利用proteus仿真平台提高机械类学生单片机应用能力

张鹏　王琪　袁明新

摘 要 对于技术应用型大学的机类学生来说，由于电类的实践环节普遍相对较少，因而大多数机类学生在单片机应用方面存在着一定的不足，如何帮助这些学生利用较少学时提高单片机应用能力，培养机类学生的综合工程素养，对于技术应用型大学的教学改革研究具有重要的意义。为此，通过探索利用电子仿真平台proteus作为辅助教学软件，引导学生动手实践单片机的软硬件系统设计，提高了教学质量，对推动人才培养具有借鉴意义。

关键词 proteus仿真平台 机械类学生 单片机 应用

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2015.05.012

Use Proteus Simulation Platform to Improve Mechanical

Students' Microcontroller Application Ability

ZHANG Peng， WANG Qi， YUAN Mingxin

（Jiangsu University of Science and Technology， Suzhou Institute of Technology， Zhangjiagang， Jiangsu 215600）

Abstract As for students majored in mechanics at technology application model college， since practice regarding electronic is relatively less， their ability in the application of single chip microcomputer often falls short. Therefore， it is of vital importance for the study of teaching and study reform in vocational colleges to help their students improve their application ability of single chip microcomputer within shorter time and cultivate their comprehensive engineering accomplishment. As a result， it will help improve teaching and study quality and push forward the cultivation of professional talents to guide the students to take part in the hardware and software system design of single ship microcomputer by means of exploring taking electronic simulation platform Proteus as a teaching auxiliary software.

Key words simulation platform; mechanics-majored students; single chip microcomputer; practice

0 引言

随着目前机械行业的不断发展，许多产品已由过去的纯机械设计向机电一体化过渡，因而对高校学生在单片机方面的培养提出了更高的要求。相较于偏电类的学生，由于机类教学大纲里电类实践环节相对较少，因此如何帮助机类学生通过较少的教学课时真正掌握单片机这一常用工具的开发流程就成为技术应用型大学的教学改革方面一个非常有意义的研究。①②事实上，在前期调研中我们发现，虽然有过单片机课内实验等教学环节，但是许多机类学生对于电路板的布线、元器件的封装等单片机开发中容易涉及到的一些基本概念往往是一无所知，而软硬件设计更令学生感到畏惧。为了解决机类学生这些工程素养方面的不足，我校特地在教学计划中针对机类学生开设基于proteus仿真平台③的单片机运用选修环节，让学生有机会从运用中学习，体会到电控单元设计的基本概念，弥补了相关方面的缺乏，从而帮助其提高了运用单片机的信心和能力。这些教改措施的实施效果证明，它可以纠正了机类学生对单片机的陌生感，提升了学生的综合工程素质，对于探索新形势下应用型本科高校教学模式具有一定的借鉴意义。

1 机制类学生在运用单片机方面的不足

目前机类学生在经过单片机理论教学、实验环节后，往往再没有更多的机会接触单片机。而事实上随着机电一体化等技术的不断发展，目前仅靠机类学生现有的知识结构已不能适应社会的发展。形成这种情况的原因主要在于这么几个方面：

（1）机械类学生接触电子系统机会少，一些基本概念不具备;就我校调研的情况而言，机类学生很少见到电路板等实物，虽然前序课程讲授过基本理论，但许多实际设计中会用到的知识没有提及，这样综合起来导致许多知识只是停留在做题上面，而一些相应的实验，如单片机实验，往往都是在现成的实验环境下实施，而对于芯片封装等基本知识学生并没有机会了解，这导致了学生对实际电控系统感到陌生。

（2）机械类学生几乎没有自行设计过单片机系统，因此实际工作时往往不知如何上手;由于通常单片机课程所讲授的内容是将单片机各个部分分开讲授，这导致学生在印象中还无法将单片机作为一个整体进行设计考虑。事实上，在我们前期所做的调查中发现，我校大部分机械专业的学生对单片机的最小系统都没有概念，甚至许多学生在要求设计一个单片机系统时连电源都不知道如何处理，可见他们对单片机还不具备一个整体应用的概念。

（3）机械类学生对硬件编程不熟悉，使得其在应用时具备畏难情绪;对于本校机械类学生而言，除去进入实验室做过项目的以外，大部分学生对于在单片机上写程序普遍有畏难情绪，而事实上随着目前IT产业的不断发展，工程师必须具备基本的硬件编程能力。但目前的培养模式使得机械类的学生对于编程来控制芯片工作感到困惑，因此对于如何将自己的设计思路变成可以让硬件工作的程序有着不小的畏难情绪。

2 利用proteus在较短学时内提高机类学生单片机应用能力的教改实施

为了解决以上问题，提高我校机械类学生在单片机应用方面的知识技能，满足现代高等教育对社会需求的要求，我们开设了相应的选修教学环节，通过引入proteus电子仿真环境来搭建教学实践平台，让学生能在较短学时内完成一个电控系统的模拟开发，使其在较短综合应用电子、控制、单片机等多学科知识，提高其综合工程实践能力。为了达到循序渐进的实践效果，我们以易于入手的设计方案对机械类学生进行培训，使其对单片机的应用进行了有效的提高。其具体的教学改革内容主要体现在以下几个方面：

（1）改变过去机类学生教学中不注重硬件电路实现的问题，利用proteus平台的电路仿真功能提高学生对电路的认识;过去机械类学生对电路只停留在书本知识，缺乏实践经验，因此在使用单片机时往往不知在哪些情况下采用哪些电路。为了在较短学时内帮助学生积累这方面的经验，采用proteus平台设计了MOS管驱动电路设计、晶体管放大电路设计等实践内容，要求学生比较不同参数设计、不同实现方案对系统输出的影响，通过这样的实践，学生基本上熟悉了一些相关的术语、完善了相关的知识、同时又适合机械类学生快速上手，避免了具体电路实践中费时费力的问题，以较为容易的方案帮助学生了解了单片机设计中一些电路实现的基本方法，为下一阶段单片机硬件系统设计打下基础。

（2）在上一阶段实践基础上，进一步布置学生完成相应的单片机最小系统的设计并完成pcb板设计。由于在教改初期经验发现，机械类学生往往对单片机整体缺乏统一的认识，甚至出现在硬件设计中只顾着完成所要求的功能内容，却连基本的电源都不接的现象。为了让机械类学生真正体会到一个单片机系统是如何工作的，要求其完成一个完整的硬件系统设计。同时发现机械类学生由于很少有电路板方面的经验，因此进一步要求他们实现硬件的PCB板布置，从而学生能体会到不同封装格式，走线的基本要求等这些往往在单片机课程中容易忽略的东西，提高了学生真正使用单片机的能力。得益于proteus软件综合性能，使得学生能在一个平台上快速学习相关技能。

（3）改变过去只注重一段程序的教学模式，布置学生完成整套软件编程的工作，包括控制策略的考虑。如前所述，机械类学生在硬件编程方面往往有种畏难情绪，经调查发现这是由于学生学习中往往只讲授一段程序，而对整个软件框架没有概念。为了让机械类学生在短时间内了解到实际工程中对软硬件的处理方法，利用proteus易于实施的特点，要求学生分组设计一整套的控制系统，并要求实现一定的控制算法，如PID控制策略等。通过一组学生拿到这样一种综合训练的题目，自己去查找相关芯片的使用手册，以点带面，帮助学生在较短时间内快速掌握电控单元开发的基本流程，使其建立使用单片机的信心。这时我们往往要求每个学生都要针对单片机中某一个功能模块熟练编程，能根据教师提出的不同要求一一都能实现，以及对同一种要求利用不同的实现方式实现等，在熟练后，再自行学习其他功能模块的编程实现。由于proteus能方便仿真多种单片机，因此学生很容易将以往所学知识在模拟工程中运用，通过仿真中出现的错误修正以往一些错误的理解，从而达到在短时间内掌握单片机基本开发方法。

经过三届学生的教学实践发现，基本上消除了机械学院学生对单片机开发感到无从下手的现象，一些学生由此产生了兴趣，主动找到一些相关芯片的文档学习，然后在proteus平台中实现新的功能，并兴奋地将结果告知老师，可见该方案具有一定的效果。此外在毕业设计中也发现，经过这样的教学活动，一些学生虽然原来单片机的成绩不理想，但是在毕业设计中已能够较为熟练地采用单片机来完成设计题目，相信他们在这样的教改实践中获得了益处。

3 结论

为了适应由于当前科技不断进步而对机械类学生在掌握单片机应用方面提出更高要求的现状，我们利用proteus这一方便的电子仿真平台按照以上的教学模式在机械类学生中展开单片机实践教学。通过循序渐进的培训方式，帮助学生在较短的学时内提高单片机的使用技能，并为以后进一步深入学习提供了基础。实践效果表明这些措施能有效解决当前机类学生在学习单片机方面的主要困难，可以在短时间内提高相应的工程素养。当然，我们也深知对于如何提高机械类专业学生利用单片机的技能还有许多需要进一步探索的地方，如：如何设计更具有实际工程意义的实践培训内容来提供给学生训练、如何结合机械装置进行仿真等。④相信通过不断的改进和完善，这样的教学实践能为应用型大学机械类学生提供一个快速提高单片机学习效果的有益探索。

基金项目：苏州理工学院教改课题专项建设经费（123 021024）

注释

① 郭冰菁，赵书尚，韩建海.机械类专业单片机课程教学改革与学生工程素质培养[J].中国现代教育装备，2012（19）.

② 覃金昌.高职高专机械类单片机教学改革的几点思考[J].科技信息，2010（11）.

③ 陈朝元，鲁五一.Proteus软件在自动控制系统仿真中的应用[J].系统仿真学报，2008.20（2）.

④ 周灵彬，匡载华，张靖武.基于Proteus的电子产品仿真设计[J].电子技术应用，2010（9）.