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摘 要：单片机在工业领域、通信、智能家居等方面的应用变得更加广泛，以单片机技术为核心的智能化技术处于主流位置。针对《单片机原理及应用》课程教学中存在的问题，提出了在充分发挥多媒体教学的基础上，将仿真软件 Proteus 引入教学，将教学、建模、仿真融为一体。实践证明这种立体式多模式教学可使抽象难懂的概念、理论成为生动形象的颜色、波形、声音、动画，使教学内容易理解，易掌握，极大地提高了学习效率。
关键词：单片机 ; 教学模式 ; 仿真软件
本文引用格式：希望·阿不都瓦依提，吐松江·卡日. 基于仿真软件的单片机教学模式改革探索 [J]. 教育现代化 ,2021,8(39):13-16.
Exploration of Teaching Mode reform of Single-Chip Microcomputer based on Simulation Software
Xiwang·abuduwayiti, Tusongjiang·kari
(College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi Xinjiang)
Abstract: The application of single-chip microcomputer has become more extensive in industry, communication, smart home and other aspects. The intelligent technology with single chip microcomputer technology is becoming more and more important. It is aimed at the problems existing in the teaching of the course principle and application of single chip microcomputer, this paper puts forward that the simulation software Proteus is introduced into the teaching, and the teaching, modeling and simulation are integrated, give full play to the role of software Proteus on the basis of multimedia teaching. It has proved that this three-dimensional and multi-mode teaching can make the abstract concepts and theories become vivid colors, waveforms, sounds and animations, which makes the teaching easy to understand and master, and greatly improves the learning efficiency.
Keywords: single chip microcomputer; teaching mode; simulation software
一 引 言
受新冠肺炎疫情影响，笔者在单片机的教学中采用了多媒体与仿真技术相结合的教学，收到了良好的效果，有如柳暗花明又一村之感。单片机是电子信息、自动化和机电等相关专业的一门专业必修课，又是一门实践性、工程性很强的科目。笔者从事单片机课程的教学已有二十几载，也主持和参与了一些基金项目、大学生创新等，深知单片机广泛地应用于许多行业，譬如，航空航天、汽车、机床、机器人、家用电器等等。一个可以促使许许多多发明创造产生的催化剂、一个技术性很强的课程却只有 2.5% 的学生具备了能够独立设计、制作出课程设计实物的能力。
因此，目前单片机的教与学方面存在一些问题[1]。
为了更好地培养单片机工程技术应用性人才，让学生掌握单片机的知识，必须对单片机教学进行改革。
二 单片机教学中存在的问题
微机原理及应用类课程对大学生来讲属于比较难掌握的一门课程。目前多数大学单片机的教学形式是教师通过黑板或者多媒体（多媒体的功能往往类似投影仪）讲授课程内容。本质还是口头方式讲解单片机的概念、组成模块、模块的工作原理、编程以及单片机的应用，初学者会感觉到很抽象，不易掌握。
当然单片机课程属于技术性、实践性很强的课程，需要强化实践环节。如果采用学生自行根据教学内容设计实验电路、编写对应运行程序、调试，则在规定的时间内是无法完成的，因为这不仅需要学生的多门课程的基础知识做支撑，还需要一定的动手能力和实践经验。结果就是教师事先准备好实验内容，包括线路和程序，降低了学生对实验的兴趣， 影响了实践效果，也并没有做到理论与实践很好地结合 [2]；更有甚者有的学生对所做的实验不知所云。更严重的是使学生一次次地失去了独立设计的能力、独立分析解决问题的能力、独立论证一个命题的能力。虽然我们主观上希望培养具有真才实干的新人，具有工匠精神的新人，可我们努力的效果是背道而驰的。
三 教学中引入多模式教学方法
针对以上问题提出了使教学由抽象变为生动、形象易掌握的教学方法 [3]。在激发学习、掌握单片机的基础上，具备初步工程设计能力成为教学的核心。
（一） 充分发挥多媒体烘云托月的效果
实际上将多媒体应用于单片机教学，有利于学生理解、掌握授课内容。这是由单片机这门课程的特点决定的：如图 1 单片机是由中央处理单元、程序存储器、数据存储器、定时器 / 计数器、中断系统、并行输入 / 输出、串行口等模块组成，每个模块构成教材的每个章节，而且每个模块可以开发出实验实例。因此完全可以采用语音、图像、文字、不同颜色、动画等手段展现这些模块的结构及运行机理，犹如将一个黑匣子解剖开来展现在学生面前。其效果是显而易见的：首先，充分发挥了多媒体的功能，使教学形象生动，使看不见摸不着的结构、原理活灵活现地展现在学生面前；其次，在学生对单片机具备了一定的认识后，结合仿真实例介绍模块的应用深化理解，争取做到对单片机的理解力透纸背，入木三分；第三，可以极大地提高教学效率，也使教学内容极其生动活泼，激发学生的学习热情。
图 1 MCS-51 单片机结构框图
（二） 引入仿真软件实现教学与实践珠联璧合的效果
教学内容的讲解都是围绕着单片机的模块或某一外围芯片、电路展开的。教师围绕具体内容及相关知识组织教学内容，边介绍结构、工作原理，边建立仿真实验实例，体现针对性和实用性。让学生听到、看到的同时学到。让学生学会思考、发现问题和解决问题，进而增强信心、提高学习积极性。为此，笔者在教学中引入 Protues 仿真软件。现以讲授单片机控制模数转换芯片 0809 实现模拟量采集为实例，介绍 Protues 仿真软件用于教学展现的优势， 并且适合讲授其它内容，具有一般性。
Protues 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与仿真软件，它运行于 Windows 操作系统，能够实现原理图设计、电路仿真、软件仿真等功能。模数转换芯片 0809 是将模拟信号转换为数字信号的芯片 [4]。目前控制系统都是基于计算机实现控制功能的，所以必须通过模数转换芯片将模拟信号转换为计算机能够处理的数字信号，所以模数转换是控制系统运行时很重要的信息采集环节。通过本实例使学生更深刻地理解掌握模数转换的机理，同时温故三总线、中断（按照教材安排到此三总线、中断概念已经介绍） 的概念。模数转换的硬件电路图 2。
图 2 模数转换的硬件电路
（1）硬件设计
单片机的三总线分为地址总线、数据总线、控制总线。本实例中单片机的 P0 口既作为 0809 芯片模数转换通道选择的低八位地址总线，又作为读取0809 芯片模数转换后的数字信号的数据总线；显示器的数字信号也来自 P0 口，即 P0 口输出字形码， P2 口的 P2.0 ～ P2.3 输出字位码。P0 口在单片机中属于功能比较强的 I/O 口，可以分时完成以上的功能。控制总线由单片机的 ALE、/EA、/WR、/RD 构成。ALE 作为 74LS373 芯片的地址锁存信号；/WR 作为0809 芯片模数转换通道地址的锁存信号，同时也是0809 芯片开始模数转换的启动信号；/RD 作为 0809 芯片模数转换结果读取控制信号。
模拟信号由可变电阻 RV1 获得，由 0809 芯片的通道 0 输入。0809 芯片模数转换完成后由 EOC 引脚自动输出表示转换完成的联络信号，作为单片机的中断请求信号由 P3.3 引脚引入。单片机响应中断请求后由 P0 口读入数据，完成一次模拟信号采集过程。教师在讲解本部分时一边建模一边讲解三总线的接线方法。
（2）软件设计
软件设计对应的流程框图如图 3。
图 3 软件设计对应的流程框图如
本部分讲解编程思路，同时复习中断程序的编写。如果是采用汇编语言指令编写的程序则可以直接在 Proteus 系统运行，可以观察程序运行的结果； 如果是用 C 语言编写的程序，则需要编译成目标程序运行。
（三） 多模式教学具备得天独厚的效果
借助 Proteus 进行的生动、形象的讲授，使学生复习了锁存器 74LS373 的运用、复习了 P0 口作为地址 / 数据总线的运用、更好地掌握了 /WR、/RD 读写控制信号的运用；更为重要的是通过具体实例从理论、电路设计、编程等几个方面掌握了模数转换芯片 0809 的具体运用。利用仿真软件结合实例讲授模数转换的原理，可以把在学生头脑中以概念的形式、静止的形式存在的知识赋予生命。对那些寄存器的操作、端口数据的输入输出、控制信号的输出不再那么陌生，而是信手拈来，对单片机的操作犹如庖丁解牛一般。建立仿真电路时，可以对单片机的内容重复复习；可以对电路、电子技术等课程不断地温故，不断地强化相关知识的应用，不断提高对所学知识的运用能力，这就是希望学生达到的目标—— 掌握理论知识、培育工程实践能力。
另外，Proteus 仿真软件提供了示波器、信号发生器及逻辑分析仪等虚拟仪表如图 4。可以对三总线中的信号进行在线跟踪观察，对外围电路特性进行实时测量和显示；Proteus 还具有用色点显示芯片管脚状态的功能如图 2 中蓝点和红点。在仿真实验过程中，引脚上的有色小方块显示其状态，红色表示低电平，蓝色表示高电平，灰色表示浮空，黄色表示冲突 ( 如两个器件同时向总线上传送数据 )。这给用户调试、演示带来方便，教师可通过单步调试的方法让学生观察程序运行时线路上信号的变化，引脚的高低电平变化。
总而言之，立体式多模式教学可以使抽象难懂得概念、理论成为生动形象的颜色、波形、声音、动画， 使教学内容易理解，易掌握，极大地提高了学习效率。
图 4 信号发生器及逻辑分析仪
四 考核机制改革的思考
基于前述立体式多模式教学的基础上，对考核机制也应该进行合理地、符合现实需求地改革，即以系统设计、调试能力作为考核依据 [5]。鉴于单片机实践性、工程性很强的特性，可以作为 LED 显示器、定时器 / 计数器控制灯光、外部中断应用、脉冲频率测量、串行口扩展、八位模数转换、数模转换、继电器控制、步进电机控制等等许多小系统的核心控制芯片，以课程设计的形式进行考核。任由学生根据自己的水准选择题目，着眼于系统设计、代码编写仿真实验验证、分析总结方面进行考核，最终给出考核成绩。相信掌握实际技能的学生一定会感到十分的自豪。
五 拓宽视野延伸讲堂
图 5 参加创新竞赛作品
培养创新性人才、培养具有工匠精神的人才仅仅依赖课堂教学是远远不够的，需要千锤百炼，需要一个历练的战场，因此可以将竞赛场作为单片课程的延伸讲堂。单片机课程是一门知识体系完整， 与其他课程联系紧密，且实践、工程性很强的课程。学校可以举办学院级的含单片机的电子制作竞赛、学校级竞赛；同时应积极引导和鼓励学生参加全国大学生电子设计竞赛和全国“互联网 +”大学生创新创业等相关比赛，培养学生的实践操作能力和综合素质，不仅可以激发学生学习的积极性，而且可以使具备创新、创造天赋的潜在人才脱颖而出。图 5 为本校大学生参加创新竞赛作品。
六 小 结
许多公司致力于单片机新功能的开发，因此单片机的功能愈来愈强大。单片机在各行各业必将发挥其灿烂的作用这是毋庸置疑的，也必将成为科技生产力的一个有力的支撑点。学好单片机是很有必要的，笔者通过一次疫情的机会引入了多模式的教学方法，达到了事半功倍的教学效果，通过引入仿真软件实现教学与实践结合，达到了使静止、抽象的知识变得生龙活虎，使教与学的效果、效率得到了提升，实现了教的目标。另外也使学生在仿真软件的运用、虚拟仪器仪表的使用得到了熏陶，有助于培养学生的创新素质和创造能力。
参考文献
[1]张鹏程，王斐，张任 .“互联网 +”背景下《单片机原理与外围电路》教学方法改革与探索 [J]. 教育现代化，2019,6(45):58-59.
[2]曾燕，贾振国 .Proteus 仿真技术在单片机教学中的应用 [J]. 长春工程学院学报 ( 社会科学版 ),2011,12(1):132-134.
[3]康泽威 . 单片机原理及应用课程教学改革与实践研究 [J]. 当代教育实践与教学研究，2019(13):14-15.
[4]覃钰杰 . 信息化教学引入单片机课程改革实践— 以《单片机原理与应用》中数码管的静态显示为例 [J]. 轻工科技 ,2018(12):161-163.
[5]辜小花，钟秉翔，聂玲，等 .《单片机原理及应用》课程的多目标形成性评价机制实践 [J]. 教育现代化，2019(57):22-23.
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