Proteus在单片机教学和科技制作中的应用与实践

随着计算机的高速发展,大量EDA软件被引入电子类专业的课程教学中。例如在电路分析、模拟电子技术和数字电子技术课程中经常把EWB仿真软件引入到教学中以提高教学质量。同样，在单片机的领域里也有功能强大的EDA软件可以作为教学的辅助手段。本文将Proteus仿真软件引入到单片机课程的教学改革中，取得了较好的效果。

1 单片机课程现状

1.1 单片机课程的重要性

单片机课程是自动化、嵌入式等工科专业的一门专业方向课，目的是培养实际动手能力强的高技能型人才。掌握单片机基础知识,具备基本应用技能，才能符合当前社会对自动化、嵌入式专业人才的要求。同时，单片机教学的效果对后续课程的学习和专业技能的掌握也具有重要意义。作为一门应用性极强的课程，教师不仅要在理论课上下功夫，还必须在实验实践课积极做出探索，充分利用身边资源，结合现代计算机技术，提高该课程的教学质量。

1.2 传统单片机教学存在的问题

1.2.1 理论教学存在的问题

由于单片机课程本身比较抽象，所以在教学中必须把教学内容更直观地展示给学生。把实验板或者仿真器引入到课堂上进行演示实验。但采用这种方法往往效果不是很好。一方面教师在课堂上做演示很浪费时间，降低了教学的效率；另一方面小小的实验板和仿真器演示起来很难让所有学生都观察到效果。

1.2.2 实践教学存在的问题

实验课是本课程重要的教学环节，其目的是提高学生的动手能力和分析、解决问题的能力，使学生能熟练应用单片机的集成环境和开发系统，进行单片机应用系统设计，为今后进一步设计与应用单片机打下扎实的基础。以往实践教学通常在单片机实验室进行，学生使用高度集成化的实验箱完成老师布置的实验任务，学生每次实验用到的只是实验箱的固定模块，只要简单地连接几根导线、输入相关程序就能完成该次实验，学生搞不清楚硬件原理及设计步骤，失去了分析问题、解决问题的机会，硬件设计的能力得不到很好提高。因而，对单片机实验课进行教学改革势在必行。

2 Proteus仿真软件介绍

Proteus仿真软件是目前较先进、完整的嵌入式系统设计与仿真平台软件。它可以方便地安装在普通PC机上，与Keil C软件共同构建起个人的单片机虚拟仿真实验室。Proteus内含6 000种模拟和数字器件模型，功能强大，具体如下：(1)用于数字、模拟电路及单片机应用系统等原理图的绘制；(2)对数字、模拟电路及单片机应用系统进行分析与仿真； (3)利用自动布线或人工布线将原理图转换为PCB图。

Proteus软件与其他EDA软件相比,具有革命性的特点：(1)用户可采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型对设计进行交互仿真； (2)仿真处理器及其外围电路，并配合显示及输出，能直观看到运行后输入输出的效果。

3 Proteus在单片机课堂教学中的应用

为了解决单片机课程理论教学中存在的问题，将Proteus仿真软件应用到课堂教学中,利用仿真的形象、生动、实在等特性，对单片机课程理论教学产生积极的影响，是其他教学手段难以替代的。

3.1预先案例设计 现场效果演示

利用Proteus仿真软件预先设计大量的单片机应用实例，课堂上，用Proteus软件向学生演示单片机软硬件设计开发、调试的全过程，并观察硬件的工作和程序执行效果，使学生通过实例对单片机的工作原理、工作过程、工作效果有更多的了解，对提高学生的学习兴趣和学习积极性有非常大的帮助。图1为电子时钟课程实例的仿真及效果演示图。


3.2合理布置作业 拓展学生思维

对理论课中的重点内容，合理地布置作业，让学生利用Proteus来验证作业，不仅可以让学生思维得到扩展，还可让学生的动手能力得到一定的提高。以图1所示的电路为例，要求学生在图1的基础上添加独立键盘K0～K2做输入设备，通过软件编程设计并实现一个可调的电子时钟，要求如下：

(1) K0作为时钟调节的菜单键，第一次按下K0秒钟处闪烁并时钟停止，提示可以调节时间秒；第二次按下分钟处闪烁，提示可以调节时间分；第三次按下时钟处闪烁，提示可以调节时；第四次按下退出调时菜单，时钟开始继续走动；

(2) K1和K2分别是时分秒调节的加减键。只有当菜单键按到相应的时分秒时，才可使用K1和K2来加减调节。图2为调节时间分时的可调电子时钟课程实例的仿真图及效果演示图。


4 Proteus在实践教学中的应用

在实践教学环节中，在以下几个方面进行了教学方法和教学手段的改革。

4.1常规实验 加强理论基础知识的掌握

在实践教学环节中引入Proteus仿真软件，学生可根据实验内容的要求,在Proteus元件库中选择所需要的虚拟元件设计应用电路，这样，学生不仅可以调试自己编写的程序，而且可以形象、直观地看到程序执行效果并且能锻炼硬件电路的设计能力。虽然引入Proteus仿真软件对学生动手能力的提高有一定帮助，但为了尽量避免学生淡化对基本技能训练的重视程度、忽视规范掌握仪器操作等弊端，在实际的教学过程中采用了虚实互补的原则安排教学，仿真完成后要求学生利用实验室中的集成试验箱进行最后的硬件连接与调试。

4.2 增加综合开放性实验 拓展综合思维

为了提高学生独立分析和解决工程实际问题的能力，让学生具备独立开发单片机应用系统的技能，专门开设了单片机综合课程设计，题目由老师推荐或学生自荐。先让学生组队自己设计方案，了解并选用电子元器件，在计算机上进行仿真设计，然后到电子市场购买元器件最后进行硬件设计与调试。使学生了解从选题、调研、制定设计方案、采购元器件、软硬件设计、线路焊接、调试检测等整个设计调试过程，从而进一步提高了学生自主开发和实际动手能力及兴趣。另外，这种先仿真后实物的制作，不仅大大降低了系统开发的周期，而且降低了硬件电路制作的损耗。

4.3科技制作提升创新能力

课程设计、毕业设计、各种竞赛是学生走向就业的重要实践环节。在各种科技制作活动中，学生利用Proteus仿真软件进行仿真实现后，再进行硬件的设计和调试，这样不仅可以避免由于设计上的错误所造成的硬件投入上的浪费,而且可以缩短学生完成大型设计的时间。