力和较强的实践动手能力，因学生资源有限，平时能利用的设备有实验箱和开发板，但由于实验箱和开发板电路固化、实验室时间开放等局限性，Proteus 仿真平台的引入学生可结合自身兴趣和自身知识的掌握情况，充分利用业余时间学习。虽然Proteus仿真平台功能强大，能实现电路的绘制和程序的调试仿真，但该仿真平台是基于理想化的条件实现仿真调试，代替不了工程实际中的一些差异和变化[5]。因此，在单片机教学中，需要结合实践教学的具体情况合理使用Proteus仿真平台，不能完全依托它，需与开发板、实验箱有效结合。
参考文献：
[1] 任肖丽，王骥，刘思凤.基于Proteus和Keil的单片机课程实验教学改革探索[J].教育现代化，2019，6（A1）：5-7.
[2] 姚静，李璋，陈广.基于Proteus和Keil的单片机实验教学探究[J].信息通信，2019，32（9）：250-252.
[3] 刘兴旺.基于Proteus与Keil的单片机实验教学改革方式[J].电子世界，2016（17）：37-38.
[4] 高艳芬，蔡恒.基于Proteus仿真与实验板结合的单片机实验教学改革探讨[J].教育教学论坛，2015（41）：138-139.
[5] 阮武林.基于“教师主导―学生主体”教学模式下的单片机教学策略研究[D].上海：华东师范大学，2010.
【通联编辑：梁书】
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