张琳芳

(三明职业技术学院机械电子系，福建三明365000)

单片机原理及应用课程作为必修或选修课程已在很多工科院校开设，这门课程是一门实践性、应用性和逻辑性极强的课程，所以传统的教学模式必然满足不了现实的需求.Proteus是一款性能优越的单片机应用开发平台，是单片机原理及应用课程教学改革的有力助手.因此，基于Proteus技术的研究将为单片机教学改革提供新的思路和方向，具有重要的指导作用.

1 传统单片机教学方式存在的问题

1.1 理论教学缺乏系统性

很多院校的单片机教学安排以理论为主，按照教材上的顺序，先讲单片机内部结构，再讲指令系统及编程，最后是外部扩展技术及应用.这种教学方式虽然面面俱到，但缺乏系统性，“教师中心、学生被动”的局面没有改变，会直接影响教学效果.

1.2 实验教学缺乏创新性

在办学经费的制约下，大多数单片机实验室采用电路结构固化的单片机实验箱.这种类型的实验设备成本高、消耗大且存在设备功能单一、扩展性能差、元件容易损坏、重复利用率低等问题，不利于学生使用和实验室的日常管理与维护.并且，实践教学的内容只能停留在演示性及验证性实验的层次上，基本是要求学生按照实验指导书在实验箱上进行简单的导线连接，通过电脑把相应的范例程序下载到实验箱，然后观察实验现象［1］.学生在这一过程中不仅不能充分了解硬件电路的实际连接情况，也没有自行编写控制程序，更谈不上参与工作案例的设计.这样的实验就变成了另一种形式的理论，导致理论知识、实际应用与技能培养三者无法统一.

1.3 理论与实验缺乏联系性

大多数院校的理论教室和实验教室是分开的，所以教师只能将理论教学与实验教学分时分段进行，先理论后实验，先原理后设计.这样对单片机软硬件结合的系统设计方法强调不够，使学生在构建实际的单片机应用系统时缺少系统化的思路，甚至在理论教学没有结束时有些学生就已经放弃了这门学科.基于上述教学现状的分析，单片机课程的教学改革势在必行.

2 项目式教学法

根据专业人才培养目标，结合知识体系，采用循序渐进、层层深入的方法，确定三个阶段的项目式教学任务，如表1所示.第一阶段——基础知识，该阶段重在掌握单片机的硬件结构、软件编写流程和调试技能;第二阶段——能力进阶，该阶段精选单一性项目，着重掌握单片机的I/O口、中断、定时、串行、按键扫描等主要功能，熟悉相应程序的编写和外围接口的电路控制与调试方法;第三阶段——应用开发，该阶段以设计性、综合性项目为主，要求灵活运用单片机知识，以小组的形式完成项目的硬件设计和软件开发［2］.三个阶段的教学均应用Keil和Proteus软件进行联调仿真，为基于Proteus技术的单片机教学改革提供了对象并奠定了基础.

表1 项目式教学任务Tab.1 Project-based teaching tasks

项目教学法下的单片机授课打破了传统章节的安排，按照项目的需求，以“必需、够用”为原则，循序渐进地将知识点分解到每一个具有明确教学目标的项目中.教师也不再是填鸭式的教学，而是真正发挥教师主导、学生主体的作用，围绕具体项目以模块化组织教学，引导学生边学边做、边做边学，融“教、学、做”为一体，实现知识、项目和技能的良好融合.

3 Proteus技术对单片机教学改革的重要作用

3.1 Proteus技术改进理论教学

在单片机理论教学中，教师可以利用Proteus和Keil仿真软件将预先开发和设计好的教学案例在课堂上演示，以增加教学的直观性和生动性并提高学生学习的积极性.更重要的是，在项目教学法的基础上把项目所包含的理论知识现学现用，借助Proteus和Keil仿真软件完成单片机软硬件设计、执行及调试的全过程.

以数码管电子钟的项目为例，见图1［3］.首先，明确该项目的目标及控制要求，学习单片机外围接口、数码管和控制芯片74LS245等相关知识，在Proteus软件中完成硬件仿真电路设计;其次，学习与该项目相关的定时、静态显示及动态显示等单片机知识，明确程序的设计思路，绘制程序流程图，并在Keil软件中进行源程序的编写、编译和调试;最后，用Keil和Proteus软件联合仿真、调试，不断地修正源程序，直到达到本项目的目标为止.这一教学过程一方面很好地利用了Proteus色点显示芯片管脚状态功能，突破了数码管位选、段选的区分这一教学难点;另一方面也让学生真实地参与到了单片机项目的开发流程中，对理论知识有了更深刻的理解，对单片机技能也有了更显著的提高.

图1 数码管电子钟的仿真演示Fig.1 Nixietube electronic clock simulation demo

3.2 Proteus技术改进实验教学

Proteus仿真软件是英国Labcenter公司开发的一种性能极强的单片机应用开发平台，它涵盖了AVR，ARM，PIC，MCS8051等微处理器模型以及多种常用的电子元器件，包括74系列、CMOS 4000系列集成电路、AD和DA转换器、键盘、LCD显示器等，还提供了示波器、逻辑分析仪、通信终端、电压表、电流表等各种虚拟仪表［4］.

基于Proteus软件的优势和特点，在实验环节中，教师要使实验进度与理论教学进度同步，根据学生层次精选实验课题并提供参考方案.学生以小组的形式，利用Proteus软件自行设计硬件电路图并独立完成软件编程，最后实现软硬件同步仿真调试.在这一实验过程中，软件与硬件的结合、编程与调试的统一、过程和结果的体现，使学生不仅掌握了单片机硬件电路的设计方法，也锻炼了C语言编程技能，使教学的重点和难点逐一突破，助于课程整体知识的系统化.采用Proteus仿真软件的实验教学方法，一方面克服了传统实验教学中硬件电路固定、实验内容单一、学生无法设计等方面的局限性，改变了单片机实验以验证性为主的状况;另一方面，也克服了因操作不当造成的元器件和仪器仪表损毁的情况，大大减少了硬件的投入，具有明显的经济优势.

4 基于Proteus技术的单片机教学案例

4.1 案例描述

通过观察交通灯的控制规律，在Proteus虚拟仿真平台上实现用单片机及外围相关硬件来模拟交通灯的工作状态.本案例综合应用单片机I/O和定时技术，掌握Proteus硬件设计、软件仿真及联调技术.

4.2 案例实施

4.2.1 硬件设计

硬件电路由AT89C51单片机、晶振电路、复位电路、8个共阴数码管和若干发光二极管组成.数码管的控制由P1和P2口完成，发光二极管的控制由P3口完成.启动Proteus ISIS 7 Professional，教师一边分析电路设计原理，一边在器件中选择所需元件，合理布局并绘制出电路图.

4.2.2 软件设计

根据控制要求，结合电路图，利用Keil软件建立项目，教师现场绘制程序流程图，编写软件程序，完成编译、修改、调试后生成Hex文件，主程序流程如图2所示［5］.

4.2.3 调试与仿真

运行Proteus软件，双击AT89C51单片机芯片，在弹出的对话框中添加Hex文件.点击运行按钮，进入虚拟仿真状态，观察实验结果并比照控制要求，不断修改并完善程序.

5 结束语

提出了一种基于Proteus技术的单片机教学改革方案.实践证明，Proteus软件在单片机理论与实验教学中的应用不但有利于学生对单片机知识的消化与吸收，而且有利于教师教学效率与教学质量的提高，为单片机的教学改革提供了可靠借鉴.

图2 模拟交通灯主程序流程Fig.2 Traffic light main program flowchart

［1］王明娟.单片机教学改革与研究——以钦州学院为例［J］.钦州学院学报，2011，26(3):54-56.

［2］宋跃，余炽业，胡胜.省级精品单片机课程教学改革探索［J］.实验室研究与探索，2012，31(4):125-127.

［3］刘心红，郭福田，孙振兴.Proteus仿真技术在单片机教学中的应用［J］.实验技术与管理，2007，24(3):96-98.

［4］周润景.基于 Proteus的电路及单片机系统设计与仿真［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.

［5］许超，吴新杰，张丹.基于Proteus和Keil的单片机课程教学改革［J］.辽宁大学学报，2011，38(1):28-30.