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摘要:“单片机原理及应用”这门课程涉及的内容非常多,在传统的教学模式中,学生普遍反映学起来比较抽象,不容易入门。如果把PROTEUS软件引入到该课程的教学中,就能够比较好地解决这个问题。本文对PROTEUS软件的基本特性和功能进行了介绍,对如何将其引入到课堂教学中进行了阐述,并根据教学内容构建了仿真模型,给出了一个实例仿真效果图。经在教学中检验,这种方法是切实可行的,可以比较明显地提高教学质量和教学效果,对学生学习单片机是非常有帮助的。
关键词:PROTEUS;单片机;课程教学;仿真
作者简介:徐武雄(1971-),男,湖北咸宁人,咸宁学院电子与信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:智能控制技术。
(湖北 咸宁 437100)
“单片机原理及应用”是电气信息类专业重要的专业必修课程,我国各高校开设该课程已经有三十多年的历史,但至今还没有找到一种比较好的方法使学生容易入门。学生普遍反映该课程难懂、难学,究其原因,一方面是因为该课程既包含硬件的知识也包含软件的知识,上理论课时很难现场演示;另一方面是因为该课程是一门实践性很强的课程,必须进行实践操作和训练,而学校能提供的实践机会只有十几个课时的实验,这是很不够的,让学生自己去买开发板进行训练需要投入一部分资金,大部分学生也不愿意。如果采用PROTEUS软件进行辅助教学,就能够比较好地解决这些问题。
一、PROTEUS软件概述
PROTEUS软件是英国Labcenter Electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件。可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路,该软件的特点是:(1)具有强大的原理图绘制、PCB设计及自动布线功能;(2)具有三十多个元器件库,数千种元器件仿真模型,多种信号激励源和虚拟仪器仪表;(3)能实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合;(4)支持主流单片机系统的仿真,包括从8位单片机8051系列直至32位单片机ARM7系列;(5)提供软件调试功能。[1]
引入PROTEUS软件可以明显地提高教学质量和教学效果:(1)PROTEUS极为接近实际的动态演示可以激发学生的兴趣、学习的积极性,使抽象变形象,使重点易懂、难点化解;(2)由于PROTEUS软件的运行只需一台电脑就可以了,现在学工科的学生基本上都自备了电脑,他们在寝室里就可以通过PROTEUS软件自己学习单片机的相关知识了,可以复习老师前面讲的知识,也可以预习后面的内容,还可以自己设计一些东西,效果非常好;(3)PROTEUS对学生实验的预习、单片机课程设计、全国大学生电子竞赛以及毕业设计等都有非常大的帮助,对提高他们的学习和工作效率,减轻劳动强度都有非常大的好处。
二、PROTEUS软件在单片机课堂教学中的应用
在课堂上讲授单片机课程时,如果采用传统的Powerpoint幻灯片作为教学手段的话,是无法模拟单片机系统硬件和软件的工作过程的,如果在授课的过程中,适当地引入PROTEUS软件对所讲授的内容进行仿真演示,就会激发学生的学习热情和兴趣,提高教学效果。
1.PROTEUS软件课题教学引入过程
在备课时,授课教师应先根据教学内容准备好PROTEUS仿真模型,上课开始时,先运行PROTEUS仿真模型,使学生看到实实在在的运行现象或结果,让学生产生一种好奇感。教师还要提出与上课内容相关的几个问题,让学生带着问题思考上述现象或结果是如何产生的;然后,教师把课堂要讲授的内容讲清楚,学生带着兴趣和问题听课,效果就比较好;理论知识点讲完以后,再把PROTEUS仿真模型的硬件设计原理和软件设计流程给学生讲授清楚,这样学生就比较容易理解和接受了。
2.PROTEUS仿真模型设计
以高等教育出版社出版,张毅刚主编的教材《单片机原理及应用》为例,[2]在讲授这门课程时,适合引入以下PROTEUS仿真模型。
(1)在讲授单片机的四个并行口P0、P1、P2和P3时,可以设计一个仿真模型。其功能是通过P1口以流水灯的方式点亮8个发光二极管,使学生掌握这几个并行口的功能和使用方法。
(2)在讲授中断系统时,设计一个仿真模型。其功能是:在P1口接8个发光二极管,在P3.2(INT0)引脚接一个按钮,当8个发光二极管以流水灯方式运行时,只要按下按钮就立刻改变流水的方向,CPU对按钮的监测就是采用中断的方式,通过这个模型使学生掌握单片机中断系统的结构、功能和使用方法。
(3)在讲授定时器/计数器时,设计一个仿真模型。其功能是:通过P3.4(T0)引脚送入计数脉冲,计数器T0进行计数,并将计数结果实时地显示在数码管上,可以使学生掌握定时器/计数器的原理、结构和使用方法。
(4)在讲授单片机的串行口时,设计一个仿真模型。该模型可以实现两个单片机的串行通信,使学生掌握单片机异步串行通信的基本原理、串行口的结构和使用方法。
(5)在讲授单片机的存储器扩展时,设计一个仿真模型。这个模型可以实现单片机和静态RAM芯片的接口,使学生掌握单片机扩展存储器和对存储器读写的方法。
(6)在讲授单片机的并行扩展时,设计一个仿真模型。这个模型可以实现单片机与8255A芯片的接口,并通过8255A芯片的A口控制8个发光二极管,B口控制4个发光二极管,来模拟十字路口交通灯的运行状况,使学生掌握单片机并行扩展的技术、8255A芯片的结构和工作原理。
(7)在讲授单片机的键盘和显示器时,可以设计一个仿真模型。其功能是:在单片机的外围扩展8个数码管和8个按键,按键可以是独立式或矩阵式的接口,这8个按键分别代表数字键0,1,2,…,7。当按下某一个键,该键代表的数字就以流水灯的方式在数码管上显示,使学生掌握数码管的工作原理以及与单片机的接口方法,掌握独立式按键和矩阵式按键的工作原理及接口方法。
(8)在讲授单片机的D/A和A/D转换时,可以设计两个仿真模型。一个模型要实现的功能是:在单片机外围扩展一片ADC0809芯片,可以实现把A/D转换的结果显示在数码管上;另一个模型要实现的功能是:在单片机外围扩展一片DAC0832芯片,做成一个简易的信号发生器,可以产生方波、三角波、锯齿波和正弦波等波形,并可以实现把波形显示在虚拟示波器上,使学生掌握D/A和A/D转换的基本原理以及与单片机的接口方法。
3.仿真模型实例
以上文中的定时器/计数器仿真模型为例说明PROTEUS软件的仿真过程和仿真效果。这个模型要实现的功能就是:通过P3.4(T0)引脚送入计数脉冲,计数器T0对该脉冲进行计数,并将计数结果实时地显示在数码管上。送到P3.4(T0)引脚的脉冲有两种方式:一种是通过按键送入,每按一下就产生一个脉冲;另外一种方式是通过时钟脉冲发生器自动产生脉冲,该脉冲的频率可以调节。这两种送脉冲的方式可以通过一个单刀双掷开关进行选择。
首先从器件库中选择器件:单片机AT89C51、22pF的电容、10uF的电解电容、10K的电阻、220欧的排阻、12MHz的晶振、NPN三极管、8位8段共阳极数码管、单刀双掷开关、按钮等,这些器件选出来后放在器件列表中;再从器件列表中把这些器件拖放到原理图编辑窗口进行摆放,摆放好后进行连线,再加上电源端子、地线端子和时钟脉冲发生器就构成了一个完整的单片机应用系统的硬件电路,如图1所示。硬件电路搭建好以后就可以开始编辑软件。软件经过编译生成HEX文件,并把这个文件装载到单片机中,然后启动仿真,在硬件和软件都正确的情况下,系统就会运行,运行效果如图1所示。如果单刀双掷开关SW1掷到下面就和按钮接通,每按一下键就产生一个脉冲,计数器就加1;如果单刀双掷开关SW1掷到上面就和时钟脉冲发生器接通,计数器就会对时钟脉冲进行计数。计数器所计的脉冲个数可以实时地显示在数码管上。图中红色的点表示高电平,蓝色的点表示低电平,各器件输出电平的高低一目了然,非常清楚,这对学生的学习是非常有帮助的。
三、PROTEUS软件在单片机实践教学中的应用
单片机的实践教学主要包括实验教学和单片机课程设计,另外在毕业设计中也有许多课题要使用单片机,在这些教学活动中如果引入PROTEUS软件进行辅助教学也会起到事半功倍的效果。
在做实验之前要求学生预习,通常学生只能看看实验指导书,实验的过程只能想象。如果引入PROTEUS软件的话,学生就可以在寝室的电脑上通过PROTEUS平台进行仿真实验,从硬件的搭建,软件的设计,到软硬件的联合调试都可以亲手做一遍,到了实验室,学生就可以通过实物平台进行验证。通过这种方式进行实验的话,学生对整个实验的原理、过程和现象就有一个深刻的认识和理解,效果很好。在单片机课程设计和毕业设计中,要求学生根据自己的课题先在PROTEUS平台上进行设计,在仿真运行正确无误以后,再购买元器件进行电路的搭建、软件的设计和系统的调试,最终完成一件作品。[3]采用这种方式可以节省因方案不正确所造成的硬件投入浪费,而且可以大大缩短开发产品的时间,提高学习和工作效率。
四、结束语
在单片机课程中引入PROTEUS软件进行辅助教学,经过两个学期在不同班级的实践,取得了非常好的教学效果。学生们对单片机课程的兴趣明显提高,对单片机的硬件结构、接口方法和软件设计的掌握和理解程度有了显著的加深,做实验和课程设计的效果大大提高,期末考试的成绩也有所上升。总而言之,PROTEUS软件对学习单片机是非常有帮助的。
参考文献:
[1]蒋辉平,周国雄.基于PROTEUS的单片机系统设计与仿真实例[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3]乔建华,李临生,田启川.PROTEUS在单片机教学中的应用分析[J].电气电子教学学报,2008,30(5):70-73.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:PROTEUS;单片机;课程教学;仿真
作者简介:徐武雄(1971-),男,湖北咸宁人,咸宁学院电子与信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:智能控制技术。
(湖北 咸宁 437100)
“单片机原理及应用”是电气信息类专业重要的专业必修课程,我国各高校开设该课程已经有三十多年的历史,但至今还没有找到一种比较好的方法使学生容易入门。学生普遍反映该课程难懂、难学,究其原因,一方面是因为该课程既包含硬件的知识也包含软件的知识,上理论课时很难现场演示;另一方面是因为该课程是一门实践性很强的课程,必须进行实践操作和训练,而学校能提供的实践机会只有十几个课时的实验,这是很不够的,让学生自己去买开发板进行训练需要投入一部分资金,大部分学生也不愿意。如果采用PROTEUS软件进行辅助教学,就能够比较好地解决这些问题。
一、PROTEUS软件概述
PROTEUS软件是英国Labcenter Electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件。可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路,该软件的特点是:(1)具有强大的原理图绘制、PCB设计及自动布线功能;(2)具有三十多个元器件库,数千种元器件仿真模型,多种信号激励源和虚拟仪器仪表;(3)能实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合;(4)支持主流单片机系统的仿真,包括从8位单片机8051系列直至32位单片机ARM7系列;(5)提供软件调试功能。[1]
引入PROTEUS软件可以明显地提高教学质量和教学效果:(1)PROTEUS极为接近实际的动态演示可以激发学生的兴趣、学习的积极性,使抽象变形象,使重点易懂、难点化解;(2)由于PROTEUS软件的运行只需一台电脑就可以了,现在学工科的学生基本上都自备了电脑,他们在寝室里就可以通过PROTEUS软件自己学习单片机的相关知识了,可以复习老师前面讲的知识,也可以预习后面的内容,还可以自己设计一些东西,效果非常好;(3)PROTEUS对学生实验的预习、单片机课程设计、全国大学生电子竞赛以及毕业设计等都有非常大的帮助,对提高他们的学习和工作效率,减轻劳动强度都有非常大的好处。
二、PROTEUS软件在单片机课堂教学中的应用
在课堂上讲授单片机课程时,如果采用传统的Powerpoint幻灯片作为教学手段的话,是无法模拟单片机系统硬件和软件的工作过程的,如果在授课的过程中,适当地引入PROTEUS软件对所讲授的内容进行仿真演示,就会激发学生的学习热情和兴趣,提高教学效果。
1.PROTEUS软件课题教学引入过程
在备课时,授课教师应先根据教学内容准备好PROTEUS仿真模型,上课开始时,先运行PROTEUS仿真模型,使学生看到实实在在的运行现象或结果,让学生产生一种好奇感。教师还要提出与上课内容相关的几个问题,让学生带着问题思考上述现象或结果是如何产生的;然后,教师把课堂要讲授的内容讲清楚,学生带着兴趣和问题听课,效果就比较好;理论知识点讲完以后,再把PROTEUS仿真模型的硬件设计原理和软件设计流程给学生讲授清楚,这样学生就比较容易理解和接受了。
2.PROTEUS仿真模型设计
以高等教育出版社出版,张毅刚主编的教材《单片机原理及应用》为例,[2]在讲授这门课程时,适合引入以下PROTEUS仿真模型。
(1)在讲授单片机的四个并行口P0、P1、P2和P3时,可以设计一个仿真模型。其功能是通过P1口以流水灯的方式点亮8个发光二极管,使学生掌握这几个并行口的功能和使用方法。
(2)在讲授中断系统时,设计一个仿真模型。其功能是:在P1口接8个发光二极管,在P3.2(INT0)引脚接一个按钮,当8个发光二极管以流水灯方式运行时,只要按下按钮就立刻改变流水的方向,CPU对按钮的监测就是采用中断的方式,通过这个模型使学生掌握单片机中断系统的结构、功能和使用方法。
(3)在讲授定时器/计数器时,设计一个仿真模型。其功能是:通过P3.4(T0)引脚送入计数脉冲,计数器T0进行计数,并将计数结果实时地显示在数码管上,可以使学生掌握定时器/计数器的原理、结构和使用方法。
(4)在讲授单片机的串行口时,设计一个仿真模型。该模型可以实现两个单片机的串行通信,使学生掌握单片机异步串行通信的基本原理、串行口的结构和使用方法。
(5)在讲授单片机的存储器扩展时,设计一个仿真模型。这个模型可以实现单片机和静态RAM芯片的接口,使学生掌握单片机扩展存储器和对存储器读写的方法。
(6)在讲授单片机的并行扩展时,设计一个仿真模型。这个模型可以实现单片机与8255A芯片的接口,并通过8255A芯片的A口控制8个发光二极管,B口控制4个发光二极管,来模拟十字路口交通灯的运行状况,使学生掌握单片机并行扩展的技术、8255A芯片的结构和工作原理。
(7)在讲授单片机的键盘和显示器时,可以设计一个仿真模型。其功能是:在单片机的外围扩展8个数码管和8个按键,按键可以是独立式或矩阵式的接口,这8个按键分别代表数字键0,1,2,…,7。当按下某一个键,该键代表的数字就以流水灯的方式在数码管上显示,使学生掌握数码管的工作原理以及与单片机的接口方法,掌握独立式按键和矩阵式按键的工作原理及接口方法。
(8)在讲授单片机的D/A和A/D转换时,可以设计两个仿真模型。一个模型要实现的功能是:在单片机外围扩展一片ADC0809芯片,可以实现把A/D转换的结果显示在数码管上;另一个模型要实现的功能是:在单片机外围扩展一片DAC0832芯片,做成一个简易的信号发生器,可以产生方波、三角波、锯齿波和正弦波等波形,并可以实现把波形显示在虚拟示波器上,使学生掌握D/A和A/D转换的基本原理以及与单片机的接口方法。
3.仿真模型实例
以上文中的定时器/计数器仿真模型为例说明PROTEUS软件的仿真过程和仿真效果。这个模型要实现的功能就是:通过P3.4(T0)引脚送入计数脉冲,计数器T0对该脉冲进行计数,并将计数结果实时地显示在数码管上。送到P3.4(T0)引脚的脉冲有两种方式:一种是通过按键送入,每按一下就产生一个脉冲;另外一种方式是通过时钟脉冲发生器自动产生脉冲,该脉冲的频率可以调节。这两种送脉冲的方式可以通过一个单刀双掷开关进行选择。
首先从器件库中选择器件:单片机AT89C51、22pF的电容、10uF的电解电容、10K的电阻、220欧的排阻、12MHz的晶振、NPN三极管、8位8段共阳极数码管、单刀双掷开关、按钮等,这些器件选出来后放在器件列表中;再从器件列表中把这些器件拖放到原理图编辑窗口进行摆放,摆放好后进行连线,再加上电源端子、地线端子和时钟脉冲发生器就构成了一个完整的单片机应用系统的硬件电路,如图1所示。硬件电路搭建好以后就可以开始编辑软件。软件经过编译生成HEX文件,并把这个文件装载到单片机中,然后启动仿真,在硬件和软件都正确的情况下,系统就会运行,运行效果如图1所示。如果单刀双掷开关SW1掷到下面就和按钮接通,每按一下键就产生一个脉冲,计数器就加1;如果单刀双掷开关SW1掷到上面就和时钟脉冲发生器接通,计数器就会对时钟脉冲进行计数。计数器所计的脉冲个数可以实时地显示在数码管上。图中红色的点表示高电平,蓝色的点表示低电平,各器件输出电平的高低一目了然,非常清楚,这对学生的学习是非常有帮助的。
三、PROTEUS软件在单片机实践教学中的应用
单片机的实践教学主要包括实验教学和单片机课程设计,另外在毕业设计中也有许多课题要使用单片机,在这些教学活动中如果引入PROTEUS软件进行辅助教学也会起到事半功倍的效果。
在做实验之前要求学生预习,通常学生只能看看实验指导书,实验的过程只能想象。如果引入PROTEUS软件的话,学生就可以在寝室的电脑上通过PROTEUS平台进行仿真实验,从硬件的搭建,软件的设计,到软硬件的联合调试都可以亲手做一遍,到了实验室,学生就可以通过实物平台进行验证。通过这种方式进行实验的话,学生对整个实验的原理、过程和现象就有一个深刻的认识和理解,效果很好。在单片机课程设计和毕业设计中,要求学生根据自己的课题先在PROTEUS平台上进行设计,在仿真运行正确无误以后,再购买元器件进行电路的搭建、软件的设计和系统的调试,最终完成一件作品。[3]采用这种方式可以节省因方案不正确所造成的硬件投入浪费,而且可以大大缩短开发产品的时间,提高学习和工作效率。
四、结束语
在单片机课程中引入PROTEUS软件进行辅助教学,经过两个学期在不同班级的实践,取得了非常好的教学效果。学生们对单片机课程的兴趣明显提高,对单片机的硬件结构、接口方法和软件设计的掌握和理解程度有了显著的加深,做实验和课程设计的效果大大提高,期末考试的成绩也有所上升。总而言之,PROTEUS软件对学习单片机是非常有帮助的。
参考文献:
[1]蒋辉平,周国雄.基于PROTEUS的单片机系统设计与仿真实例[M].北京:机械工业出版社,2009.
[2]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3]乔建华,李临生,田启川.PROTEUS在单片机教学中的应用分析[J].电气电子教学学报,2008,30(5):70-73.
(责任编辑:麻剑飞)