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摘要：分析了单片机传统教学中存在的问题，提出了基于仿真器的项目式教学方法，将仿真器与目前教学中流行的Proteus相结合。通过教学实例介绍了该方法的实现。实践证明其培养了学生的软硬件设计能力和片上调试能力，提高了教学质量。
关键词：单片机；项目式教学；Proteus；仿真仪
作者简介：陈娟（1978-），女，江苏常州人，常州信息职業技术学院计算机科学与技术学院/软件学院，助教。（江苏 常州 213164）
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）20-0090-02
作为计算机应用技术专业的专业核心课程，单片机课程具有应用性强、实践环节多的特点。目前，单片机技术在工业控制、家电类等自动化领域得到了广泛的应用，而其课程教学也在高校中早已普及，旨在培养学生对以单片机为主的智能电子产品的软硬件设计、调试和维护技能。但是由于单片机内容较为生涩难懂，学生一般都不得要领，很多大学生毕业之后无法将大学里所学的单片机知识与实际工作需要相联系，有些学生甚至不清楚单片机产品的开发流程。[1]
高职教育培养的是高级技术应用性专门人才，侧重于培养学生的实践动手能力。如何培养学生在单片机的实践能力和创新能力，使学生在理论知识掌握的同时，增长项目实践经验，这是高职单片机教学的关键。
针对目前高职教育及单片机教学现状，本文提出基于仿真器的项目式教学，仿真器与目前教学中流行的Proteus相结合，实现“Keil uVision+仿真器+Proteus”的项目式教学。
一、目前教学方法的分析
传统的单片机教学方式大多是教师向学生讲解原理和理论知识，再加以少量的实验演示，这种教学方法在本科院校尤为普遍，通过此教学方法，学生确实可以接受到更多的理论和原理知识，但是这种被动式的求知压抑了学生对单片机的学习兴趣，此外传统教学中缺少培养项目实践能力，培养出来的学生与项目工程实践相脱离，动手能力普遍较差。
随着高等职业教育教学改革的深化，任务驱动、案例教学、项目导向等教学方法得到了越来越广泛的应用。其中，项目教学法是师生通过共同开发一个完整的项目而进行的教学活动。[2]单片机的学习需要较强的实践能力，通过项目教学法，打破“重理论、轻实践”的传统教学模式，将理论与实践相互融合，着重培养学生软硬件结合的能力。此外，整个教学过程可以分为几个具体的项目，并模拟企业中项目的开发流程，学生分为若干小组，明确分工，指定小组的负责人，项目均由小组协作完成。学生在整个项目实施过程中，由于需要自己独立完成，不仅需要主动地理解和掌握项目中所需的知识和技能，培养分析问题和解决问题的能力及团队精神与合作能力，还能了解项目工程的实践流程，对后续专业课程的学习及对培养造就应用型、创造型的一线工程技术人才都将起到较大的促进作用。
“项目式教学”是“基于过程”课程模式的核心与重点，单片机的项目式教学势必以“项目”为载体。由于单片机其系统由硬件与软件组成，一般的项目式教学环境主要有两个，“Keil uVision+单片机实验箱”[3]和“Keil uVision+Proteus”。前者的教学环境使学生能够熟练地下载程序的烧录文件，并能培养学生的片上调试能力。但是它也有自身的缺点：实验箱价格较贵，且需要较大的空间，而需要搭建的电路也已由实验箱给出，学生缺乏电路实际问题的解决能力。后者的教学环境采用Proteus软件仿真单片机系统工作，程序运行在虚拟的MCU上，学生可以摆脱硬件的限制，进行自行实验与调试。但是用proteus仿真不能完全代替实际的硬件电路，如果单纯依赖这种偏软件的教学环境，学生无法接触到真正的硬件电路，长此以往，有的学生甚至认为开发单片机系统就是开发一个纯软件的系统。鉴于以上原因，本文提出基于仿真器的项目式教学法，将仿真器与目前教学中流行的Proteus相结合，仿真器与Proteus取长补短，相互补充。
二、基于仿真器与Proteus的项目教学法的应用
1.仿真器介绍
目前市场上仿真器产品众多，考虑到学校机房的环境，建议采用USB型单片机仿真实验仪（如图1所示）。该实验仪由单片机仿真器与实验电路组成，直接从USB总线上获取5V电源为实验仪供电，省去了外接电源；通过USB接口与PC相连，不再使用PC机上的RS-232串口，这样与PC连接之后只要安装相应的驱动程序即可，有效解决了实验仪与PC连接困难的问题，学生不仅可以在机房进行单片机项目实践，也可以在宿舍里，在没有RS-232串口的笔记本上进行实践。
单片机中内嵌了在线软件仿真器，可在PC机上使用Keil软件对实验仪上的硬件电路及实验程序进行实时仿真调试；实验电路是根据单片机技术的发展特点以及该课程的实验教学大纲设计的，包括基本的数码管、单脉冲、独立式键盘、行列式键盘、蜂鸣器电路以及I2C总线器件、单总线器件、串行A/D转换、红外线收发、字符/点阵型液晶显示电路等，可完成二十多个硬件实验。
2.基于仿真仪的单片机项目教学实例
针对单片机的应用，选用了几个嵌入式电子产品作为载体，将单片机相关的知识、技能融入其中，最终成为5个大型项目。
项目一，“单片机最小系统的制作”：要求学生亲手制作一个能够控制发光管闪烁的简单的单片机应用系统，使学生认识单片机的内部结构、存储器配置、引脚的功能、与外围电路的连接、I/O口的使用特点，学会简单的单片机程序的编写、目标代码的写入，软/硬件的调试方法，初步认识单片机的开发过程。
项目二，“抢答器的设计”：使学生能够使用C语言编写控制程序，根据单片机I/O口的基本特点设计接口电路，学会简单的电子产品的开发与制作方法。
项目三，“电子钟的设计”：涉及定时器的内部结构、使用方法，通过大量的案例使学生掌握定时器应用技巧，最终能根据用户需求制作出能够设置时间、具有闹铃功能的电子钟实物。
项目四，“密码键盘的设计”：以银行、商业等行业广泛应用的密码键盘为教学情景，通过串行口、通信协义、行列式键盘的学习，最终能够设计出具有实用价值的密码键盘。
项目五，“多路测温系统的设计”：根据设计要求导入数字温度传感器、液晶模块的特性、使用方法，在此基础上实现多路测温系统的硬件电路及控制程序的设计与调试。
以下以项目三“电子钟的设计”为教学示范（如图2所示），项目要求学生根据用户需求制作出能够设置时间、具有闹铃功能的电子钟实物，要注意的是，在学生动手做该项目前，要让学生了解定时器的内部结构、使用方法，并可以通过简单的案例使学生掌握定时器应用技巧。
步骤1：教师给出该项目的用户需求，要求学生用四位LED显示器显示当前时、分，时、分之间用闪烁的‘．’分隔，KSET、KINC、KDEC三个按键分别是设置当前时间/闹铃时间、修改时间加1、减1；如果当前时间与闹铃时间一致，蜂鸣器发出“嘟”、“嘟”的闹铃声，LED显示器闪烁，闹铃时按任意一键，关闭蜂鸣器。
步骤2：在确定学生已经完全了解的项目的需求之后，讲解设计思路（如图3所示），引导学生进行系统的软硬件分配。根据设计要求，我们可以将电子钟分为三种工作状态：正常走时状态、设置状态、闹铃状态。定时器T0用来产生时钟和方波，程序中每隔250us就产生一次定时中断，4000次中断正好满1秒。
步骤3：硬件电路设计，为了提高教学效率，可以选择在Proteus仿真软件中绘制电路原理图。如图4所示。
步骤4：硬件调试与软件设计。这一步主要考查学生利用试验仪进行软件的设计与调试的能力，应将重点放在软件的设计与调试上，培养学生的片上调试能力。学生在Keil下新建项目，选择硬件仿真，设置好串口号及波特率，输入源程序，编译成功后进入调试状态，全速运行程序，此时数码管应显示初始时间，如果没有显示，应检查电路中的显示端口与程序中的定义是否一致，显示程序是否有问题。
这一步骤中，通常学生会出现各种问题，比如数码管显示的时间始终不变，提示学生检查程序是否能进入定时器中断服务程序，如果不能，说明定时器及中断的初始化可能有问题。这些都需要学生自己去完成这些调试工作。
步骤5：软硬件联调。此时，学生的软件程序和Proteus下的硬件电路都各自确保正确完成，需要将keil中的程序与Proteus中的硬件电路结合起来。
步骤６：项目总结与考核。本课程的考核方式采用项目鉴定与答辩相结合的方式。通过成果的展示，可以增加学生的成就感和完成项目的动力；而答辩能让教师更好地了解学生的实际水平，做出准确的评价。
三、结束语
本文介绍了项目式教学在单片机课程中的应用，以及通过对Proteus、试验仪与keil的结合，使学生了解单片机的开发流程，着重培养学生的调试能力，为以后的课程和工作打下良好的基础。
参考文献：
[1]孙飞.浅谈项目教学在单片机综合应用课程中的应用[J].常州信息职业技术学院学报,2006,(4).
[2]刘燎原,孙秋波.Proteus软件在单片机项目教学中的应用[J].徐州建筑职业技术学院学报,2009,(6).
[3]葛海江,陶珊.融合Proteus与kei uVision的C51教学模式探索与实践[J].中国科技信息,2009,(24).
（责任编辑：刘辉）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：单片机；项目式教学；Proteus；仿真仪
作者简介：陈娟（1978-），女，江苏常州人，常州信息职業技术学院计算机科学与技术学院/软件学院，助教。（江苏 常州 213164）
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）20-0090-02
作为计算机应用技术专业的专业核心课程，单片机课程具有应用性强、实践环节多的特点。目前，单片机技术在工业控制、家电类等自动化领域得到了广泛的应用，而其课程教学也在高校中早已普及，旨在培养学生对以单片机为主的智能电子产品的软硬件设计、调试和维护技能。但是由于单片机内容较为生涩难懂，学生一般都不得要领，很多大学生毕业之后无法将大学里所学的单片机知识与实际工作需要相联系，有些学生甚至不清楚单片机产品的开发流程。[1]
高职教育培养的是高级技术应用性专门人才，侧重于培养学生的实践动手能力。如何培养学生在单片机的实践能力和创新能力，使学生在理论知识掌握的同时，增长项目实践经验，这是高职单片机教学的关键。
针对目前高职教育及单片机教学现状，本文提出基于仿真器的项目式教学，仿真器与目前教学中流行的Proteus相结合，实现“Keil uVision+仿真器+Proteus”的项目式教学。
一、目前教学方法的分析
传统的单片机教学方式大多是教师向学生讲解原理和理论知识，再加以少量的实验演示，这种教学方法在本科院校尤为普遍，通过此教学方法，学生确实可以接受到更多的理论和原理知识，但是这种被动式的求知压抑了学生对单片机的学习兴趣，此外传统教学中缺少培养项目实践能力，培养出来的学生与项目工程实践相脱离，动手能力普遍较差。
随着高等职业教育教学改革的深化，任务驱动、案例教学、项目导向等教学方法得到了越来越广泛的应用。其中，项目教学法是师生通过共同开发一个完整的项目而进行的教学活动。[2]单片机的学习需要较强的实践能力，通过项目教学法，打破“重理论、轻实践”的传统教学模式，将理论与实践相互融合，着重培养学生软硬件结合的能力。此外，整个教学过程可以分为几个具体的项目，并模拟企业中项目的开发流程，学生分为若干小组，明确分工，指定小组的负责人，项目均由小组协作完成。学生在整个项目实施过程中，由于需要自己独立完成，不仅需要主动地理解和掌握项目中所需的知识和技能，培养分析问题和解决问题的能力及团队精神与合作能力，还能了解项目工程的实践流程，对后续专业课程的学习及对培养造就应用型、创造型的一线工程技术人才都将起到较大的促进作用。
“项目式教学”是“基于过程”课程模式的核心与重点，单片机的项目式教学势必以“项目”为载体。由于单片机其系统由硬件与软件组成，一般的项目式教学环境主要有两个，“Keil uVision+单片机实验箱”[3]和“Keil uVision+Proteus”。前者的教学环境使学生能够熟练地下载程序的烧录文件，并能培养学生的片上调试能力。但是它也有自身的缺点：实验箱价格较贵，且需要较大的空间，而需要搭建的电路也已由实验箱给出，学生缺乏电路实际问题的解决能力。后者的教学环境采用Proteus软件仿真单片机系统工作，程序运行在虚拟的MCU上，学生可以摆脱硬件的限制，进行自行实验与调试。但是用proteus仿真不能完全代替实际的硬件电路，如果单纯依赖这种偏软件的教学环境，学生无法接触到真正的硬件电路，长此以往，有的学生甚至认为开发单片机系统就是开发一个纯软件的系统。鉴于以上原因，本文提出基于仿真器的项目式教学法，将仿真器与目前教学中流行的Proteus相结合，仿真器与Proteus取长补短，相互补充。
二、基于仿真器与Proteus的项目教学法的应用
1.仿真器介绍
目前市场上仿真器产品众多，考虑到学校机房的环境，建议采用USB型单片机仿真实验仪（如图1所示）。该实验仪由单片机仿真器与实验电路组成，直接从USB总线上获取5V电源为实验仪供电，省去了外接电源；通过USB接口与PC相连，不再使用PC机上的RS-232串口，这样与PC连接之后只要安装相应的驱动程序即可，有效解决了实验仪与PC连接困难的问题，学生不仅可以在机房进行单片机项目实践，也可以在宿舍里，在没有RS-232串口的笔记本上进行实践。
单片机中内嵌了在线软件仿真器，可在PC机上使用Keil软件对实验仪上的硬件电路及实验程序进行实时仿真调试；实验电路是根据单片机技术的发展特点以及该课程的实验教学大纲设计的，包括基本的数码管、单脉冲、独立式键盘、行列式键盘、蜂鸣器电路以及I2C总线器件、单总线器件、串行A/D转换、红外线收发、字符/点阵型液晶显示电路等，可完成二十多个硬件实验。
2.基于仿真仪的单片机项目教学实例
针对单片机的应用，选用了几个嵌入式电子产品作为载体，将单片机相关的知识、技能融入其中，最终成为5个大型项目。
项目一，“单片机最小系统的制作”：要求学生亲手制作一个能够控制发光管闪烁的简单的单片机应用系统，使学生认识单片机的内部结构、存储器配置、引脚的功能、与外围电路的连接、I/O口的使用特点，学会简单的单片机程序的编写、目标代码的写入，软/硬件的调试方法，初步认识单片机的开发过程。
项目二，“抢答器的设计”：使学生能够使用C语言编写控制程序，根据单片机I/O口的基本特点设计接口电路，学会简单的电子产品的开发与制作方法。
项目三，“电子钟的设计”：涉及定时器的内部结构、使用方法，通过大量的案例使学生掌握定时器应用技巧，最终能根据用户需求制作出能够设置时间、具有闹铃功能的电子钟实物。
项目四，“密码键盘的设计”：以银行、商业等行业广泛应用的密码键盘为教学情景，通过串行口、通信协义、行列式键盘的学习，最终能够设计出具有实用价值的密码键盘。
项目五，“多路测温系统的设计”：根据设计要求导入数字温度传感器、液晶模块的特性、使用方法，在此基础上实现多路测温系统的硬件电路及控制程序的设计与调试。
以下以项目三“电子钟的设计”为教学示范（如图2所示），项目要求学生根据用户需求制作出能够设置时间、具有闹铃功能的电子钟实物，要注意的是，在学生动手做该项目前，要让学生了解定时器的内部结构、使用方法，并可以通过简单的案例使学生掌握定时器应用技巧。
步骤1：教师给出该项目的用户需求，要求学生用四位LED显示器显示当前时、分，时、分之间用闪烁的‘．’分隔，KSET、KINC、KDEC三个按键分别是设置当前时间/闹铃时间、修改时间加1、减1；如果当前时间与闹铃时间一致，蜂鸣器发出“嘟”、“嘟”的闹铃声，LED显示器闪烁，闹铃时按任意一键，关闭蜂鸣器。
步骤2：在确定学生已经完全了解的项目的需求之后，讲解设计思路（如图3所示），引导学生进行系统的软硬件分配。根据设计要求，我们可以将电子钟分为三种工作状态：正常走时状态、设置状态、闹铃状态。定时器T0用来产生时钟和方波，程序中每隔250us就产生一次定时中断，4000次中断正好满1秒。
步骤3：硬件电路设计，为了提高教学效率，可以选择在Proteus仿真软件中绘制电路原理图。如图4所示。
步骤4：硬件调试与软件设计。这一步主要考查学生利用试验仪进行软件的设计与调试的能力，应将重点放在软件的设计与调试上，培养学生的片上调试能力。学生在Keil下新建项目，选择硬件仿真，设置好串口号及波特率，输入源程序，编译成功后进入调试状态，全速运行程序，此时数码管应显示初始时间，如果没有显示，应检查电路中的显示端口与程序中的定义是否一致，显示程序是否有问题。
这一步骤中，通常学生会出现各种问题，比如数码管显示的时间始终不变，提示学生检查程序是否能进入定时器中断服务程序，如果不能，说明定时器及中断的初始化可能有问题。这些都需要学生自己去完成这些调试工作。
步骤5：软硬件联调。此时，学生的软件程序和Proteus下的硬件电路都各自确保正确完成，需要将keil中的程序与Proteus中的硬件电路结合起来。
步骤６：项目总结与考核。本课程的考核方式采用项目鉴定与答辩相结合的方式。通过成果的展示，可以增加学生的成就感和完成项目的动力；而答辩能让教师更好地了解学生的实际水平，做出准确的评价。
三、结束语
本文介绍了项目式教学在单片机课程中的应用，以及通过对Proteus、试验仪与keil的结合，使学生了解单片机的开发流程，着重培养学生的调试能力，为以后的课程和工作打下良好的基础。
参考文献：
[1]孙飞.浅谈项目教学在单片机综合应用课程中的应用[J].常州信息职业技术学院学报,2006,(4).
[2]刘燎原,孙秋波.Proteus软件在单片机项目教学中的应用[J].徐州建筑职业技术学院学报,2009,(6).
[3]葛海江,陶珊.融合Proteus与kei uVision的C51教学模式探索与实践[J].中国科技信息,2009,(24).
（责任编辑：刘辉）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文