李文趨

摘要 針對(duì)單片機(jī)教學(xué)中如何讓學(xué)生快速入門的問(wèn)題，利用Proteus最新的8.7版本中的IOT Builder模塊的可視化編程模塊，讓學(xué)生可以快速設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)行自己的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)小夜燈這個(gè)項(xiàng)目的案例講述，呈現(xiàn)了IOT Builder可視化設(shè)計(jì)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】Proteus 單片機(jī) 可視化編程 IOTBuilder

1 引言

Proteus是英國(guó)Labcenter公司開(kāi)發(fā)的一款虛擬仿真軟件，該軟件可用于模擬電路與數(shù)字電路、單片機(jī)、微機(jī)原理與接口等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，突破硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及時(shí)間空間的限制，大大方便了教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)，在國(guó)內(nèi)高校已經(jīng)比較廣泛地應(yīng)用與教學(xué)。Proteus的最新版本8.7版推出了一個(gè)IOT （Intemet ofthings）模塊，該模塊基于Arduino硬件平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)可視化的軟硬件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的硬件、軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)是很好的入門工具。本文基于Proteus IOT Builder模塊，研究探討其在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用。

2 可視化仿真教學(xué)案例

以小夜燈的設(shè)計(jì)為例，要設(shè)計(jì)一個(gè)小夜燈，該燈只有在夜晚且有人靠近時(shí)才會(huì)點(diǎn)亮。此案例需要添加的硬件模塊有：光照傳感器、紅外傳感器、LED燈，在設(shè)計(jì)好硬件部分后需要編寫單片機(jī)的軟件，控制LED燈的亮和滅。

2.1 硬件電路的仿真

首先在Proteus 8.7版中新建一個(gè)工程，在選擇工程的固件時(shí)要選擇Arduino Uno，即我們的工程是基于Arduino Uno平臺(tái)的，工程創(chuàng)建完成后如圖1。Visual Designer窗口是編寫單片機(jī)程序的窗口，默認(rèn)有SETUP和LOOP兩個(gè)函數(shù)，我們要先完成硬件電路的設(shè)計(jì)仿真，因此，暫時(shí)不用編寫程序。

接下來(lái)我們需要添加三個(gè)外圍設(shè)備：（irove紅外距離傳感器、Grove亮度傳感器和Grove LED。通過(guò)“Project/Add Peripheral”添加外圍設(shè)備。添加Grove亮度傳感器入圖2所示，其他連個(gè)外圍設(shè)備添加圖略。

三個(gè)外圍設(shè)備都添加好后，兩個(gè)Grove傳感器的連接器默認(rèn)都是AO，如果不修改會(huì)導(dǎo)致外圍設(shè)備的硬件沖突，這里我們這兩個(gè)傳感器的連接器設(shè)置為AO和A2，設(shè)置好之后的外設(shè)設(shè)備電路仿真圖如圖3。

至此，硬件部分完成，可以看到，通過(guò)使用Grove模塊化的硬件，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程大大簡(jiǎn)化了。

2.2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

IOT Builder通過(guò)其特有的Visual Designer窗口，以可視化組件的方式來(lái)編寫代碼，以流程圖的方式來(lái)編寫程序，這個(gè)過(guò)程不需要編寫代碼，設(shè)計(jì)完流程圖后也就完成了代碼的編寫。在SETUP函數(shù)中，要完成單片機(jī)1/0端口的初始化，將連接兩個(gè)傳感器的端口設(shè)置為輸入模式，將連接LED燈的端口設(shè)置為輸出模式，圖略。

接下來(lái)要讀取亮度傳感器的數(shù)值。將Project目錄樹(shù)下的PD1下的readLuminance（）方法拖動(dòng)到LOOP函數(shù)中，并將讀取到數(shù)值賦給Lux變量（即讀取的亮度傳感器數(shù)值賦給Lux，其讀取的數(shù)值范圍為0-1000，亮度越高讀取的數(shù)值越大），結(jié)果如圖4。

繼續(xù)讀取距離傳感器數(shù)值。用GPI對(duì)象的readDistance（）方法讀取紅外距離傳感器數(shù)值并賦值給cm變量。圖略。

然后設(shè)置點(diǎn)亮LED燈的閾值。本例我們將閾值設(shè)置為L(zhǎng)ux<100且cm<20，即亮度小于100且距離小于20就點(diǎn)亮LED燈，否則燈就不亮。從工作面板中拖出兩個(gè)if判斷模塊，按照設(shè)定的閾值點(diǎn)燈和滅燈。設(shè)置完成后如圖5。

至此，軟件部分完成。接下來(lái)仿真測(cè)試。編譯成功后單擊運(yùn)行按鈕，按照我們?cè)O(shè)定的閾值測(cè)試，當(dāng)cm<20且Lux<100時(shí)燈亮，否則不亮。圖略。

3 教學(xué)效果探討

通過(guò)IOT Builder模塊可視化編程的功能，在教學(xué)實(shí)踐中大部分學(xué)生能夠比較輕松地完成該實(shí)驗(yàn)，對(duì)比以往沒(méi)有采用可視化技術(shù)時(shí)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成率明顯提高。可視化的設(shè)計(jì)和編程過(guò)程相比以往的純代碼的方式來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單、思路清楚，因?yàn)椴簧婕熬唧w的C語(yǔ)言語(yǔ)句的編寫，不容易出錯(cuò)，調(diào)試也比較方便。這解決了學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)的一個(gè)最大的痛點(diǎn)：初學(xué)的學(xué)生在編寫代碼時(shí)，由于不熟練或沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，代碼中往往會(huì)有各種錯(cuò)誤導(dǎo)致編譯失敗，反復(fù)多次之后如果程序還是不能正確運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致很多學(xué)生不愿意動(dòng)手、學(xué)習(xí)興趣下降。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)中使用了IOT可視化編程以后取得了良好的效果，學(xué)生普遍比較愛(ài)動(dòng)手、會(huì)動(dòng)手了。在用可視化編程完成開(kāi)發(fā)后還可以自動(dòng)生成C語(yǔ)言源代碼，學(xué)生可以通過(guò)生成的源代碼研究可視化模塊和C語(yǔ)言源程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，加深對(duì)程序的理解。不過(guò)應(yīng)該指出的是該軟件用于初學(xué)者入門是比較不錯(cuò)的，但是如果用于比較復(fù)雜的工程應(yīng)用是不合適的，在可視化編程界面中放置不下很多流程圖，這一點(diǎn)要提醒學(xué)生和使用者。

4 結(jié)語(yǔ)

單片機(jī)的開(kāi)發(fā)涉及軟件和硬件的開(kāi)發(fā)，如何引導(dǎo)學(xué)生快速入門十分重要，否則學(xué)生可能會(huì)由于學(xué)習(xí)的難度失去學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。Proteus IOT Builder可視化編程模塊通過(guò)可視化的硬件和軟件設(shè)計(jì)能夠幫助學(xué)生快速入門，是一款具有良好教學(xué)效果的教學(xué)軟件。

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