Proteus在单片机教学改革中的应用
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）06-0-02
0 引 言
单片机课程是电子、自动化、机电一体化等专业的核心课程之一，是一门理论性与实践性都很强的综合性课程[1]。传统的教学方式是先讲授理论，然后进行实验动手练习，这种方式致使学生对理论知识的理解非常困难，无法与单片机硬件系统联系起来，教学效果比较差。目前我们采用了一种“项目式”教学方法，将理论学习与实践操作结合起来，既激发了学生对这门课的兴趣，又锻炼了学生系统开发的能力，而且教学效果显著提高。
1 传统实验教学缺点
现在大多数学校单片机实验室均采用实验箱进行实验教学[2，3]，虽然方便但也存在一些不足：
（1）实验箱上电路连接是固定的，学生只能进行软件程序的编写，然后烧进单片机进行验证，若不了解电路的连接情况，则设计能力得不到锻炼；
（2）实验箱价格昂贵，对于在校学生来说，由于没有经济来源无法承担购买单片机实验箱的费用，因此只能依靠学校的实验室，这样就造成了学生一旦离开实验室就无法进行实验练习的状况，仅仅依靠实验课做实验显然不能满足学生的学习要求；
（3）单片机型号非常多，教学一般都学习51系列的单片机，而单片机实验箱不可能支持所有种类的单片机，况且我们自己设计的电路并不能与实验箱上的外围电路一一对应，导致实验箱不支持单片机型号，或实验箱上的外围电路不是我们所需要的；
（4）在讲授理论知识时，有时教师需要向学生进行教学演示，实验箱不能够随身携带，这为教学带来诸多不便。为了改变这种状况，将理论知识与实验实践相结合，可以采用虚拟实验的方式。
2 Proteus虚拟实验室
Proteus[4]是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件，具有对单片机及外围电路组成的系统交互仿真功能。可以支持多种型号的单片机仿真，如51系列、PIC系列、AVR系列等，而且能够进行电路分析，如模拟分析、数字分析、频率分析等；提供了多种虚拟仪器，如示波器、信号发生器、电压表、电流表等；能够进行原理图设计与PCB板设计等。在计算机上安装Proteus电子仿真软件和集成开发环境Keil，就相当于一个设备先进、功能完善的虚拟实验室。利用Proteus仿真单片机系统程序运行，可以很直观地观察单片机外围电路的变化，在使用时更接近实际操作，而且节省了制作实际电路板的过程，能够让学生更容易地掌握单片机系统的设计方法；让学生可以根据系统要求对电路进行自主设计，克服了实验箱电路连接固定的弊端，进行设计性与综合性实验，使学生的设计能力与创新能力得到锻炼；另外，实验设备[5]在教学过程中不断损耗，维护成本较高，而在Proteus仿真环境下，可以灵活、高效地修改仿真电路的设计，没有元器件的损耗，实现教学零成本，这些在传统的单片机实践教学中是无法实现的。
3 项目式教学方法
单片机项目式教学[6，7]重点培养学生的专业技能，以项目的开发步骤作为讲课顺序，在项目中讲授涉及到的理论知识和实践技能，比如原理图的设计、PCB板的设计、产品装配、代码编写、产品调试、产品检测等，引导学生在完成项目的过程中学习。通过使用Proteus和Keil软件，学生的硬件设计能力与软件编程能力同时得到提高，锻炼了学生的动手能力和解决问题的能力。利用Proteus进行项目式教学主要为以下几步：
（1）利用Proteus进行单片机硬件系统设计；
（2）利用Keil软件编写系统程序，编译调试，生成hex文件；
（3）将hex文件加载到单片机系统，仿真观察系统运行情况。
4 Proteus仿真项目教学实例
下面以“流水灯设计”实验项目为例，介绍如何利用Proteus软件实现电路的硬件设计、软件调试与系统仿真，实现单片机对电路的控制要求。该实例的要求为单片机控制8个LED灯依次点亮，每个LED灯点亮1 s，反复进行，循环不止。
4.1 硬件设计
该实例电路由AT89C52单片机、8个LED灯、时钟电路、复位电路等组成，在Proteus ISIS中绘制原理图时，复位电路与时钟电路可以省略。电路原理图如图1所示。
4.2 软件设计
系统控制软件采用模块化的程序设计思想，系统程序在Keil C 环境下进行编译调试，其程序控制流程图如图2所示。
4.3 系统仿真与调试
按照上述流程图写好程序后，在Keil开发环境中完成软件调试，确定没有逻辑错误后，把产生的hex文件加载到单片机中，点击Proteus的运行键即可判断程序是否正常。运行结果如图3所示。
验证结果无误后，就可以按照仿真电路的连接方式进行硬件电路的焊接工作，实验结果表明，实际制作出来的硬件电路功能与仿真电路几乎没有什么区别。
5 结 语
在单片机项目式教学中采用Proteus仿真，使理论教学与实验实践操作相结合，大大提升了学生的学习热情，培养了学生的自学能力、创新能力和实践操作能力，同时对于学生理解单片机原理与设计的流程有很大的帮助。有效解决了学生理论与实践脱离、动手能力不足的问题，同时项目环境与实际工程系统接近，有利于培养学生单片机系统实际开发的能力，明显提高了单片机的教学效率与质量。
