Proteus和Keil軟件在單片機項目式教學(xué)中的應用

摘要：針對單片機項目式教學(xué)中出現的問(wèn)題，提出了將Proteus仿真軟件和Keil軟件引入到單片機項目式教學(xué)中。以”簡(jiǎn)易溫室監控系統”項目為例，詳細闡述Proteus軟件和Keil軟件在單片機課程教學(xué)中的使用方法和仿真調試過(guò)程。實(shí)踐證明，該教學(xué)方法能激發(fā)學(xué)生學(xué)習的熱情，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng )新能力和單片機軟硬件綜合開(kāi)發(fā)能力，取得了良好的教學(xué)效果，是提高單片機教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量的一種有效方法。
關(guān)鍵詞：MCU；項目式教學(xué)；Proteus仿真軟件；Keil軟件

《單片機原理與應用》是高職機電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程之一，也是一門(mén)綜合性、實(shí)踐性、應用性很強的專(zhuān)業(yè)課。傳統的單片機課程教學(xué)采用“先理論講解，再動(dòng)手實(shí)驗”的教學(xué)模式，該教學(xué)模式造成學(xué)生理論知識與實(shí)踐應用嚴重脫節，忽視了對學(xué)生創(chuàng )新能力和綜合運用知識的能力的培養，教學(xué)效果并不理想。目前一種新的教學(xué)方法即項目式教學(xué)法被許多高職院校應用與單片機課程教學(xué)中，這種教學(xué)方法將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機結合，有利于培養學(xué)生單片機的應用綜合能力，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(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題。第一實(shí)施項目式教學(xué)要求采購大量的硬件設備，而且單片機技術(shù)發(fā)展日新月異，設備的更新維護都需要投入大量的經(jīng)費。第二在單片機項目式教學(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)施項目化教學(xué)過(guò)程中，一個(gè)項目從硬件電路的設計，焊接制作，再到軟硬軟件的調試，實(shí)施周期過(guò)長(cháng)，教學(xué)效率有待提高。鑒于此本文將Proteus和Keil軟件引入到單片機的項目式教學(xué)中，通過(guò)仿真的直觀(guān)性和生動(dòng)有趣的真實(shí)感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，不僅節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(kāi)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(xiàn)、電路仿真等功能外，Proteus最大的特點(diǎn)是基于微控制器的設計連同所有的外圍電路一起仿真，可直接在單片機虛擬系統上對MCU編程，并可對軟件源代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調試。同時(shí)，它具有電路互動(dòng)仿真功能，通過(guò)動(dòng)態(tài)外設模型，如鍵盤(pán)、LED／LCD等，可實(shí)時(shí)顯示系統輸入、輸出結果，以實(shí)現交互仿真，或配合Proteus配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，使單片機虛擬系統實(shí)現預期的實(shí)驗效果。
Keil軟件是美國Keil Software公司出品的兼容單片機C語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)系統，是目前世界上最好的51單片機開(kāi)發(fā)工具之一。它提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開(kāi)發(fā)調試工具，生成的目標代碼效率高，多數語(yǔ)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)行仿真調試，但效果不是很理想，如把兩者結合起來(lái)相互配合，則可發(fā)揮Proteus和Keil的優(yōu)勢使其在仿真過(guò)程中的軟件調試和硬件設計更加便捷、高效。

2 基于Proteus和Keil的單片機項目式教學(xué)
單片機項目式教學(xué)是以培養學(xué)生的職業(yè)能力為核心，將整門(mén)課程圍繞項目展開(kāi)，以項目的開(kāi)發(fā)步驟作為講課順序，將所要講授的單片機理論知識和實(shí)踐技能循序漸進(jìn)地分解到開(kāi)發(fā)項目的過(guò)程中，引導學(xué)生邊千邊學(xué)，在完成一個(gè)又一個(gè)項目的實(shí)踐過(guò)程中學(xué)習。在單片機項目式教學(xué)中使用Proteus和Keil軟件教學(xué)，可以預先設計大量的單片機應用實(shí)例，在課堂上通過(guò)多媒體設備使用Proteus和Keil仿真軟件演示從單片機硬件設計到軟件調試的全過(guò)程，這種實(shí)時(shí)的交互式仿真能夠讓學(xué)生體會(huì )到單片機系統設計仿真調試的整個(gè)工作過(guò)程，增強學(xué)生對單片機的感性認識，提高了學(xué)生的學(xué)習興趣和學(xué)習積極性。另一方面．通過(guò)使用Proteus和Keil軟件，學(xué)生不僅學(xué)習了單片機的硬件設計和軟件編程，而且也學(xué)習了儀器儀表的使用，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問(wèn)題的能力。此外還可以解決實(shí)訓室設備有限的難題，不僅節約了硬件資源，也提高了教學(xué)效率，對單片機教學(xué)有著(zhù)積極的作用。

3 仿真項目教學(xué)案例
項目教學(xué)法的教學(xué)過(guò)程是緊緊圍繞一個(gè)或多個(gè)完整的項目展開(kāi)的，因此教學(xué)項目的設計，是單片機課程教學(xué)成敗的關(guān)鍵。按照以課程內容為依托和以就業(yè)為導向的項目開(kāi)發(fā)原則，設計了LED流水燈、秒表、數字溫度計、電子萬(wàn)年歷和簡(jiǎn)易溫室監控系統五個(gè)教學(xué)項目案例，這些項目案例大部分來(lái)自實(shí)際工程項目，再經(jīng)過(guò)適當的教學(xué)加工而成。文中通過(guò)“簡(jiǎn)易溫室監控系統”這一項目教學(xué)案例來(lái)介紹Proteus和Keil在單片機教學(xué)中的應用。
3．1 硬件設計
本案例所設計的溫室監控系統整體結構框圖如圖1所示，主要由信號采集模塊、單片機模塊、液晶顯示模塊、時(shí)鐘與存儲模塊、鍵盤(pán)模塊和開(kāi)關(guān)量輸出模塊所組成。系統以ATC89C55單片機作為控制核心，通過(guò)信號采集模塊將溫室內的溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度等環(huán)境參數采集送入到單片機，單片機實(shí)現對環(huán)境參數的實(shí)時(shí)存儲與顯示。同時(shí)單片機把采集來(lái)的環(huán)境參數與預先設定的參數值進(jìn)行比較，當溫室內環(huán)境因子參數超出預先設定的值時(shí)，單片機控制開(kāi)關(guān)量輸出模塊啟動(dòng)相應的執行機構，調節環(huán)境參數至設定范圍內，以滿(mǎn)足不同農作物的生長(cháng)需求。

在Proteus ISIS界面下完成系統電路原理圖的繪制，信號采集模塊中，采用DS18B20和SHT11作為溫度和濕度傳感器，單片機的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)，單片機的P1．6引腳控制八路模擬開(kāi)關(guān)CD4051選擇相應的傳感器輸出通道，將輸出的電壓信號經(jīng)由OP07所構成的負反饋運算電路后輸送到A／D轉換芯片MAX187的模擬輸入端中，單片機的P1．1～P1．3引腳分別接MAX187的SCLK、CS、DOUT管腳，從而控制MAX187工作。信號采集模塊電路原理圖如圖2所示。

鍵盤(pán)模塊設置了4個(gè)獨立按鍵，用于實(shí)現對溫室監控系統參數的設置，鍵0為參數設置鍵，用于選擇不同的參數設置。鍵1，鍵2分別為++鍵，和--鍵，用于對所設參數進(jìn)行遞增和遞減的調整。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)鐘與存儲模塊采用DS13B20和AT24C02芯片，單片機的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P2口的8個(gè)引腳用于開(kāi)關(guān)量的輸出控制，每個(gè)引腳通過(guò)光電耦合器件TLP521與輸出通道進(jìn)行隔離，隔離信號再經(jīng)三極管的放大后驅動(dòng)12 V的小型繼電器，從而控制執行設備執行相應的動(dòng)作。圖3為簡(jiǎn)易溫室監控系統的信號采集模塊、顯示模塊和時(shí)鐘存儲模塊電路原理圖如圖2所示。

3．2 軟件設計
系統控制軟件采用模塊化的程序設計思想，將系統的整體功能分為不同的模塊，各個(gè)模塊單獨設計、編程、調試。完成之后進(jìn)行系統總的聯(lián)調。系統所有程序均在Keil C環(huán)境下進(jìn)行編譯調試。系統的軟件設計主要包括主程序，系統初始化子程序，溫室參數采集子程序、時(shí)鐘子程序、存儲子程序、按鍵掃描子程序、數據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)合仿真調試
將編寫(xiě)的程序在Keil μVision3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境上編譯調試，生成相應的HEX文件。按照文獻上對Proteus和Keil軟件進(jìn)行相關(guān)設置，實(shí)現Proteus和Keil的聯(lián)合仿真。
系統剛開(kāi)始工作時(shí)，液晶屏會(huì )顯示當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。當采集環(huán)境參數均在設定范圍時(shí)，執行機構均停止工作。按下參數設置鍵，液晶屏會(huì )顯示溫度的上下極限值設定界面，接著(zhù)可通過(guò)↑↓鍵來(lái)實(shí)現對上下極限的切換，按++鍵和--鍵可對溫度的上下極限值進(jìn)行修改，修改好后再按下參數設置鍵，液晶屏就會(huì )跳到濕度的上下極限值設定界面，按照上述操作對濕度上下限值進(jìn)行修改。同樣的，可對光照度和二氧化碳濃度也進(jìn)行上下極限值的設置，設置完之后，再按一下參數設定鍵，液晶屏又會(huì )回到初始界面，而所設定的環(huán)境參數極限值也會(huì )自動(dòng)存到單片機中。以溫度和CO2濃度控制為例，將4個(gè)環(huán)境參數的上下極限值設置成如圖5所示。通過(guò)調整DS18B20的↑↓鍵和滑動(dòng)變阻器RV1來(lái)改變溫室的溫度值和CO2濃度值，當溫室溫度超出所設溫度上限，而CO2濃度低于所設下限時(shí)，P2．1和P2．6引腳變?yōu)榈碗娖?，降溫系統和CO2補氣系統馬上開(kāi)始工作，此時(shí)的液晶仿真界面如圖6所示。而當溫室溫度低于所設溫度下限，而CO2濃度超出所設上限時(shí)，P2．0和P2．7引腳變?yōu)榈碗娖?，增溫系統和通風(fēng)系統隨之工作。而當溫室溫度和CO2濃度在所設定的上下限范圍內時(shí)，上述系統都停止工作。該系統對其他環(huán)境參數也具有相同的控制效果。

4 結論
通過(guò)幾年的教學(xué)實(shí)踐證明，相對于傳統的單片機課程教學(xué)方式，將Proteus和Keil軟件引入到單片機項目式教學(xué)中的教學(xué)方式不僅克服了單片機實(shí)訓室設備硬件的束縛，使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機結合，而且易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情，有利于培養學(xué)生的單片機綜合應用能力、動(dòng)手能力和創(chuàng )新能力，明顯的提高了單片機教學(xué)效率和質(zhì)量。