单片机课程教学改革探讨
第31卷第2期淮北煤炭师范学院学报(自然科学版)Vol．31No．2 2010年6月Journal of Huaibei Coal Industry Teachers College(Natural Science)Jun．2010
单片机课程教学改革探讨
李峥，陈得宝
(淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北235000)
摘要:针对目前单片机课程教学中存在的某些问题，提出采用仿真软件PROTEUS进行单片机仿真教学的思路．通过PROTEUS软件对单片机的课程教学、实验教学、课程设计及毕业设计中的实例进行模拟仿真，将PROTEUS引用到单片机课程的教学中．教师在讲授理论知识的同时，利用PROTEUS进行仿真、演示，增强学生的感性认识，使学生更容易理解单片机的基本知识，提高学生的学习兴趣，促进教学的良好互动．
关键词:单片机;PROTEUS;仿真;教学改革
中图分类号:TP368．2文献标识码:C文章编号:1672－7177(2010)02－0078－03
随着嵌入式系统技术的发展，单片机系统作为一种典型的嵌入式系统在工业控制、家用电器、汽车电子等领域得到广泛的应用．社会上大量需要掌握单片机应用系统开发的技术人才，国内各高等院校电子信息、计算机、机电、自动化等专业大都开设单片机原理与应用课程[1]．该课程既有很强的理论性，也有很强的实践性，与工程实际联系紧密．在教学中，必须运用好的教学方法和手段，并加以大量的实践训练才能使学生理解领会课程内容，真正掌握单片机系统开发技术．然而，目前的教学模式存在教学手段单一，教学方法呆板，实验资源不足等问题，致使教学效果不尽如人意．为了能给学生提供一个比较深入学习单片机系统的机会，作者在对多年从事该课程教学经验总结的基础上，经过探索和实践，将仿真软件PROTEUS引入到单片机课程的教学中去，解决理论教学和实践教学中存在的问题．
1单片机教学中存在的问题
1.1理论课程的教学方面
传统的理论课教学，都是讲授大量的汇编语言指令、单片机内部寄存器的设置及外围电路，缺乏直观性．并且实验课通常都在理论教学进行一段时间，并且完成一定内容的教学后才安排，造成学生理论与实际联系不上，不能及时消化所学的理论知识，形成对单片机“抽象、难学”的思想障碍，从而失去学习信心．如果想提高教学效果，需要演示实验配合，但这样做需将实验箱、示波器、信号源、电源等仪器设备搬到教室，使用不便;另外演示操作过程会占用过多时间从而影响教学进度．所以在实际教学中，只能是纯粹的理论讲解，效果不是很好．按照这种教法，往往大半学期过去了，学生只知道汇编语言指令的含义和内部寄存器的名称，不清楚学了有什么用，更不知道如何利用这些知识去构建一个单片机系统．
1.2实验课程的教学方面
单片机是一门实践性很强的课程，理论学习必须紧密地与实践结合起来．以往，实验课一般采用实验箱或实验台完成．学生按照实验指导书给出的接线图、实验方法和步骤连线，并输入指导书给出的程序代码，在实验教学系统的特定环境下进行汇编、连接，然后运行程序，在实验箱上观察结果．实验以演示、验证项目为主，这种实验教学的目的和方法在一定程度上可以让学生尽快熟悉和进入单片机这个领域．但是，它缺少培养学生的动手能力、创新能力和综合运用知识能力，也不利于进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性，
收稿日期:2009－12－04
基金项目:淮北煤炭师范学院教研项目(jy09111);安徽省高等学校年度省级教学研究项目(2008jyxm481)
作者简介:李峥(1980－)，男，安徽淮北人，讲师，硕士，研究方向:嵌入式系统．
第2期李峥等：单片机课程教学改革探讨79
甚至出现学生不做实验前的准备，抄袭他人程序和实验报告的不良现象．学生普遍反映这种验证式的实验教学收获不大，更重要的是学生缺少动手能力和创新意识，这与社会所需求的人才规格相差甚远．
1.3课程设计及毕业设计中的问题
传统课程设计及毕业设计的流程是:确定题目后，查找资料，确定方案，设计电路图，购买元器件，制版，调试，最后进行测试．如果达不到设计要求，就需要更换设计方案，这样就必须重新购买元器件并重新制版．设计开发时间长，效率低，费用高，不利于学生高效的完成设计思想．
因此，针对单片机原理及应用课程的实际教学中存在的这些问题，作者将仿真软件PROTEUS引入到单片机原理及应用课程中，为提高教学效果做一些探索．
2仿真软件PROTEUS的介绍
PROTEUS ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件．它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件[2－3]．该软件的特点是:1)实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合．具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能;有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等．2)支持主流单片机系统的仿真．目前支持的单片机类型有:68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片．3)提供软件调试功能．在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能;同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51等软件．4)具有强大的原理图绘制功能．
PROTEUS是目前最好的单片机及外围器件的仿真工具，它与其它单片机仿真软件不同的是，PROTEUS不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况．因此在仿真和程序调试时，需关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接观察程序运行和电路工作的过程和结果．对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补理论和实践间脱节的矛盾和现象．
3PROTEUS在单片机教学中的应用
3.1改进理论教学
在单片机纯理论讲解的同时，我们可以根据教学进度及教学内容，在理论教学的过程中对书中的部分知识点进行仿真教学，使理论知识更加形象化及生动化，从而促进学生对理论知识的理解与掌握．例如，在讲解单片机并行I/O口电路结构与应用特性时，由于P0口内部无上拉电阻，如果驱动LED、NMOS管、光耦合器或其他电流负载时，需要外接上拉电阻，而P1，P2，P3口则不需要外接上拉电阻．这个时候，学生只能凭空想象:如果P0口不加上拉电阻是什么现象？能不能驱动这些负载呢？这些问题没有形象的答案，则增加了学生在理解该知识点时的困难．教师可以在讲解后，利用PROTEUS仿真软件形象的演示P0口不加上拉电阻(图1)和加上拉电阻(见图2)的现象．通过观察仿真电路图，可以看到图1中的LED没有点亮，而加上拉电阻的图2中的LED已经点亮，这样学生更容易掌握该知识点，使得原来难以理解的理论知识变得更加简单、形象．
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3.2改进实验教学
传统单片机实验都是在实验装置上完成的，在学生实验中实验电路几乎是无法改变的，即使允许学生自主接线，电路连线的方法也是固定不变的，这样学生只能在预先设定好的电路中以一种几乎不变的方式进行实验，极大地影响学生的创造性．而在PROTEUS中进行单片机实验，由于实验电路在开始实验的时候并不存在，只要根据自己的设计在实验过程中搭建好就可以了．
以流水灯实验为例，这是初学单片机的学生做的第一个实验．以往在实验箱上面操作实验的时候，基本上利用P1口来控制LED的状态，而在PROTEUS中构建实验电路的时候，学生可以自主选择P0、P1、P2及P3中的任一口来完成实验项目，这样学生设计的电路及程序只要符合实验项目的要求即可．考虑到仿真系统并不是物理系统，学生在PROTEUS中完成仿真现象后，并不意味实验项目的完成，教师要及时引导学生将实验按照单片机实验装置的要求重新改造，并用改造后的实验程序在单片机实验装置上运行．这样单片机实验装置不再是实验的主体，只是利用它来验证学生的设计思想．
对于这种改革，学生感到有趣、生动、有极大的热情参与到实验中来，充分发挥自主性和创造性，提高实验的效果和效率，而且也降低实验设备的损耗．
3.3改进课程设计及毕业设计
课程设计及毕业设计是学生实践教学非常重要环节，其目的是使学生通过实践了解和掌握产品的工艺、设计、生产环节，建立产品生产的流程概念，比较深入地了解生产工艺过程．但是对于没有实践经验的学生来说，设计工程中容易造成仪器设备的损坏，从而使得学生主动性差，信心不足，成功率低[4]．采用PROTEUS 后，从元器件的选取到连线，直到电路的调试、分析和软件的编译，所有工作都在虚拟环境下完成．学生可以在PROTEUS中验证电路是否达到设计要求的技术指标，还可以通过改变元器件参数优化电路，甚至更换设计方案．最后到设计电路满足设计要求的技术指标后，再进行课程设计及毕业设计的传统流程．这样无需多次购买元器件及制版，节省设计时间和经费，提高设计效率和质量，使学生独立操作能力和创新能力得到很大的发挥．
4结束语
通过上述的教学改革的实践，利用PROTEUS不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏带来的不足，减少原器件的消耗和仪器的损坏，而且提高学生对单片机的学习兴趣，调动学生学习的主观能动性，活跃学习气氛，可以帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述内容，加深对概念、原理的理解，弥补教学的不足．学生通过仿真实验，熟悉单片机系统的开发过程，进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和创新能力．PROTEUS的出现也为课程设计和毕业设计提供了一条方便、快捷、节约成本的新思路．
参考文献:
[1]胡健．单片机原理及接口技术[M]．北京:机械工业出版社，2005．
[2]周润景，张丽娜．基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M]．北京:北京航空航天大学出版社，2006．
[3]马正强．单片机虚拟实验室的建立[J]．单片机与嵌入式系统应用，2005(3):20－23．
[4]周彬，刘晓燕．单片机实验的仿真教学[J]．重庆职业技术学院学报，2006，15(3):24－26．
Discussion on the Reform of Teaching for Micro-control Unit
LI Zheng，CHEN De-bao
(School of Physics and Electronic Information，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China)
Abstract:To aim at solving the current problems in the curriculum of micro－control unit，this article raises a teaching method of applying the simulated software PROTEUS to the curriculum．By this way，all the curriculum teaching，experiment teaching，examples of curriculum design and graduation design can be stimulated and emulated．Meanwhile，the students'sensibility can also be strengthened by the stimulation and demonstration of the software so that the basic knowledge of the micro－control unit will be better understood by the students．Their learning interests can also be aroused and the interactivities between teaching and learning are thus promoted．
Key words:micro－control unit;PROTEUS;simulation;reform of educating