基于Proteus与学习板的单片机“1+1虚实结合”教学

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摘要：一、单片机课程改革的必要性 单片机又叫微控制器(MCU)，是嵌入式系统的基础核心器件，广泛应用于当今社会生产生活的各个领域，工业测控、仪器仪表、消费电子、通信产品等都有它

一、单片机课程改革的必要性 单片机又叫微控制器(MCU)，是嵌入式系统的基础核心器件，广泛应用于当今社会生产生活的各个领域，工业测控、仪器仪表、消费电子、通信产品等都有它的身影，是现代控制中不可或缺的工具和手段[1]。《单片机基础与应用》是我院为电气自动化、机电一体化、机电设备维修与管理、城市轨道交通机电设备等专业学生开设的专业必修课，同时也是学生参加大学生科技创新、创新创业、电子设计等相关竞赛的必须课程[2]。单片机的重要性不言而喻，然而当前该课程的教学效果并不理想，很多相关专业高职甚至本科毕业生对单片机的掌握达不到入门水准，更谈不上应用开发。因此，对单片机课程的教学改革势在必行。 二、传统单片机教学模式存在的弊端 传统的单片机教学为“PPT+板书”的模式，这样会把单片机外围电路、程序代码和运行效果三者隔离开来，无法直观形象地验证电路原理的可行性、程序代码的有效性及运行结果的准确性[3]。在早期甚至出现过课程结束了学生还不认识单片机，不会使用编程软，更没焊接、调试、使用过学习板，教学效果可想而知。 近年来，随着科技和社会的不断发展，各种单片机实验箱、学习板大行其道，于是出现了“PC+MCU成品板”的一体化教学模式，此方法只需简单连线后，便可通过编程进行各种验证性实验，能清楚看到运行效果，对学生编程能力的培养有较大作用。但因为学习板电路已经固化，学生不能设计硬件电路(只能编写、调试程序)，所以对其掌握单片机电路原理、认识电子元器件及进行系统焊接调试等帮助不大，无法达到让学生全面动手锻炼的效果[4]。 三、Proteus+学习板的虚实结合教学模式 为了解决传统单片机教学中的种种问题，我院根据多年教学实践将单片机教学进程分为课堂教学和实训周集中实训两部分，提出了Proteus课堂仿真教学加单片机学习板的焊接、调试、应用等实训的“1+1虚实结合”教学模式。 图1 Proteus课堂仿真流程图 Proteus仿真软件是英国LABCENTER ELECTRONICS公司开发的一款功能强大的电子设计自动化软件，具有原理图设计、PCB设计等功能，可以进行模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真。其最大特点是可以进行单片机、嵌入式系统的仿真实验，在一定程度上相当于一块万能学习板，非常简单实用、直观形象，这也是其他仿真软件无法比拟的[5][6]。将Proteus引入单片机课堂教学，可以随时设计各种单片机原理电路并进行仿真，这样既有利于教学中的问题说明，又有利于学生进行有针对性的练习，同时避免了硬件问题带来的干扰，有利于教学进程顺利推进和学生对单片机知识的掌握及自信心的培养。 单片机的开发应用需要多方面的知识和技能，Proteus仿真软件的引入，促进了学生对单片机编程和原理电路设计的掌握[7][8]；而电子元器件识别选用、电路板焊接调试、板外系统连接等能力则可在集中实训中进行锻炼。通过具体的任务设计，让学生亲自动手挑选元器件，并在空白PCB上焊接，然后经过调试、编程、外围连接等一系列工作来实现相应的功能，最后教师根据功能的完成情况酌情给分。这一过程，除了增强学生的动手能力之外，还可增加其对整个单片机应用系统和开发流程的认识及掌握，为将来的实际应用打下坚实的基础。 四、虚实结合的教学实例 虚实结合的教学模式涵盖了较为全面的单片机系统知识，下面通过流水灯的控制任务讲解说明。 1.Proteus仿真实例 流水灯的控制是典型的单片机学习实例，它有多种控制要求和实现方法，可包含单片机的通用I/O口操作、键盘操作、定时/计数器、串口、中断等知识，在此以单个流水灯的循环流动控制为例。基于Proteus的课堂教学仿真流程为图1所示。 在讲解完单片机相关知识点后，便可通过Keil软件编写对应功能的C51程序，并编译生产可执行的HEX文件；然后运行Proteus软件并设计对应功能的电路原理图，最后便可向原理图中单片机元件内装载HEX文件，通过仿真运行便可观测任务功能的完成情况，直观明了，可大大提高学生的学习热情。流水灯的C51程序和Proteus仿真效果如图2、3所示。 图4 单片机学习板实训步骤 图2 流水灯程序 图3 流水灯的Proteus仿真结果 2.学习板应用实例 单片机学习板实训步骤如图4所示。通过该过程，可让学生在掌握学习板电路原理和PCB板构成的基础上，了解使用各种常用电子元器件，包括其基本功能、元件封装、引脚分布等。同时学习基本焊接技术并逐步完成整块电路板的焊接工作，待单片机最小系统测试通过以后，便可编写相对完整简单的测试程序来检测成品电路板的各部分功能。此过程可能遇到漏焊、虚焊、次品元器件等各种问题，需要耐心查找。最后根据任务要求编写C51程序并经过反复修改调试，最终取得满意的效果。 基于学习板的流水灯控制程序与Proteus仿真程序完全相同，如图2所示，效果如图5所示。 图5 学习板的流水灯控制 通过应用Proteus仿真软件和制作、调试、使用单片机学习板，学生学到了更加全面的单片机软硬件系统知识，使我院单片机课程教学变得更有针对性、目的性；学生们普遍反映这样的方式非常生动形象，电路的原理非常清晰、运行结果非常明显，学习热情和学习效率都得到了很大提高。同时，老师的教学思路更加有条理，知识的讲授和电路的运行前后呼应，教学效果更好了，教学工作也变得轻松了，得到了事半功倍的效果。 [1]王静霞.单片机基础与应用(C语言版) [M].北京：高等教育出版社，2016. [2]万学春，亓晓彬.单片机原理及应用(C语言版) [M].成都：西南交通大学出版社，2019. [3]刘淑芬.基于Proteus仿真软件的单片机教学模式[J].电子技术与软件工程，2019(3):52. [4]郭宏，胡威.基于学生创新能力培养的单片机课程改革探讨[J].教育教学论坛，2019(6):119-121. [5]丁少玲，肖宇连，李街生.电子类专业单片机课程教学改革[J].机电创新教育，2019(1):112. [6]楼俊君，程启明，黄云峰，赵永熹.PROTEUS仿真软件在单片机课程创新教改中的应用[J].兰州石化职业技术学院学报，2017(1)：64-66. [7]王伟.基于PROTEUS与KEIL C51软件平台的单片机仿真教学[J].电子制作，2015(13):90-91. [8]叶博.项目教学法在单片机实践教学中的应用[J].教学与教育信息化，2019(1)：243-244. [9]谭艳春，朱又敏，刘目磊.基于KeilC51和Proteus花样流水灯系统的设计[J].软件工程，2018(11):14-16. [10]官泳华.单片机实验电路板的安装与调试[J].四川职业技术学院学报，2015(5):158-160. 一、单片机课程改革的必要性单片机又叫微控制器(MCU)，是嵌入式系统的基础核心器件，广泛应用于当今社会生产生活的各个领域，工业测控、仪器仪表、消费电子、通信产品等都有它的身影，是现代控制中不可或缺的工具和手段[1]。《单片机基础与应用》是我院为电气自动化、机电一体化、机电设备维修与管理、城市轨道交通机电设备等专业学生开设的专业必修课，同时也是学生参加大学生科技创新、创新创业、电子设计等相关竞赛的必须课程[2]。单片机的重要性不言而喻，然而当前该课程的教学效果并不理想，很多相关专业高职甚至本科毕业生对单片机的掌握达不到入门水准，更谈不上应用开发。因此，对单片机课程的教学改革势在必行。二、传统单片机教学模式存在的弊端传统的单片机教学为“PPT+板书”的模式，这样会把单片机外围电路、程序代码和运行效果三者隔离开来，无法直观形象地验证电路原理的可行性、程序代码的有效性及运行结果的准确性[3]。在早期甚至出现过课程结束了学生还不认识单片机，不会使用编程软，更没焊接、调试、使用过学习板，教学效果可想而知。近年来，随着科技和社会的不断发展，各种单片机实验箱、学习板大行其道，于是出现了“PC+MCU成品板”的一体化教学模式，此方法只需简单连线后，便可通过编程进行各种验证性实验，能清楚看到运行效果，对学生编程能力的培养有较大作用。但因为学习板电路已经固化，学生不能设计硬件电路(只能编写、调试程序)，所以对其掌握单片机电路原理、认识电子元器件及进行系统焊接调试等帮助不大，无法达到让学生全面动手锻炼的效果[4]。三、Proteus+学习板的虚实结合教学模式为了解决传统单片机教学中的种种问题，我院根据多年教学实践将单片机教学进程分为课堂教学和实训周集中实训两部分，提出了Proteus课堂仿真教学加单片机学习板的焊接、调试、应用等实训的“1+1虚实结合”教学模式。图1 Proteus课堂仿真流程图Proteus仿真软件是英国LABCENTER ELECTRONICS公司开发的一款功能强大的电子设计自动化软件，具有原理图设计、PCB设计等功能，可以进行模拟电路、数字电路及MCU器件混合仿真。其最大特点是可以进行单片机、嵌入式系统的仿真实验，在一定程度上相当于一块万能学习板，非常简单实用、直观形象，这也是其他仿真软件无法比拟的[5][6]。将Proteus引入单片机课堂教学，可以随时设计各种单片机原理电路并进行仿真，这样既有利于教学中的问题说明，又有利于学生进行有针对性的练习，同时避免了硬件问题带来的干扰，有利于教学进程顺利推进和学生对单片机知识的掌握及自信心的培养。单片机的开发应用需要多方面的知识和技能，Proteus仿真软件的引入，促进了学生对单片机编程和原理电路设计的掌握[7][8]；而电子元器件识别选用、电路板焊接调试、板外系统连接等能力则可在集中实训中进行锻炼。通过具体的任务设计，让学生亲自动手挑选元器件，并在空白PCB上焊接，然后经过调试、编程、外围连接等一系列工作来实现相应的功能，最后教师根据功能的完成情况酌情给分。这一过程，除了增强学生的动手能力之外，还可增加其对整个单片机应用系统和开发流程的认识及掌握，为将来的实际应用打下坚实的基础。四、虚实结合的教学实例虚实结合的教学模式涵盖了较为全面的单片机系统知识，下面通过流水灯的控制任务讲解说明。1.Proteus仿真实例流水灯的控制是典型的单片机学习实例，它有多种控制要求和实现方法，可包含单片机的通用I/O口操作、键盘操作、定时/计数器、串口、中断等知识，在此以单个流水灯的循环流动控制为例。基于Proteus的课堂教学仿真流程为图1所示。在讲解完单片机相关知识点后，便可通过Keil软件编写对应功能的C51程序，并编译生产可执行的HEX文件；然后运行Proteus软件并设计对应功能的电路原理图，最后便可向原理图中单片机元件内装载HEX文件，通过仿真运行便可观测任务功能的完成情况，直观明了，可大大提高学生的学习热情。流水灯的C51程序和Proteus仿真效果如图2、3所示。图4 单片机学习板实训步骤图2 流水灯程序图3 流水灯的Proteus仿真结果2.学习板应用实例单片机学习板实训步骤如图4所示。通过该过程，可让学生在掌握学习板电路原理和PCB板构成的基础上，了解使用各种常用电子元器件，包括其基本功能、元件封装、引脚分布等。同时学习基本焊接技术并逐步完成整块电路板的焊接工作，待单片机最小系统测试通过以后，便可编写相对完整简单的测试程序来检测成品电路板的各部分功能。此过程可能遇到漏焊、虚焊、次品元器件等各种问题，需要耐心查找。最后根据任务要求编写C51程序并经过反复修改调试，最终取得满意的效果。基于学习板的流水灯控制程序与Proteus仿真程序完全相同，如图2所示，效果如图5所示。图5 学习板的流水灯控制通过应用Proteus仿真软件和制作、调试、使用单片机学习板，学生学到了更加全面的单片机软硬件系统知识，使我院单片机课程教学变得更有针对性、目的性；学生们普遍反映这样的方式非常生动形象，电路的原理非常清晰、运行结果非常明显，学习热情和学习效率都得到了很大提高。同时，老师的教学思路更加有条理，知识的讲授和电路的运行前后呼应，教学效果更好了，教学工作也变得轻松了，得到了事半功倍的效果。参考文献：[1]王静霞.单片机基础与应用(C语言版) [M].北京：高等教育出版社，2016.[2]万学春，亓晓彬.单片机原理及应用(C语言版) [M].成都：西南交通大学出版社，2019.[3]刘淑芬.基于Proteus仿真软件的单片机教学模式[J].电子技术与软件工程，2019(3):52.[4]郭宏，胡威.基于学生创新能力培养的单片机课程改革探讨[J].教育教学论坛，2019(6):119-121.[5]丁少玲，肖宇连，李街生.电子类专业单片机课程教学改革[J].机电创新教育，2019(1):112.[6]楼俊君，程启明，黄云峰，赵永熹.PROTEUS仿真软件在单片机课程创新教改中的应用[J].兰州石化职业技术学院学报，2017(1)：64-66.[7]王伟.基于PROTEUS与KEIL C51软件平台的单片机仿真教学[J].电子制作，2015(13):90-91.[8]叶博.项目教学法在单片机实践教学中的应用[J].教学与教育信息化，2019(1)：243-244.[9]谭艳春，朱又敏，刘目磊.基于KeilC51和Proteus花样流水灯系统的设计[J].软件工程，2018(11):14-16.[10]官泳华.单片机实验电路板的安装与调试[J].四川职业技术学院学报，2015(5):158-160.

文章来源：《自动化与仪器仪表》 网址: http://www.zdhyyqybzz.cn/qikandaodu/2020/0529/335.html

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