单片机应用产品的PROTEUS设计与仿真(图)

本文从单片机应用产品研发实例出发，介绍了如何利用PROTEUS高效、正确地完成单片机应用产品的设计与仿真。

PROTEUS是单片机系统的设计与仿真平台
PROTEUS是英国Labcenter electronics公司研发的多功能EDA软件,它具有功能很强的ISIS智能原理图输入系统，有非常友好的人机互动窗口界面；有丰富的操作菜单与工具。在ISIS编辑区中，能方便地完成单片机系统的硬件设计、软件设计、单片机源代码级调试与仿真。

PROTEUS有三十多个元器件库，拥有数千种元器件仿真模型；有形象生动的动态器件库、外设库。特别是有从8051系列8位单片机直至ARM7 32位单片机的多种单片机类型库。它们是单片机系统设计与仿真的基础。

PROTEUS有多达十余种的信号激励源，十余种虚拟仪器。还有用来精确测量与分析的PROTEUS高级图表仿真（ASF）。它们构成了单片机系统设计与仿真的完整的虚拟实验室。

PROTEUS还有使用极方便的印刷电路板高级布线编辑软件（PCB）。特别指出，PROTEUS库中数千种仿真模型是依据生产企业提供的数据来建模的。因此，PROTEUS设计与仿真极其接近实际。

目前，PROTEUS已成为流行的单片机系统设计与仿真平台，应用于各种领域。笔者就利用PROTEUS完成了多种产品的开发，例如：“微电脑（单片机）防盗报警器”、“纯水机微电脑控制板”、“LED汉字显示屏”、“双单片机控制的万年历倒计时牌”等。实践证明：PROTEUS是单片机应用产品研发的灵活、高效、正确的设计与仿真平台，它明显提高了研发效率、缩短了研发周期，节约了研发成本。

PROTEUS改革了单片机应用产品的研发过程
单片机系统的传统开发过程一般可分为三步：

①单片机系统原理图设计，选择、购买元器件和接插件，安装和电气检测等（简称硬件设计）；

②进行单片机系统程序设计，调试、汇编编译等（简称软件设计）；

③单片机系统在线调试、检测，实时运行直至完成（简称单片机系统综合调试）。

PROTEUS促进了单片机产品研发过程的改革，有PROTEUS参与的单片机系统开发过程一般分为四步：

①在PROTEUS 平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等（简称PROTEUS 电路设计）；

②在PROTEUS平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试，最后生成目标代码文件（*.hex）（简称PROTEUS 软件设计）；

③在PROTEUS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真（简称PROTEUS 仿真）；

④仿真正确后，安装实际单片机系统电路，并将目标代码文件（*.hex）下载到实际单片机中运行、调试。若出现问题，可与PROTEUS设计与仿真相互配合调试，直至运行成功（简称实际产品安装、运行与调试）。笔者的实践证明：按照PROTEUS仿真通过的设计来安装的实际系统，只要安装正确、元器件无误，焊接牢靠，基本都能顺利通过。

下面以笔者研发的“双单片机控制的万年历倒计时牌”（简称“倒计时牌”）为例，论述PROTEUS在单片机应用产品研发中的开发过程、实际操作。该“倒计时牌”已在部分中学用来作为高考日期倒计时警示牌。为精减论述，本文省去了农历、时温等部分。它由两块AT89S51、DS1302时钟芯片、16块LED数码管、3个倒计时初值设置拨码盘等构成。图1是它的PROTEUS设计与实时仿真片断。右边为双单片机控制的电路部分。电路连接除采用直接连线外还采用了PROTEUS提供的网络标号连接方法。左上方为显示部分，左下方分别为设置倒计时初置的3个拨码盘、音乐警示喇叭及3个调整开关。单片机U1、U6的晶振频率分别设置为12MHz、6MHz。该“倒计时牌”调整方便、性能稳定、性价比高。

图1 “倒计时牌”的PROTEUS设计与仿真片断

“倒计时牌”的PROTEUS电路设计
这是产品研发过程的第一步。
启动PROTEUS后，将出现用于设计与仿真的ISIS窗口。图2是“倒计时牌”PROTEUS设计时的ISIS界面情况。采用鼠标操作，非常方便。设计好图纸尺寸定义好文件名后，即可按设计需要从PROTEUS库中提取设计所需要的元器件，放置到ISIS编辑区中，进行电路连接等电路设计。设计好电路后可使用PROTEUS提供的电气检测工具对电路进行电气检测。若电路出现电气错误，会弹出信息报告。可根据报告排除电气错误，直至成功。

图2 “倒计时牌”PROTEUS设计时的ISIS界面情况

“倒计时牌”的PROTEUS软件设计
这是产品研发过程的第二步。
PROTEUS设计好硬件电路后，要进行单片机的软件设计。因是双单片机控制，所以要设计对应U1单片机的软件和U6单片机的软件。PROTEUS提供了在ISIS窗口界面中进行编写源程序、编译生成目标代码文件（*.HEX）的手段，可进行编写、编辑等各种操作。可通过在ISIS中点击菜单项Source的多级子菜单来实现。编写好源程序后，可左键单击菜单“Source”，在弹出子菜单中左键单击“Build All”选项，则将两个源程序编译生成各自的目标代码文件（WNL01.HEX和 CNTDAF.HEX）。若源程序有错，则弹出出错报告，可根据报告排错直至生成目标代码为止。图3是在ISIS中编辑源程序的现场情况，图中只显示出两个源程序的部分程序条。因篇幅关系不列完整程序了，若需要，可发邮件给zlb163com@163.com索取。

图3 “倒计时牌”的PROTEUS的软件设计

“倒计时牌”的PROTEUS仿真
这是产品研发过程的第三步。
首先要进行目标代码加载和设置晶振频率。将鼠标指向单片机U1，右键单击,再左键单击，则弹出如图4所示的“Edit Component”对话框，在“Program File”框中输入它的目标代码文件“WNL01.HEX”， 在“Clock Frequency”框中输入晶振频率12MHz，左键单击“OK”按钮即完成操作。再将鼠标指向单片机U6，同样操作可将它的目标代码文件CNTDAF.HEX加载到单片机U6中。再在“Clock Frequency”框中输入晶振频率6MHz。

左键单击仿真按钮则可实现交互式、实时仿真。仿真片段如图1所示。
仿真中，可用鼠标分别调节三个拨码盘设置倒记时初值（图1中初值设置为“096”）；通过分别调节“调日历”、“调时”、“加一”3个按钮可校正万年历。
当倒记时值减至0时，则喇叭中发出警示音乐声。

 
“倒计时牌”实际产品的安装、运行与调试
这是产品研发过程的第四步。
“倒计时牌”交互式实时仿真通过后，可转到PROTEUS PCB DESIGN中，根据设计要求设计PCB电路板，设计中要注意布线的科学性。购买符合设计要求的元器件、接插件。细心安装实际的“倒计时牌”硬件电路。并将目标代码文件WNL01.hex、CNTDAF.HEX分别下载到实际的单片机U1（AT89S51）和U6（AT89S51）中，实际通电运行。
笔者的实践证明：只要元器件无误、安装正确、焊接牢靠，基本都能顺利通过。至此，胜利完成了这一单片机应用产品的研发，且省力、省财、省时。

图4 对U1加载目标代码文件、设置晶振频率

结论
实践证明，PROTEUS是单片机应用产品灵活、高效、正确的设计与仿真平台，改革了单片机应用产品的研发过程，为单片机应用产品研发提供了完整的虚拟实验室。