电类专业多课程仿真的ARCS分析及综合应用

高 林，徐 建，朱 黎

（湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施 445000）

电类专业多课程仿真的ARCS分析及综合应用

高 林，徐 建，朱 黎

（湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施 445000）

用ARCS动机设计理论，从注意、切身性、自信心和满足感这4个维度分析了电类专业多课程仿真的必要性。通过完成8086和AT89C55经由RS－232串行总线同步数字时钟和温度显示这一综合仿真应用实例，对电路原理、程序设计到仿真结果进行分析，表明在这些课程中引入Proteus仿真，确实能够激发学生的学习动力，有助于提高学生的实践动手能力。

多课程综合仿真；ARCS理论；Proteus软件

近年来，计算机仿真技术的飞速发展，并在“模拟电路”、“数字电路”、“微机原理”和“单片机原理”等课程的实验教学中得到了广泛的应用［1－6］。电类课程的仿真软件非常多，其中Proteus是一款包含大量系统资源和丰富的硬件接口电路、具有强大调试功能和软硬件相结合的仿真系统［7－8］。其强大的设计与仿真功能被广泛应用在数字电路、模拟电路、单片机、嵌入式系统等多门课程的教学和实验中［9］。2009年推出的VSM for 8086平台及Proteus 7．5SP3软件，支持8086微处理器与8255A、8253、8259A、8251A等接口芯片的系统仿真［10］。在电类专业多门课程中引入Proteus软件进行仿真，能够提升教学效果，激发学生的学习兴趣。本文通过ARCS动机设计理论，分析仿真实验教学是如何在电类实验教学中发挥作用的，以使仿真实验教学更好地服务于电类实验教学，提高教学效果。

1 ARCS理论分析

ARCS（attention，relevance，confidence，satisfaction，即：注意、切身性、自信心、满足感）动机设计理论是美国心理学教授凯勒提出的。该理论认为：可以从以上4个方面激发和维持学生的学习动机［11］。该理论较为系统、全面地阐述了每种动机的激发途径和动机策略［12］。

在电类专业“模拟电路”、“数字电路”、“微机原理”和“单片机原理”等多门课程的传统教学中存在概念抽象难懂、学生缺乏兴趣、学习效果较差等问题。究其原因，主要是在课堂教学中长期侧重知识单向流动、忽视学生的主观意识和内在需要［13］。而在这4门课程中引入Proteus软件辅助教学以后，能够提升理论课和实验课的教学效果，既能培养学生分析和设计各种模拟电路、数字电路和系统控制电路的能力，又培养了学生编写和调试程序的能力。从ARCS理论的4个维度可以说明产生这种变化的原因。

（1）注意。Proteus软件在进行各种电路和程序仿真时，具有与现实一致而且多变的效果，比单纯的图片或文字更能唤起学生的兴趣和求知欲，更能引起学生的注意，进而引导他们的自主探究学习。

（2）切身性。Proteus软件能够用来分析和设计电路、检验程序的正确性，能够帮助学生运用一门或者多门课程的知识去解决学习中的实际问题，使学生在学了相关课程后就能进行实践，使知识掌握得更加扎实。

（3）自信心。在理论课和实验课教学中设计一些不同难度的Proteus仿真实验，不同知识水平的学生通过努力和适度的挑战都能获得成功，从而收获自信心［14］。

（4）满足感。Proteus软件给学生提供了模拟真实的学习平台，让他们能够充分运用课程中所学知识，得到学习成果与期望的一致，从心理上的得到满足。另外，教师还能够利用这一平台检验学生的学习情况，对学生的努力和成果给予表扬和鼓励，让学生体会到成功的喜悦和满足。

2 综合仿真的ARCS分析实例

AT89C55单片机和8086微处理器通过RS－232串行总线同步各自的数字时钟和温度显示，是一个多课程综合应用的实例。该仿真实验要求测温范围－50℃～＋110℃，误差小于0．5℃。该实验综合应用了模拟电路、数字电路、微机原理和单片机原理等多门课程所学知识，具有代表性。

2．1 电路原理

该实验电路由两部分组成：一是以8086最小模式系统为核心的微机控制电路，二是以AT89C55为核心的单片机控制电路，其电路原理如图1所示。

图1 电路原理图

8086核心电路的外围包括5路接口电路：

第一路通过并口扩展芯片8255A连接数码管显示译码器74LS48，用以控制6个共阴极数码管静态显示时间值；

第二路通过1个74LS273段码锁存器和1个74LS273位码锁存器连接数码管显示驱动器来控制4个共阴极数码管动态显示温度值；

第三路通过串口扩展芯片8251A实现串行通信，经由RS－232总线COM3连接到单片机控制电路；

第四路分别通过计数器／定时器8253的通道1，将时钟源产生的1．843 2MHz的时钟信号变成153．6 kHz的方波信号送至8251A，从而使8251A串行通信波特率为9 600bit／s；通过通道2将NE555产生的36 Hz矩形波变成1Hz方波信号输出，控制数码管的时、分和分、秒之间的小数点每秒钟闪亮一次；

第五路通过74LS138译码器产生8251A、8253、8255A和2个74LS273芯片的片选信号。

AT89C55核心芯片外围包括6个电路模块：（1）按键复位模块能够实现单片机上电或运行过程中的按键复位；（2）1602液晶显示器模块的第一行显示年、月、日和星期，第二行显示时、分、秒和温度；（3）RS－232总线COM4模块负责与微机控制电路进行串行通信，通信波特率为9 600bit／s；（4）温度信号采集模块由PT100热敏电阻及放大电路和ADC0804电路两部分组成，负责将PT100通过恒流源电路产生的电压信号送入LM324运算放大器进行放大，再通过ADC0804转换成8位二进制数送入单片机；（5）DS12C887时钟模块能够与单片机交换年、月、日、星期、时、分、秒这7个时间值；（6）独立式键盘包括3个按键，分别实现功能切换（按下第一次到第七次分别调整七个时间值，第八次完成调整）、加1和减1功能。

2．2 程序设计

8086主程序和AT89C55主函数流程如图2所示。8086主程序在初始化相关芯片以后的控制重点是通过8251A以查询方式顺序接收来自单片机的7个数值，其中前3个是当前时间值（时、分、秒），分别从8255A的PA、PB和PC口输出，后4个是当前温度值（负号／百位、十位、个位、十分位），送至段码锁存器进行显示。AT89C55主函数在完成初始化之后，首先读取A／D转换数值并进行处理，并转换成实际温度值，然后扫描按键。当功能切换键没有按下时为正常工作状态，此时读取DS12C887时钟芯片中7个时间值并送1602液晶显示。将当前时间值和温度值从串口输出的任务由定时器T0中断服务函数完成。

2．3 仿真结果

由于该实例电路比较复杂，所以在Proteus软件中将电路原理图分成微机控制电路和单片机控制电路两部分。在Masm for Windows集成实验环境软件中进行汇编程序的编写和编译，并将生成的EXE文件装

图2 主程序和主函数流程图

载到8086微处理器的内部RAM中［15］。在Keil uVision4软件中进行单片机C51程序的编写和编译，并将生成的HEX文件载入到AT89C55单片机中［16］。通过虚拟串口软件VSPD设置虚拟串口，使COM3口和COM4口虚拟对接［17］。最后分别点击2个电路原理图下方的运行按钮，可以看到微机控制电路仿真结果（见图3）和单片机控制电路仿真结果（见图4）。

图3 微机控制电路仿真结果图

图4 单片机控制电路仿真结果图

在图4的1602液晶显示器中，第一行显示“2014－07－07MON”表示从DS12C887读取的日期是2014年7月7日星期一；第二行显示“00：03：53－15．7℃”表示时间是00时03分53秒，温度是－15．7℃。仿真结果表明发送方时间、温度与接收方完全一致，即实现了同步。而且PT100自身显示温度是－16℃，即测温误差仅为0．3℃，符合误差小于0．5℃的要求。

3 结束语

上述综合仿真应用实例表明，在多门课程中引入Proteus软件能提升教学效果，因为逼真的仿真效果能引起学生注意，完成电路和程序设计能使学生收获自信，从成功的喜悦、教师和同学的好评中能得到满足感，从而激发了学生的学习动力，提高了学生的实践动手能力。

（References）

［1］卢孟常．Proteus仿真软件在模拟电路教学中的应用［J］．中国科教创新导刊，2013（17）：138．

［2］陈燕，杨永双．Proteus在电子类课程教学中的应用探讨［J］．长江大学学报：自然科学版理工卷，2010，7（1）：349－351．

［3］谢光明．《数字电路》与后续课程的连贯性［J］．科技资讯，2007（31）：129．

［4］蔡述庭，刘银萍，谢云，等．微机原理及单片机技术课程教学改革研究［J］．实验科学与技术，2011，9（5）：70－72．

［5］赵晚昭，周柳娜，赵晚春，等．微机原理及单片机课程改革浅谈［J］．物联网技术，2012（7）：74－76．

［6］吕干云，汪金山．基于Proteus的电子专业多课程一体化仿真教学研究［C］／／杨义先，孟利民．2008年中国高校通信类院系学术研讨会论文集：上册．北京：国防工业出版社，2008：588－590．

［7］杨加国．PROTEUS对电子类专业课程的影响［J］．教育与教学研究，2013，27（4）：83－84，121．

［8］周冠玲，冯占英，李战．“单片机原理及应用”课程教学改革的探讨［J］．中国电化教育，2012（6）：105－107．

［9］陈越，顾晖，梁惺彦．Proteus虚拟仿真在微机原理教学中的应用［J］．电子技术应用，2012，38（1）：106－108．

［10］杨杜，赵文进．基于Proteus仿真软件的“微机原理与接口技术”实验教学的研究［J］．电脑知识与技术，2012，8（36）：8730－8732．

［11］盛仲飙．ARCS理论在Photoshop教学中的应用［J］．信息技术，2011（9）：48－49，52．

［12］周效章．基于ARCS的分布式虚拟教学中的学习动机设计探究［J］．中国电化教育，2013（4）：56－59，69．

［13］孙冬梅，刁彩霞．ARCS动机设计模型及其在高校课堂中的实践探索［J］．现代教育科学，2011（3）：141－144．

［14］杨天天．动机理论在微机原理与接口技术教学中的应用研究［J］．大学教育，2013（5）：56－58，30．

［15］李现国，张艳．Proteus仿真在微机原理及接口技术教学中的应用［J］．实验技术与管理，2010，27（12）：125－127．

［16］高林．单片机原理与微机原理综合仿真系统的设计及应用［J］．实验技术与管理，2014，31（3）：91－94．

［17］曾维鹏，蔡莉莎，林尔敏．基于VC＋＋及Proteus的上、下位机串口通信仿真技术［J］．镇江高专学报，2013，26（4）：74－76．

ARCS analysis and synthetic application of simulation in many electronic and electrical courses

Gao Lin，Xu Jian，Zhu Li
（School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China）

The necessity of simulation in many electronic and electrical courses can be analyzed from the following four aspects：attention，relevance，confidence and satisfaction by using the ARCS motivation design theory．Then an application example of comprehensive simulation to synchronize each digital clock and temperature display through RS－232serial bus between AT89C55and 8086is accomplished．The example is analyzed by circuit principles，program designs and simulation results．So it indicates that Proteus simulation in these courses indeed stimulates the students’learning motivation and is helpful to improve the practical ability and manual dexterity of the students．

synthetic simulation in many courses；ARCS theory；software Proteus

G434；TP391．9

A

1002－4956（2015）3－0144－04

2014－08－08

国家自然科学基金地区基金项目（61263030）；湖北民族学院教学研究重点项目（2014JY005）；湖北民族学院教学研究一般项目（2013JY008）；2014年恩施州第二批农业与社会发展科技指导性计划项目

高林（1980—），男，湖北恩施，硕士，讲师，主要研究方向为嵌入式技术与智能控制．

E－mail：glhust＠163．com