毕业论文基于Proteus的单片机系统设计.docx

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毕业论文基于Proteus的单片机系统设计

基于proteus的单片机系统设计

摘要

Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等。

单片机系统设计包含硬件设计和软件设计两部分。

传统的方法是先进行硬件设计,然后进行软件调试。

当硬件电路不满足设计要求时,就需要修改硬件电路重新进行调试。

Proteus是单片机系统仿真软件,当硬件电路不满足设计要求时,直接修改电路重新进行仿真,直到系统软硬件满足要求为止。

本课题针对PROTEUS软件和编译软件KEIL做了一下简单的介绍。

本文重点对单片机虚拟硬件环境各部分电路进行详细介绍，包括键盘、显示、A/D、D/A转换等。

关键词:

Proteus;单片机;硬件电路;仿真

DesignofsinglechipmicrocomputersystembasedonProteus

Abstract

Proteussoftwarehasmorethan10yearsofhistory,isusedonaglobalscale,inadditiontohavingandotherEDAtoolsprinciplelayout,PCBautomaticallyormanuallywiringandcircuitsimulationfunction,thefunctionisarevolutionary,hiscircuitsimulationisinteractive,inresponsetothemicroprocessorapplication,alsocanbedirectlybasedontheschematicdiagramvirtualprototypeandtherealizationofsoftwareprogramming,sourcecodelevelreal-timedebugging,suchasadisplayandoutput,canseerunningtheinputoutputeffect,withthesystemconfigurationofthevirtualinstrumentssuchasoscilloscopes,logicanalyzers.

Thedesignofsinglechipcomputersystemincludeshardwaredesignandsoftwaredesignoftwoparts.Thetraditionalmethodistofirsthardwaredesign,thenthesoftwaredebugging.Whenthehardwarecircuitcannotmeetthedesignrequirements,weneedtochangehardwarecircuitdebugging.ProteusisaMCUsystemsimulationsoftware,thehardwarecircuitcannotmeetthedesignrequirements,todirectlymodifythecircuitsimulation,untilthesystemhardwareandsoftwarearesatisfied.

InthispaperPROTEUSsoftwareandcompilingthesoftwareKEILtodoasimpleintroduction.Thispaperfocusesonthesinglechipcomputerhardwareenvironmentofvariouspartsofthecircuitareintroducedindetail,includingkeyboard,display,A/D,D/Aconversion.

Keywords:

Proteus;SingleChipMicrocomputer;Circuit;simulation

1绪论

1.1项目背景分析

单片机作为嵌入式系统的核心器件,其系统设计包括硬件电路设计和程序设计两个方面,软件调试一般必须在电路板制作完成、元器件焊接完毕之后进行,而且电路板的制作、元器件的安装、焊接费时费力。

如果采用单片机系统仿真软件Proteus,则不用制作具体的电路板也能够完成以上工作。

使用Proteus进行系统开发成功之后再进行实际制作,可以提高开发效率、降低开发成本、提高开发速度,而这些因素对于企业来讲是非常重要的。

1.2技术发展趋势

现代科技的发展，促进了计算机技术在软件和硬件上的飞速发展，利用计算机软件的仿真技术，可以充分地仿真诸如电路的工作等实际的工程问题。

目前，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。

由于社会对掌握嵌入式技术人才的大量需求，使得嵌入式软硬件工程师成为未来几年内最为热门的职业之一，相当一部分高校已开设嵌入式系统的相关课程。

嵌入式系统是理论与实践结合密切的课程。

但对于嵌入式系统开发的爱好者而言，往往没有足够的资金购买昂贵的开发板来进行开发，这时可以选择通过软件仿真来学习嵌入式系统开发。

Proteus是目前最好的能够虚拟嵌入式系统开发中常用的处理器和外围器件的EDA工具。

Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。

因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。

对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。

1.3课题的意义

单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，应用于各种嵌入式系统中。

单片机技术的发展和推广极大地推动了电子工业的发展，其在教学和产业界的技术推广仍然是当今业界的一个热点。

单片机技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术，掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个基本条件

由于现代科技的发展，单片机促进了计算机技术在软件和硬件上的飞速发展，利用计算机软件的仿真技术，可以充分地仿真诸如电路的工作等实际的工程问题。

本课题充分利用了PROTEUS软件的功能，对各个电路部分进行仿真。

为进行一些简单的单片机实验构建一个虚拟硬件环境

2开发工具介绍

2.1Proteus软件介绍

　Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

Proteus由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS原理图编辑于仿真软件，ARES是布线编辑软件，这里主要介绍ISIS软件。

ISIS软件主要特性有：

（1）丰富的器件库：

超过27000种元器件，可方便地创建新元件；

（2）智能的器件搜索：

通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；

　　（3）智能化的连线功能：

自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时间；

　　（4）支持总线结构：

使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；

（5）可输出高质量图纸：

通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP图纸，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。

2.2Proteus应用方式

（1）运行proteus的ISIS程序后，进入该仿真软件的主界面。

在工作前，要设置view菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。

通过工具栏中的p（从库中选择元件命令）命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source菜单Define code generationtools菜单命令下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source菜单的Add/remove source files命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。

（2）Proteus软件所提供的调试手段

Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。

这些测试信号包括模拟信号和数字信号。

对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus 提供了两种方法：

一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。

对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug菜单下的execute菜单项或F12快捷键启动执行，用debug菜单下的pause animation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug菜单下的stop animation 菜单项或shift-break组合键停止系统的运行。

其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。

对于软件的分步调试，应先执行debug菜单下的start/restart debugging 菜单项命令，此时可以选择step over 、step into 和 step out命令执行程序（可以用快捷键F10、F11和ctrl+F11），执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。

在执行了start / restart debuging命令后，在debug菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。

2.3KeilC51uVision3软件介绍

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

该软件支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，集编辑、编译和程序仿真等于一体，同时还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。

它的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能，并且通过设置可与ISIS联机调试单片机系统。

C51工具包的整体结构中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。

2.4KeilC51的应用方式

（1）安装keilc51v7.20与proteus6.5。

（2）把proteus安装目录下VDM51.dll文件复制到Keil安装目录的\C51\BIN目录中。

（3）修改keil安装目录下Tools.ini文件,在C51字段加入TDRV5=BIN\VDM51.DLL

（4）打开proteus,画出相应电路，在proteus的tools菜单中选中useremotedebugmonitor

（5）在keil中编写MCU的程序

（6）进入KEIL的project菜单optionfortarget''工程名''。

在DEBUG选项中右栏上部的下拉菜选中ProteusVSMMonitor-51Driver。

在进入seting,如果同一台机IP名为127.0.0.1,如不是同一台机则填另一台的IP地址。

端口号一定为8000。

注意：

可以在一台机器上运行keil,另一台中运行proteus进行远程仿真。

（7）在keil中进行debug吧,同时在proteus中查看直观的结果（如LCD显示...）

3硬件电路

3.1电路图

本课题共分为几大模块，具体为4X4键盘显示、8位发光二极管流水灯显示、LCD显示以及A/D和D/A转换5个模块。

所有电路都是围绕主芯片AT89C52来完成的,如图3-1所示。

图3-1

3.2电路设计

3.2.1主芯片89C52：

本设计主要是围绕芯片AT89C52来设计的，下图为芯片AT89C52引脚的具体说明如图3-2所示。

图3-2

（1）AT89C52介绍：

AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。

其主要工作特性是：

片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；

片内数据存储器内含256字节的RAM；

具有32根可编程I/O口线；

具有3个可编程定时器；

中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；

串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；

具有一个数据指针DPTR；

低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；

具有可编程的3级程序锁定位；

AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；

AT89C52最高工作频率为24MHz。

（2）AT89C52的特点：

系统可编程特性：

首开单片机学习开发系统的先河，可方便地在系统实现程序下载，实时修改程序的不足之处，并立即从目标系统中反映出修改的结果，大大缩短单片机学习开发的周期，提高效率

代码全速仿真：

弥补传统学习系统不能全速仿真的缺陷，使系统运行的结果完全反映代码的执行情况，更切实地吻合教学仪器的特点。

其次，在软件开发前的仿真调试后，完全可烧写入目标芯片，并能获得完全一致的代码执行结果。

是集学习、开发于一身的优良的目标系统；

系统资源丰富：

内置4X4矩阵式键盘，内置8位LED发光二极管，内置3路0－5V之间可调的电压，2路继电器控制模块，2路4分频模块，4位级联的74LS164串并转换模块，内置8通道8位A/D转换，内置8位D/A转换，内置8位动态数码显示模块，内置8X8点阵显示模块，4位静态数码显示模块

资源的可重复利用性：

目标系统上的所有资源均能重复利用并能通过软件调配或通过扩展槽增加其它的功能提高系统的实用性。

软硬结合，操作简单方便：

我们不仅提供丰富的硬件资源，也提供良好的上位机控制软件，只要通过软件的功能操作就能实现：

源代码的调试编译，查找与修改错误之处，在线代码下载等功能，使单片机的学习与开发一体化，集成化，更进一步体现系统学习的优越性。

伴随着计算机软件和硬件技术的飞速发展，在各个领域都出现了各种仿真系统，为各种实际系统的开发提供了准确可靠的保证，同时节约了大量的人力和物力。

目前单片机的课程除了主要开设8051系列单片机课程之外，还开设AVR系列、PIC等系列的选修课。

为了保证相应实验的开设，必须要有配套的实验系统。

如果要保证一定的实验硬件设备套数，将是一笔更大的开支。

所以在目前经费非常紧张的情况下，根据经验，引入单片机软件仿真系统（PROTEUS,KEIL）等软件，就可以大大减少硬件设备的采购，同时降低对硬件设备进行维护的工作量，这里我们利用Proteus仿真软件，设计了纯软件的单片机虚拟实验系统,既可调试单片机程序，也可仿真单片机外围器件的工作情况；既能充分利用学校计算机房现有计算机，减少硬件设备的维护工作量，还可为学生提供丰富的实验内容。

（3）AT89C52引脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

字串3

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出

3.2.24×4矩阵式键盘

键盘电路是用AT89C52的并行口P3接4×4矩阵键盘，以P3.0－P3.3作输入线，以P3.4－P3.7作输出线；数码管的a,b,c,d,e,f,g7个端端口接的是主芯片AT89C52的P2口从P2.0到P2.6端,在数码管上显示每个按键的“0－F”序号。

如下图3-2-2所示

图3-2-2

（1）接口说明

接口P3.0控制0号,1号,2号,3号开关；

接口P3.1控制4号,5号,6号,7号开关；

接口P3.2控制8号,9号,A号,B号开关；

接口P3.3控制开关C，D，E，F；

P3.4－P3.7则为输出。

当按下0号开关时，数码管显示为‘0111111’，当按下1号开关时，数码管显示为‘1111001’，一次类推当按下开关F时，数码管显示为‘1110001’。

（2）4×4矩阵键盘工作原理

矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。

在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。

这样键盘中按键的个数是4×4个。

这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

3.2.38位发光二极管

以AT89C52为主芯片设计的一个8位发光二极管以流水灯的形式显示的基本电路,首先,8个发光二极管的输入端是和AT89C52的P1口从P1.0到P1.7端相接,形成8个输入端口,其次,在发光二极管和主芯片之间串联一个1K的电阻,是用来防止发光二极管在电压过大的情况下烧坏的,然后在发光二极管的另一端接的是高电平VCC,这样就形成了8个闭合回路。

如下图3-2-3所示

图3-2-38位发光二极管电路

1）电路接法

8位发光二极管一端接的是Vcc，其次在另一端接的是AT89C52的P1口，然后在二极管和P1之间串联一个电阻，如果Vcc为5V，而流过二极管的电流为3mA，设我用的二极管为硅管，所以我选用的电阻为1K。

2）8位发光二极管原理

因为二极管左边接的是Vcc作为高电平，所以如果要二极管亮的话P1口必须输入低电平，就一条通路而言，在P1.0输入低电平后，D1导通，所以D1就亮了，然后在后面加上延迟，也就是亮的时间后再输入P1.1口为低电平，D2二极管就发亮，同理而言，就实现了流水灯的实验。

3.2.4LCD字符液晶显示器

如下图3-2-4所示，LCD字符液晶显示器是与用AT89C52的并行口P1相接，芯片LM016L为2行16列液晶显示器，可显示2行16列英文字符，有8位数据总线D0-D7，RS，R/W，EN三个控制端口（共14线），工作电压为5V。

没背光，和常用的1602B功能和引脚一样（除了调背光的二个线脚）

图3-2-4LCD液晶显示电路

1．从PROTEUS库中选取元器件

AT89C51：

单片机；

RES、PULLUP：

电阻、上拉电阻；

LM016L；16X2字符LCD显示屏；

CAP、CAP-ELEC：

电容、电解电容；

CRYSTAL：

晶振。

2．LM016L引脚及属性

LM016L引脚说明如下：

数据线D7~D0；

控制线（有3根：

RS、RW、E）；

1根地线VSS；

两根电源线（VDD，VEE）；

LM016L属性说明如下：

每行的字符数为16；行数为2；

时钟为250KHZ；

行1的字符的地址为80H~8FH；

行2的字符地址为C0H~CFH。

3．电路连线

P1.0~P1.7依次与LCD的D0~D7相接;P3.5~P3.7依次与控制LCD的引脚RS、RW、E相接。

4．字符显示原理

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由