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摘要：51单片机课程是高校硬件类课程的基础。为了克服搭建真实硬件系统周期长、花费高的难题，同时进一步提高学生的动手能力，设计了一套基于Proteus仿真平台的模拟仿真实验，使得学生能够随时随地调试硬件程序并观察实验过程及实验现象，提高了教学质量。
关键词：51单片机；Proteus；虚拟仿真实验室
本文引用格式：刘丹丹,等.基于Proteus平台的单片机教学改革方法与实践[J].教育现代化,2019,6(74):114-115.
一 前言
51单片机是一个经典的8位微处理器，比起高位的微处理器如飞思卡尔16位单片机、ARM32位微处理器等，它几乎包含了所有微处理器组成的基本原理及设计方法，且简单易学，编程方便。因此，学习51单片机能够使得学生在学习更高级的微处理器时更加得心应手，这门课程也因此成为很多高校的硬件类教学入门课程。
学习硬件类课程最重要的是实验与实践环节，提高学生的动手能力是教学重点[1-3]。然而，搭建硬件平台门槛较高，学生难以在实验室之外随时随地实现一个硬件系统并验证对应的驱动程序是否正确。而Proteus平台将硬件系统软件化，能够模拟硬件系统的实现过程，并能够实时验证程序的正确性，在近年的51单片机学习中已经成为一个不可或缺的学习内容得到了一定程度的普及[4,5]。
本文设计了以Proteus平台为基础的一系列单片机实验及实践项目，详细描述了建立一个“虚拟单片机实验室”的过程。
二 单片机Proteus实验项目的设计
51单片机的理论学习一般分为以下几个部分：单片机的原理及结构、接口技术、语言与程序。其中原理及结构部分主要包括51单片机的内部资源，如I/O口、RAM和ROM、中断、定时器、串行口等；接口技术部分主要包括单片机外扩存储器、I/O口的方法，包括与各种虚拟总线接口的设计方法、外围总线设备连接的方法，同时还包括单片机与外部输入输出设备如键盘及显示器的连接和程序设计方法。根据理论学习的内容设计Proteus实验项目，具体项目名称如表1所示。
由表1可知，所有的实验项目从内容上分为两类，第一类为针对单片机内部资源的基本实验，实验内容主要包括I/O口、中断及定时器实验；第二类为针对单片机接口的实验，几乎包含了51单片机所有常用的外围电路。因此，这些实验项目能够使学生得到全面的训练，切实提高学生的动手能力。
以“单片机键盘扫描实验”为例，实验要求为：使用4位LED数码管显示矩阵式键盘的输入值。要求LED可稳定显示4位数据。当键盘输入新的数据时，LED可实时更新键盘输入结果。完成该实验至少需要完成以下几个步骤。
（1）根据实验要求在Proteus下建立工程，选择合适的元器件，画出电路图；
（2）根据实验要求编写程序，可使用Proteus自带编译器或Keil编译器[6]；
（3）调试程序并观察实验现象。如按下按键“4560”，电路显示结果如图1所示。
从该项目的实施可以看出，学生完成本实验几乎经历了完整的硬件系统的设计过程，且不必焊接真正的电路板即可完成程序的调试。同时，学生还可利用程序的断点、单步及全速运行功能观察程序运行中硬件设备的寄存器数据等中间结果及最终的实验现象。而传统的实验一般在实验箱上运行，学生反而不需要设计电路，缺少了电路设计这一重要步骤的训练。因此，利用虚拟仿真实验可以耗费最少的人力物力达到最佳教学目标。
三 虚拟实验项目的实施对教学质量的影响
利用Proteus平台可以便捷地构建单片机虚拟实验室，使得学生能够随时随地验证单片机程序的正确性，并能够直观地观察实验结果，大大提高了学生学习单片机的兴趣。同时，学生的动手能力也得到了进一步提高，学习单片机课程更加得心应手。如大多数同学可以更加熟练地设置断点并结合单步、全速运行观察中间结果，更容易找出程序的逻辑错误；还有一些同学通过虚拟实验的现象轻松掌握了51单片机P0口没有内部上拉电阻对于整个电路设计的影响；也有一些同学根据实验现象更好地理解了“若要读取单片机I/O口的值，需先对其写1”的原因。虚拟实验项目的实施作为传统实验实践项目的补充，不仅进一步提高了学生的动手能力，也有效提高了学生的理论考试成绩。课题组教授单片机课程十几年来，理论考核平均分从十年前的57分提高到目前虚拟实验项目实施后的73分，从另外一个侧面反映出丰富了实验类型使得学生对硬件类课程的理解更为深入，编程能力更强。
参考文献
[1]屈丹,任国臣,陈晓英.单片机原理及应用课程实践性教学环节的改革[J].教育现代化,2016,3(08):8-9.
[2]李小样,张谋.单片机实训课程教改项目的研究与设计[J].智富时代,2016(1).
[3]方怡冰.单片机课程的教学与实验改革[J].电气电子教学学报,2006,28(3):76-79.
[4]陈龙,张亚君.Proteus仿真软件在单片机实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2009,26(08):73-75.
[5]周灵彬,张靖武.PROTEUS的单片机教学与应用仿真[J].单片机与嵌入式系统应用,2008,8(1):76-79.
[6]王海燕,杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索,2012,31(05):88-91.
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