基于Proteus的单片机原理与应用的教学改革*

万松峰

（东莞职业技术学院 机电工程系，广东 东莞 523808）



基于Proteus的单片机原理与应用的教学改革*

万松峰

（东莞职业技术学院 机电工程系，广东 东莞 523808）

摘要：针对单片机原理与应用课程的内容抽象、实践性强的特点，分析教学中存在的问题，提出基于Proteus仿真软件的单片机原理与应用的教学改革。通过单片机湿度测量项目展示了单片机课程利用Proteus仿真软件实现“做中学”“学中练”的理实一体化项目教学过程，建立以项目开发为课程内容，以学生实践项目开发为中心的教学模式，突出培养学生的单片机开发应用能力，提高了教学效果。

关键词：单片机；Proteus；教学改革；湿度测量

引言

单片机技术是工科类学生一门重要的实践课程，单片机技术开发应用能力是工科类人员必备技能之一。单片机教学模式一般先讲单片机工作原理内部结构后讲单片机指令系统和应用，学习者很难入门感觉课程枯燥乏味失去信心学习。先理论后实践的模式教学以单片机内部原理和汇编指令讲解为核心的教学模式形成理论和实践脱节，学生没有单片机开发的感性认识和工程体验，应用能力不足。

单片机应用系统的开发包括系统设计、单片机电路设计、单片机软件设计和单片机系统调试等几个阶段。传统实验室无法及时满足单片机应用系统开发和调试要求，影响学生实际分析和解决单片机问题的能力，也影响学生的实践动手技能和科技创新能力的培养。Proteus软件仿真功能可以虚拟出一个设备齐全的单片机专业实验室，单片机系统设计、单片机电路设计、单片机软件设计和单片机系统调试都可在同一个计算机的上进行。利用Proteus软件实现单片机课程“做中学”“学中练”的理实一体化项目教学。

一、基于Proteus软件单片机的教学改革

随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术逐步成为分析与辅助设计的重要工具，大量仿真软件代替硬件进行学习，用于控制工程的Matlab、用于电工电子的Multisim等。Proteus是英国Lab center Electronics公司开发的可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路的仿真软件，是将电路仿真软件、PCB设计软件和模型仿真软件合一的设计平台，还包含各种虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。利用该软件将单片机课程理论教学和实践应用融为一体进行项目化教学改革。

在单片机项目化教学改革中，通过项目化的教学使学生真正掌握分析问题、解决问题的思路与过程，实现单片机课程培养目标。实施中对解决现实问题进行探讨，边做边学符合人的认知规律，循序渐进地引导学生掌握相应的知识和技能。既能增强实践的具体体验，又能增强理论运用的活力，尤其适用于应用性人才的培养。单片机教学以项目为载体，将理论与实践相结合，学生成为分析和解决实际问题的主角，学生在做项目的过程中感知知识和训练技能提高学习效果和实践能力。

单片机项目化教学中，具体项目课题的选择与设计是至关重要的，直接影响到教学效果。教师以教学标准为依据，培养学生基本技能和创新能力为出发点，结合单片机技术的应用实际，拟定难度适宜循序渐进的项目。根据我校学生特点和单片机教学要求设置16个项目见表1。单片机项目化教学主要包括任务要求、任务分析、解决方案、任务实施、任务总结、任务拓展等。在项目化教学实施过程中，学生要明确任务要求带着问题去学习；通过对任务分析确定解决方案，将确定的解决方案直接实施加强对所学知识的理解；任务实施后对整个过程进行总结分析，最后再拓展创新，加强学生独立思考、动手的能力。

二、基于Proteus软件单片机的教学实施

以项目15湿度测量为例，介绍Proteus软件在单片机项目化教学过程的实施。

（一）任务要求

利用HS1101电容式相对湿度传感器测量湿度，湿度高于50%亮红灯否则亮绿灯。

（二）任务分析

HS1101电容传感器可以等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。电容的变化通过555振荡电路中准确地转变为反比的电压频率信号。单片机通过P3.5口测量频率来实现湿度测量。

表1单片机课程项目结构表

（三）解决方案

湿度测量解决方案框图如图1所示。

图1系统框图

（四）任务实施

1.硬件设计

根据项目方案设计电路原理草图后在Proteus软件平台选择器件并绘制硬件电路原理图，如图2所示。这个电路原理图包含了51单片机最小系统、湿度测量电路、数码管显示电路、LED灯指示电路等。

图2 HS1101湿度测量电路图

湿度测量电路由555芯片、电阻和HS1101构成一个多谐波振荡器，HS1101的等效电容通过R16和R17充电达到上限电压（近似于0.67 VCC，时间记为t1），这时555的引脚3由高电平变为低电平，然后通过R17开始放电，由于R16被7引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近似于0.33 VCC，时间记为t2），这时555芯片的引脚3变为高电平。通过不停充放电，产生方波输出。输出波形的频率公式f=1/T=1/（t1+t2）=1/ （2*R17+R16）ln2，再根据典型频率与湿度对应关系就可以得到相对湿度值。

2.软件设计

程序主要包括系统初始化模块、T0定时模块、T1计数模块、频率湿度转换、显示指示模块。软件流程图如图3所示。

图3程序流程图

3.系统仿真

利用Protues绘制原理图，通过Keil C对源程序进行编译、链接后联机调试，让学生完成整个项目开发，湿度仿真效果图4所示。

4.任务总结

通过任务总结再次对单片机定时/计数器、程序流程图及C语言编程进行简要总结，并强调本次任务中的问题点和解决办法。

图4湿度仿真效果图

5.任务拓展

要求学生在本次任务的基础上增加加湿模块实现湿度控制。

三、结束语

基于Proteus仿真软件在单片机原理与应用课程教学的应用，是对教学方法和教学实践的一种改革，通过项目实践感知单片机在理论知识和体验工程实践，有利于学生掌握单片机的基本原理和应用，有利于学生系统分析和设计能力、硬件电路设计能力、软件设计能力和实践动手能力的培养。

参考文献

［1］李冰.单片机课程的项目化教学改革与实践［J］.实验室科学，2014，17（1）：101-103.

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

［3］王娟.Proteus软件在单片机专题实训中的应用［J］.实验室研究与探索，2012（8）：72-74.

［4］马正强.单片机虚拟实验室的建立［J］.单片机与嵌入式应用，2005（3）：20-23.

［5］万松峰.Proteus在单片机理实一体化教学的应用［J］.实验科学与技术，2016（1）：85-88.

［6］伍冯洁，谢陈跃，谢斌.Proteus与Keil在单片机开放性实验中的应用［J］.电子测量技术，2008（6）：100-103.

［7］王咏梅，王印松.单片机实验教学改革的探索与实践［J］.实验室科学，2012，15（4）：25-26.

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）14-0121-03

*基金项目：广东机电教指委教改项目（编号：jd201513）；东莞职业技术学院院级教改项目（编号：S1501060102）

作者简介：万松峰（1979-），男，汉，河南商丘，讲师/工程师，硕士研究生，主要研究方向为机电控制。

Abstract:According to the abstract concept and practical features in the course of MCU principle and application，this paper analyzes the problems that exist in our teaching and proposes a teaching reform of MCU principles and applications course based on Proteus.Through the project of measurement humidity，this paper shows the process of the project teaching in which teachers use Proteus simulation software to achieve'doing'in'learning'and 'learning'in'doing'in order to establish the teaching model in which project development is teaching content students practice is course center.The students'ability of the MCU development and application is improved，thus the teaching practice has a better teaching effect.

Keywords:MCU；Proteus；teaching reform；humidity measurement