摘要：单片机技术的发展日新月异，但在教学中由于受实验器材和实验学时的限制，学生难以得到足够的实践动手机会，教学实践效果很不理想。因此在本校教学中将近年来国际上热门的单片机仿真软件Proteus与单片机内容紧密衔接，使单片机的抽象概念直观化，编程效果可视化，值得在本校实践教学中推广。
关键词：单片机教学 仿真 Proteus
中图分类号：TP368.1-4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0117-02
单片机技术广泛地应用于工业控制、智能仪器仪表等各个领域。是电子信息与电气类专业学生必须掌握的一门专业基础课。教学遵循学生职业能力培养的基本规律，普遍采用以“学生为中心，突出能力本位”的方式，以真实工作任务及其工作过程为载体，但在在传统教学中，单片机实验实训环节在具体实施过程中，总会由于诸多硬件方面的问题而使案例项目无法实现，从而影响教学效果。
本文采用单片机硬件仿真软件“Proteus”作为案例实施的主要载体，它以其特有的虚拟仿真技术很好地解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿真问题，实现了从产品概念到设计完成全过程训练，克服了传统单片机系统设计中没有物理原型就无法对系统进行测试、没有系统硬件就很难对软件进行调试的不足。单片机实践教学的实施在普通的微机室就可以实现，使学生迅速高效地投入到单片机技术应用实践中去，有效地降低了学习难度。
1、教学过程的设计
单片机教学打破了传统教材的章节划分学科体系结构，采用了有利于学习者动手实践的项目模块结构，共有7个模块，分为16个项目44个项目工作任务，涉及单片机基础知识、单片机开发工具、单片机基本结构、定时/计数器、中断系统、串口通信、基本的接口技术等学习内容，以及相应的C语言程序设计。
本文通过数模转换芯片DAC0832及其接口设计的教学项目：使用目前最流行的单片机可视化仿真开发工具Proteus，对比传统方法，让学生了解一个单片机系统设计的全过程，使学生对单片机系统的开发和利用实现从抽象到感性的飞跃。
1.1 教学优势
学习单片机，实践是基础。不断地取得成功与突破，是学习者前进的强劲动力。成功与突破的成就感来自于实践。单片机技术的实践主要体现在三个方面：亲自动手进行程序设计、通过软件仿真验证与改进程序设计，以及在实际电路中实现单片机技术的现实应用。在传统教学中，实践环节我院目前普遍采用“实验箱”。在观察中不难发现，学生在做实验时必须按照实验箱的固定配置，做简单的连线，没有一个整体的电气原理图概念，最终还是不会设计电路，甚至读不懂基本的电气原理图，而实验仪器的准备、清理又要占用一部分时间，仿真板因使用频率过高，还经常出现故障，有些同学可能在有限的时间里还来不及完成教学内容，只得草草收工。
由于Proteus是纯软件环境，我们只需给学生开放公共的计算机机房就可以，这样降低了实验室开放和管理的成本。在实验具体实施中，我们要求学生首先在Proteus软件中自己搭建电路，编写程序，将整个系统首先在Proteus软件环境中实现，并调试通过，然后利用我们的模块化硬件实验板去下载程序，观察硬件的运行结果并和软件环境的仿真结果做比较，这样做的好处是学生不再是做简单的验证性实验，而是一个实验的设计者，或者是一个产品或者小系统的设计者，这种流程非常好地培养了学生的工程素养，加强了学生读图和识图能力，提高了学生的动手能力。再有，有些学生在课上根本完成不了实验，还有一些同学已完成实验，但需要在实验基础上改进和提高，这些借助于Proteus软件在课下也很容易实现。
1.2 教学实施
数模转换芯片DAC0832及其接口设计与单片机不同应用系统的开发过程基本相似，其一般步骤可以分为需求分析，总体方案设计、硬件设计与凋试、软件设计与调试、系统功能调试与性能测试等。
2、总体方案设计
2.1 与硬件搭建
单片机课程的开设通常是在大二下学期，此时的学生已具备一定基础，学过数模电，进行过电工电子的综合实训，具备最基本的读图识图能力，元器件组装焊接能力。因此，我们在课前就将任务布置给学生，让学生利用proteus软件自己搭建电路，用 DAC0832输出呈渐升骤降的电压锯齿波，传统教学中要达到很好的教学效果，实验室必须配备示波器等设备，需要大量的教学投入。
但现在学生在宿舍或图书馆利用电脑就可以很方便地搭建电路，观察效果，硬件连接见图1所示，这种流程非常好地培养了学生的工程素养，把课余时间充分的利用起来，使学生开始学会思考，慢慢的进入状态。
2.2 设计与调试
（1）硬件、软件设计、系统功能仿真调试。在PC机上仿真成功后，见图2，克服了在传统教学中采用绘制原理图-制板-焊接电路板-调试电路板-编写控制程序-在电路板上下载调试程序的设计方法存在设计周期长、成本高的问题，因为学生有了提前的预习，就可以和软件环境的仿真结果做比较，能够做到学习内容明确，思路清晰，软硬件理解透彻，既保证了实验的质量和数量，又减少了实验箱的损耗和实验经费的投入。由于仿真实验可以不受课堂学时的限制，不怕实验仪器损坏，学生会有更多的训练机会，有利于加深抽象概念的理解，掌握难度较大的编程和电路设计技能，收到事半功倍的效果，教师启发学生在完成课堂教学任务的同时，做进一步的拓展，如需要的是渐降骤升的三角波、倒三角波，以至梯形波、不同占空比的矩形波，甚至组合波形，都可仿照上例稍加变化，一一编程生成，这些都有助于培养学生的创新思维能力。
（2）实物制作（有时间和条件的前提下，作为提高部分）。学生按照Proteus仿真通过后，可以在课后再查阅元器件参数，选购元器件，用面包板（实验PCB或教学实验板）进行制作，完成电路组装与检测，确保电路连接正确，焊接工艺达标。进行程序烧录与调试，只要安装正确、元器件无误，焊接牢靠，基本都能顺利通过。可见Proteus提供的完整的虚拟实验室增强学生的感性认识，对教学内容的结果进行了实验演示和验证，不仅符合直观性的原则，而且培养了学生的观察、分析与解决问题的能力，体现“教、学、做”的思想，符合当前工学结合的理念与思路。
3、结语
随着仿真技术和计算机的普及，将Proteus引入单片机教学，在目前经费非常紧张的情况下解决了单片机实验室硬件投资成本相对较高的问题，同时降低对硬件设备进行维护的工作量。使实践教学的节能降耗成为可能，我们认为采用这样的方案有以下优势：
（1）有利于促进课程和教学改革，更有利于人才的培养；从经济性、可移植性、可推广性角度讲，利用仿真系统，能节约研发时间和研发成本，因为可以通过改变元器件参数使整个电路性能达到最优化。这样就无须多次购买元器件及制作印刷电路板，节省了设计时间与经费，提高了设计效率与质量，具有非常大的灵活性和可扩展性；也是我院提升实验室建设水平有益的尝试。
（2）有利于学生自学能力的培养，学生以项目为中心，有明确的任务，在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果，对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象，并有利于指导学生利用仿真平台，通过各种参考资料、教材、文献，对教学内容进行拓展和延伸，实现知识和技能的迁移，学会自主学习，而且虚拟实验环境支持的仿真器件比较全面，且可以不断更新。学生普遍感觉在Proteus软件平台上学习单片机知识，比以往单纯学习书本知识更易于接受，以原理图虚拟模型进行程序仿真调试，更易于提高单片机编程能力，还可以通过绘制和修改原理电路图增加很多实践经验。
（3）仿真与动手实践不能隔离，必须相铺相成。需要注意的是，仿真不能完全代替实物，在实际应用中会遇到很多新的问题，我们不可能抛弃已有的教学模式和实验手段而仅仅依靠虚拟的实验环境。单片机应用以实践为基础，而真实性是实践的灵魂所在，要培养学生求真、求实的科学精神和熟练的实验技能，还必须反璞归真，仿真只有与动手相铺相成，才能使我们的学生学会观察、学会严谨、学会分析、学会动手、学会合作。
参考文献
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