Proteus仿真软件在单片机实践教学中的应用研究
黄丽军
摘要：针对单片机技术这门课程传统教学方法的不足，引入Proteus仿真软件辅助教学，可以增加实验的多样性，同时提高学生学习的兴趣和学习效果。文章指出了单片机课程教学中面临的问题，分析了Proteus在单片机实验教学中的优势，提出应用Proteus软件进行单片机教学的多种措施。
关键词：单片机技术；Proteus仿真；实践教学
单片机课程是在高校应用电子、通信电子、机电一体化技术及电气自动化等专业的核心课程。当前各院校的教学中都面临着单片机这门课程既难教又难学，教学效果不太理想的情况，针对该课程实践性很强的特点，寻求一种能更好地促进学生学习及提升学习能力的教学模式、教学方法，是每一位任课教师迫切关注的问题。而EDA软件Proteus不仅能满足单片机课堂教学及实验实践教学中的多种要求，帮助学生直观有效地掌握所学知识，缩短从理论知识到实际应用的过程，而且其灵活自主的应用模式使学生更能体验到学习单片机技术及设计的魅力。
1单片机课程教学中面临的问题
1.1传统的课堂理论教学存在的问题
目前国内的大专院校单片机教学多是先课堂理论教学为主，后辅以相应的实验及课程设计。在理论的教学内容的设计编排上通常以单片机的组成为主线，按照单片机的硬件结构原理、程序设计、系统的扩展及接口电路等顺序进行讲授，再辅以相应的实例。学生接触这些课程内容若只是孤立的记忆，缺乏宏观系统的认识和感性认识，则会普遍感到抽象难学，甚至学到一半就退缩放弃。
1.2传统的实践教学面临的问题
单片机技术是一门实践性很强的课程，主要培养学生工程分析研发、设计、制作调试能力。当前各大教育电子产商推出的实验设备都配备了详尽的实验说明书及讲义，表面上实验设备越来越先进越智能，但是对学生们来说，做实验时的动手和动脑的可能性程度就越小，往往这些实验设备是按照实验项目分别模块化组合，每个实验项目都是按照实验手册连接导线、输入或下载程序、程序执行、验证结果的模式完成的，需要学生动手设计的内容很少，难以参与到其中的细节设计，往往学生做完实验后，对实验的硬件连接原理和程序编写仍不知所以然，很难真正提高动手能力，学习效果也大打折扣[1]。
2Proteus在单片机实验教学中的优势
单片机课程的传统教学方法抑制了学生的学习积极性，削弱了学习效果，当前每一位任课教师都急于探求出一种能更好地培养学生能力的教学模式。因此近年来很多高校采
用了虚拟现实的仿真技术作为单片机课程实践部分的补充和强化，其中Proteus仿真软件是非常适合于单片机教学的一款仿真实验软件。
Proteus软件是来自英国LabcenterElectronics公司的EDA工具软件，除具有非常强大的原理图编辑、印制电路板（PrintedCircuitBoard，PCB）自动或人工布线及电路仿真的功能外[2]，其独特的功能在于可直接基于原理图的虚拟原型上与Keil联调实现微处理器的软硬件调试，并进行功能效果验证是目前最优秀的单片机与嵌入式系统的设计与仿真平臺。使用Proteus仿真软件进行单片机教学演示及实验仿真，显然有着明显的优势。
2.1Proteus软件的实验资源非常丰富
Proteus软件提供了包含数字和模拟等30多个元件库，支持各种模拟和数字电路的仿真，还自带各种虚拟仪器仪表，同时Proteus还支持51系列、PIC系列等主流单片机的仿真[4]。相比单片机实验箱只能支持单一的单片机CPU系列及有限的常用外围接口电路，Proteus不仅能仿真多种单片机CPU的工作情况，还能仿真单片机的外围接口电路以及其他电路的工作情况。通过Proteus软件对单片机实验项目进行综合仿真，能直观地看到程序运行前后的输入输出情况，对改善学生的理解和扩展学生的思路有很大的帮助。
2.2大幅减少硬件投入成本
在单片机课程的教学中，教师通过一台计算机，借助Proteus对CPU和外围电路强大的仿真能力，在几乎不需要硬件的条件下，就能将实验过程、原理及实验结果直观展现出来；同时Proteus软件可以有效替代硬件仿真器进行前期的软硬件调试，学生可通过一台计算机按要求设计出相应电路，从而帮助学生利用更多的时间和手段学到更多的知识。
3应用Proteus软件进行单片机教学的多种措施
3.1将Proteus仿真引入单片机教学中的意义
引入Proteus仿真工具作为单片机教学的辅助手段，有效提高了学生对课程的学习兴趣，增强了学生对课程内容及原理的理解和掌握。更重要的是引导学生在面对单片机某个应用的设计中，学会应用类似Proteus仿真技术进行组合电路设计、编程和调试等方法，这种应用虚拟仿真技术进行单片机设计的能力不仅使得学生面临企业用人单位的技术水平需求提高时能更加自信，而且借助Proteus软件对CPU和外围电路强大的仿真能力以及丰富的资源库，可有效提高开发效率、降低开发成本、缩短开发周期，有助于学生尽快融入工作并取得成绩。
3.2将Proteus引入单片机课堂教学
利用Proteus软件辅助课堂理论教学，教师可以更有效地解决教学中的难点，比如通过Proteus仿真软件来动态演示51单片机中的准双向并行口P0?P3的应用、中断的产生及响应、数据存储器及可寻址位的分配及应用等用PPT及静态图片都难以直观解释的教学难点。在Proteus仿真中，教师可教导学生通过单步调试执行的方法在仿真示波器中观察到每一条指令执行后引脚的高低电平变化，进而来理解单片机芯片及外围接口芯片的引脚功能。在教学汇编程序编程中，当改变某条段指令或是跳转执行某段程序时，通过Proteus软件的帮助，可以让学生观察到指令及程序运行效果从而深刻理解指令的功能应用[5]。由于在课堂教学中加入了仿真环节，学生可以直观地学习和观察实验现象，使抽象理论变得相对形象易懂，提高了学生学习的积极性，教学效果明显提尚。
3.3用Proteus仿真改进单片机实践教学
单片机课程的实践性很强，不管是课程学习中的实验环节还是课程设计环节，乃至毕业设计环节，对于单片机技术的实际掌握都是至关重要的。而传统的单片机实验教学的课时及实验设备的使用时间对学生而言都是非常有限的，不允许每个学生做到充分的实验操作，完全不能够达到锻炼学生实践能力的目标，当然也不能够达到培养学生单片机应用能力的目标。
为了解决这个问题，教师可以教导学生利用课余时间在非实验室的场合按照实验内容来进行单片机项目的设计原理图和程序调试，并学习利用Proteus里的虚拟仪器对实验结果进行检测，之后再让学生利用实验室的实验设备进行实际操作和验证。这样学生不仅有了充裕的时间了解单片机应用系统硬件电路结构，而且锻炼了单片机编程技术和测量仪器的综合使用技能，极大地开拓了单片机学习的空间，降低了单片机的学习成本，提高学生对单片机设计的水平。
同样，在课程设计和毕业设计中，为培养学生的自主创新意识，可以让学生根据自己的想法及掌握知识的程度自由选择设计题目。设计之始，教师与学生共同探讨方案的可行性，要求学生首先应用Proteus自主设计仿真硬件电路，编制程序并调试，在采用Proteus软件仿真成功之后，再购买电子元器件进行电路板制作焊接、系统调试和程序固化，最终每个设计小组独立完成一项单片机控制任务。在设计项时尽量考虑实验室可提供的实验箱软硬件资源，以方便仿真的结果在实验箱上的实现。先用Proteus仿真再实物制作的实践方式使得学生能够借助PC机在虚拟环境下完成单片机开发中从电路设计、电路板制作到软硬件调试及系统调试等必要过程，省去了传统的單片机系统开发流程中需对硬件和软件进行反复调试修改的繁琐，不但大大提高单片机设计的效率，降低了设计费用，而且学生的学习兴趣高涨，实验能力和开发能力有了很大提尚[6]。
4结语
随着计算机互联网技术的不断发展，高等教育的教学模式也在不断地变革和创新，为了弥补单片机技术传统教学方法的不足而引入Proteus仿真软件辅助教学，增加了实验的多样性和可操作性，减少了实验设备和硬件的消耗，节约了实验成本，提高了实验效率，明显激发了学生学习单片机的兴趣，有效提高了学习效果，对学生创新能力的培养具有现实意义。
[参考文献]
[1]窦新宇，宋凤娟.Proteus软件在单片机教学实践中的应用[J].唐山学院学报，2013（1）：95-96.
[2]邱少嗳.Proteus仿真软件在单片机教学中的应用[J].电子制作，2014（2x）：120.
[3]张靖武，周灵彬.单片机系统的Proteus设计与仿真[M].北京：电子工业出版社，2007.
[4]邵卫，王勇，陶俊珍，等Proteus软件在单片机教学改革中的应用[J].信息系统工程，2015（5）：152-153.
[5]姜颖.Proteus软件在单片机教学中的应用[J].天津职业院校联合学报，2010（3）：58-60.
[6]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（3）：70-73.
