Proteus和Keil軟件在單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)中出現(xiàn)的問題，提出了將Proteus仿真軟件和Keil軟件引入到單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)中。以”簡(jiǎn)易溫室監(jiān)控系統(tǒng)”項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述Proteus軟件和Keil軟件在單片機(jī)課程教學(xué)中的使用方法和仿真調(diào)試過程。實(shí)踐證明，該教學(xué)方法能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新能力和單片機(jī)軟硬件綜合開發(fā)能力，取得了良好的教學(xué)效果，是提高單片機(jī)教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量的一種有效方法。
關(guān)鍵詞：MCU；項(xiàng)目式教學(xué)；Proteus仿真軟件；Keil軟件

《單片機(jī)原理與應(yīng)用》是高職機(jī)電類專業(yè)的核心課程之一，也是一門綜合性、實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)課。傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)采用“先理論講解，再動(dòng)手實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)模式，該教學(xué)模式造成學(xué)生理論知識(shí)與實(shí)踐應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，忽視了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力的培養(yǎng)，教學(xué)效果并不理想。目前一種新的教學(xué)方法即項(xiàng)目式教學(xué)法被許多高職院校應(yīng)用與單片機(jī)課程教學(xué)中，這種教學(xué)方法將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，有利于培養(yǎng)學(xué)生單片機(jī)的應(yīng)用綜合能力，提高了學(xué)生的綜合職業(yè)能力，取得了良好的教學(xué)效果。但是在課程實(shí)施過程中也遇到了一些問題。第一實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)要求采購大量的硬件設(shè)備，而且單片機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，設(shè)備的更新維護(hù)都需要投入大量的經(jīng)費(fèi)。第二在單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)中難以輔助硬件電路進(jìn)行教學(xué)演示，即便演示，效果也不是很理想。第三在實(shí)施項(xiàng)目化教學(xué)過程中，一個(gè)項(xiàng)目從硬件電路的設(shè)計(jì)，焊接制作，再到軟硬軟件的調(diào)試，實(shí)施周期過長(zhǎng)，教學(xué)效率有待提高。鑒于此本文將Proteus和Keil軟件引入到單片機(jī)的項(xiàng)目式教學(xué)中，通過仿真的直觀性和生動(dòng)有趣的真實(shí)感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅節(jié)約了硬件資源的投入，而且提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

1 Proteus和Keil軟件的介紹
Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，它除了具有其他EDA工具的原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線、電路仿真等功能外，Proteus最大的特點(diǎn)是基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的外圍電路一起仿真，可直接在單片機(jī)虛擬系統(tǒng)上對(duì)MCU編程，并可對(duì)軟件源代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。同時(shí)，它具有電路互動(dòng)仿真功能，通過動(dòng)態(tài)外設(shè)模型，如鍵盤、LED／LCD等，可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)輸入、輸出結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)交互仿真，或配合Proteus配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，使單片機(jī)虛擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。
Keil軟件是美國Keil Software公司出品的兼容單片機(jī)C語言軟件的開發(fā)系統(tǒng)，是目前世界上最好的51單片機(jī)開發(fā)工具之一。它提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，生成的目標(biāo)代碼效率高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。
Proteus和Keil各自都可以進(jìn)行仿真調(diào)試，但效果不是很理想，如把兩者結(jié)合起來相互配合，則可發(fā)揮Proteus和Keil的優(yōu)勢(shì)使其在仿真過程中的軟件調(diào)試和硬件設(shè)計(jì)更加便捷、高效。

2 基于Proteus和Keil的單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)
單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)是以培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力為核心，將整門課程圍繞項(xiàng)目展開，以項(xiàng)目的開發(fā)步驟作為講課順序，將所要講授的單片機(jī)理論知識(shí)和實(shí)踐技能循序漸進(jìn)地分解到開發(fā)項(xiàng)目的過程中，引導(dǎo)學(xué)生邊千邊學(xué)，在完成一個(gè)又一個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐過程中學(xué)習(xí)。在單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)中使用Proteus和Keil軟件教學(xué)，可以預(yù)先設(shè)計(jì)大量的單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例，在課堂上通過多媒體設(shè)備使用Proteus和Keil仿真軟件演示從單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)到軟件調(diào)試的全過程，這種實(shí)時(shí)的交互式仿真能夠讓學(xué)生體會(huì)到單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真調(diào)試的整個(gè)工作過程，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)單片機(jī)的感性認(rèn)識(shí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性。另一方面．通過使用Proteus和Keil軟件，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，而且也學(xué)習(xí)了儀器儀表的使用，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力。此外還可以解決實(shí)訓(xùn)室設(shè)備有限的難題，不僅節(jié)約了硬件資源，也提高了教學(xué)效率，對(duì)單片機(jī)教學(xué)有著積極的作用。

3 仿真項(xiàng)目教學(xué)案例
項(xiàng)目教學(xué)法的教學(xué)過程是緊緊圍繞一個(gè)或多個(gè)完整的項(xiàng)目展開的，因此教學(xué)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，是單片機(jī)課程教學(xué)成敗的關(guān)鍵。按照以課程內(nèi)容為依托和以就業(yè)為導(dǎo)向的項(xiàng)目開發(fā)原則，設(shè)計(jì)了LED流水燈、秒表、數(shù)字溫度計(jì)、電子萬年歷和簡(jiǎn)易溫室監(jiān)控系統(tǒng)五個(gè)教學(xué)項(xiàng)目案例，這些項(xiàng)目案例大部分來自實(shí)際工程項(xiàng)目，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)加工而成。文中通過“簡(jiǎn)易溫室監(jiān)控系統(tǒng)”這一項(xiàng)目教學(xué)案例來介紹Proteus和Keil在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用。
3．1 硬件設(shè)計(jì)
本案例所設(shè)計(jì)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由信號(hào)采集模塊、單片機(jī)模塊、液晶顯示模塊、時(shí)鐘與存儲(chǔ)模塊、鍵盤模塊和開關(guān)量輸出模塊所組成。系統(tǒng)以ATC89C55單片機(jī)作為控制核心，通過信號(hào)采集模塊將溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)采集送入到單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)與顯示。同時(shí)單片機(jī)把采集來的環(huán)境參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)溫室內(nèi)環(huán)境因子參數(shù)超出預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，單片機(jī)控制開關(guān)量輸出模塊啟動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)至設(shè)定范圍內(nèi)，以滿足不同農(nóng)作物的生長(zhǎng)需求。

在Proteus ISIS界面下完成系統(tǒng)電路原理圖的繪制，信號(hào)采集模塊中，采用DS18B20和SHT11作為溫度和濕度傳感器，單片機(jī)的P1．0、P1．4、P1．5引腳分別接DS1BB20的DQ和SHT11的SCK、DATA管腳。用兩個(gè)分壓可變電路模擬光照度傳感器和二氧化碳傳感器輸出的電壓變化(0～5 V)，單片機(jī)的P1．6引腳控制八路模擬開關(guān)CD4051選擇相應(yīng)的傳感器輸出通道，將輸出的電壓信號(hào)經(jīng)由OP07所構(gòu)成的負(fù)反饋運(yùn)算電路后輸送到A／D轉(zhuǎn)換芯片MAX187的模擬輸入端中，單片機(jī)的P1．1～P1．3引腳分別接MAX187的SCLK、CS、DOUT管腳，從而控制MAX187工作。信號(hào)采集模塊電路原理圖如圖2所示。

鍵盤模塊設(shè)置了4個(gè)獨(dú)立按鍵，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，鍵0為參數(shù)設(shè)置鍵，用于選擇不同的參數(shù)設(shè)置。鍵1，鍵2分別為++鍵，和--鍵，用于對(duì)所設(shè)參數(shù)進(jìn)行遞增和遞減的調(diào)整。鍵3為↑↓鍵，用于選擇上極限值和下極限值。液晶顯示模塊采用不帶字庫的HDG128 64F-1型的LCD液晶顯示器，單片機(jī)的P0．0～P0．4引腳分別接液晶顯示器的SI、SCL、A0、RES、CS1引腳。時(shí)鐘與存儲(chǔ)模塊采用DS13B20和AT24C02芯片，單片機(jī)的P0．5～P0．7引腳接DS13B20的RST、SCLK、I／O引腳，P3．0和P3．1接AT24C02的SCK和SDA引腳。其電路圖如圖3所示。單片機(jī)P2口的8個(gè)引腳用于開關(guān)量的輸出控制，每個(gè)引腳通過光電耦合器件TLP521與輸出通道進(jìn)行隔離，隔離信號(hào)再經(jīng)三極管的放大后驅(qū)動(dòng)12 V的小型繼電器，從而控制執(zhí)行設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。圖3為簡(jiǎn)易溫室監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)采集模塊、顯示模塊和時(shí)鐘存儲(chǔ)模塊電路原理圖如圖2所示。

3．2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制軟件采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)的整體功能分為不同的模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試。完成之后進(jìn)行系統(tǒng)總的聯(lián)調(diào)。系統(tǒng)所有程序均在Keil C環(huán)境下進(jìn)行編譯調(diào)試。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序，系統(tǒng)初始化子程序，溫室參數(shù)采集子程序、時(shí)鐘子程序、存儲(chǔ)子程序、按鍵掃描子程序、數(shù)據(jù)控制處理子程序和液晶顯示子程序等模塊。其中主程序控制流程如圖4所示。

3．3 軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試
將編寫的程序在Keil μVision3集成開發(fā)環(huán)境上編譯調(diào)試，生成相應(yīng)的HEX文件。按照文獻(xiàn)上對(duì)Proteus和Keil軟件進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)Proteus和Keil的聯(lián)合仿真。
系統(tǒng)剛開始工作時(shí)，液晶屏?xí)@示當(dāng)前溫室所采集到的溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度和時(shí)間。當(dāng)采集環(huán)境參數(shù)均在設(shè)定范圍時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)均停止工作。按下參數(shù)設(shè)置鍵，液晶屏?xí)@示溫度的上下極限值設(shè)定界面，接著可通過↑↓鍵來實(shí)現(xiàn)對(duì)上下極限的切換，按++鍵和--鍵可對(duì)溫度的上下極限值進(jìn)行修改，修改好后再按下參數(shù)設(shè)置鍵，液晶屏就會(huì)跳到濕度的上下極限值設(shè)定界面，按照上述操作對(duì)濕度上下限值進(jìn)行修改。同樣的，可對(duì)光照度和二氧化碳濃度也進(jìn)行上下極限值的設(shè)置，設(shè)置完之后，再按一下參數(shù)設(shè)定鍵，液晶屏又會(huì)回到初始界面，而所設(shè)定的環(huán)境參數(shù)極限值也會(huì)自動(dòng)存到單片機(jī)中。以溫度和CO2濃度控制為例，將4個(gè)環(huán)境參數(shù)的上下極限值設(shè)置成如圖5所示。通過調(diào)整DS18B20的↑↓鍵和滑動(dòng)變阻器RV1來改變溫室的溫度值和CO2濃度值，當(dāng)溫室溫度超出所設(shè)溫度上限，而CO2濃度低于所設(shè)下限時(shí)，P2．1和P2．6引腳變?yōu)榈碗娖?，降溫系統(tǒng)和CO2補(bǔ)氣系統(tǒng)馬上開始工作，此時(shí)的液晶仿真界面如圖6所示。而當(dāng)溫室溫度低于所設(shè)溫度下限，而CO2濃度超出所設(shè)上限時(shí)，P2．0和P2．7引腳變?yōu)榈碗娖?，增溫系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)隨之工作。而當(dāng)溫室溫度和CO2濃度在所設(shè)定的上下限范圍內(nèi)時(shí)，上述系統(tǒng)都停止工作。該系統(tǒng)對(duì)其他環(huán)境參數(shù)也具有相同的控制效果。

4 結(jié)論
通過幾年的教學(xué)實(shí)踐證明，相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)課程教學(xué)方式，將Proteus和Keil軟件引入到單片機(jī)項(xiàng)目式教學(xué)中的教學(xué)方式不僅克服了單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室設(shè)備硬件的束縛，使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，而且易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有利于培養(yǎng)學(xué)生的單片機(jī)綜合應(yīng)用能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，明顯的提高了單片機(jī)教學(xué)效率和質(zhì)量。