51單片機(jī)proteus電路設(shè)計仿真實驗

EDA仿真工具proteus

proteus是由英國Labcenter Electronics公司研發(fā)的EDA仿真工具軟件，EDA主要用于自動化控制系統(tǒng)電路設(shè)計和仿真。我們使用proteus主要完成兩部分工作：一部分工作用于設(shè)計單片機(jī)應(yīng)用電路，包括單片機(jī)與外圍芯片、電子器件的布局和連線；一部分工作用于電路仿真，在仿真單片機(jī)內(nèi)運行keil開發(fā)工具編寫的嵌入式程序，驗證電路設(shè)計和嵌入式程序運行結(jié)果，降低學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)對硬件操作的依賴程度。

proteus支持ARM、51等單片機(jī)仿真，51單片機(jī)主要支持ATMEL公司研制的51系列單片機(jī)，但不影響使用其它51系列單片機(jī)編寫的嵌入式程序，因為51系列單片機(jī)的指令架構(gòu)都是相同的。proteus仿真的單片機(jī)可以運行keil、matlab、IAR等軟件開發(fā)的嵌入式程序，并可以進(jìn)行源代碼級調(diào)試。

proteus正版軟件費用比較高，可以在proteus官網(wǎng)下載演示版，演示版是免費的且沒有時間限制。但演示版只能在現(xiàn)有的示例上運行自己編寫的程序，不能仿真調(diào)試，不能保存設(shè)計文件，若演示版不能滿足要求，可以通過搜索引擎查詢其它安裝方式。

點亮二極管實驗任務(wù)

實驗?zāi)康?/strong>

設(shè)計51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，包括單片機(jī)晶振電路、復(fù)位電路和發(fā)光二級管控制電路，加載前面實驗用keil編寫的單片機(jī)嵌入程序，驗證程序的運行結(jié)果，實驗用單片機(jī)型號為AT89C52。

1.1.2.2.實驗步驟

實驗步驟如下：① 認(rèn)識晶振、電容、電阻、發(fā)光二極管元器件；② 了解晶振電路、復(fù)位電路、發(fā)光二極管控制電路；③ 使用proteus設(shè)計電路模型；④ 加載運行keil編寫的單片機(jī)程序。

實驗用相關(guān)電子元器件

晶振

晶振（Crystal）——單片機(jī)的心臟，為單片機(jī)提供時鐘脈沖，單片機(jī)所有操作都在時鐘脈沖下執(zhí)行。

時鐘脈沖除時間外，一般要注意上升沿、下降沿、高電平、低電平，上圖有8個時序脈沖，開始是低電平，過一段時間后出現(xiàn)一個上升沿，并躍變到高電平，高電平持續(xù)一段時間后，出現(xiàn)下降沿，并躍變到低電平。

時鐘周期是晶振工作頻率的倒數(shù)，例如12M的晶振，它的時鐘周期就是1/12 μs，若采用了1MHZ的時鐘頻率，則時鐘周期為1μs；若采用4MHZ的時鐘頻率，則時鐘周期為250ns。

下圖是晶振電子元器件的實物圖和電路符號。

電容

電容（capacitance）——兩個相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，就構(gòu)成了電容器，電容器可以儲存電荷，在交變電路內(nèi)會交替充放電，因此電容可以通交流，隔直流，電容可以與晶振構(gòu)成時鐘脈沖電路，與電阻構(gòu)成單片機(jī)復(fù)位電路，另外濾波、諧振、整流等電路都要用到電容。

電容的容量單位為：法拉（F），其它單位有：毫法（mF）、微法（uf）、納法（nF）、皮法（pf)，單位的換算進(jìn)率是1000。

下圖是電容電子元器件的實物圖和電路符號。

電阻

電阻（resistance）——又稱為電阻器，該器件在電路中阻礙電流的流動，是電路內(nèi)主要的負(fù)載器件。電阻的單位是歐姆，簡稱歐，用希臘字母“Ω”表示。常用的電阻單位還有千歐姆(KΩ)，兆歐姆(MΩ)。

換算關(guān)系：1KΩ=1000Ω，1MΩ=1000KΩ

在電路圖中一般將電阻值中的Ω省去，凡阻值在千歐以下的電阻，直接用數(shù)字表示，阻值在千歐以上的，用K表示；兆歐以上的用M表示。

下圖是電阻電子元器件的實物圖和電路符號。

發(fā)光二極管

發(fā)光二級管（LED）——是一種光電子器件，該器件通電后，電能轉(zhuǎn)換為光能。

下圖是發(fā)光二極管電子元器件的實物圖和電路符號。

實驗用相關(guān)電路

晶振電路

晶振電路構(gòu)成時鐘脈沖振蕩電路，為單片機(jī)提供時鐘脈沖，下圖為AT89C52單片機(jī)的外部晶振電路。

晶振電路由晶振和兩個相同容量的電容構(gòu)成，這兩個電容一般稱為匹配電容或負(fù)載電容，并聯(lián)到晶振兩端，為晶體振蕩提供電流回路，若沒有這兩個電容，晶振的振蕩會因為沒有電流回路而停振，這兩個電容的容量都很小，選擇幾十皮法即可，兩個電容的另一端都需要接地。

AT89C52單片機(jī)的XTAL1和XTAL2是外接時鐘引腳，XTAL1為片內(nèi)振蕩電路的輸入端，XTAL2為片內(nèi)振蕩電路的輸出端，這兩個引腳外接晶振和電容，晶振一般取值為12MHZ，電容一般取值為10P~30P。

復(fù)位電路

復(fù)位電路讓單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)，讓單片機(jī)的程序從頭開始執(zhí)行。AT89C52單片機(jī)的RST引腳為復(fù)位引腳，該引腳連續(xù)輸入兩個機(jī)器周期以上高電平時有效，機(jī)器周期是單片機(jī)完成一個基本操作所需要的時間，一個機(jī)器周期大約為12個時鐘周期。下圖為AT89C52的復(fù)位電路。

復(fù)位電路由一個極性電容和一個電阻串聯(lián)構(gòu)成，電容的正極接5V電源，負(fù)極接1K的電阻，電阻的一端接地，RST引腳接電容的負(fù)極。該電路為上電復(fù)位，當(dāng)單片機(jī)在通電瞬間，確保復(fù)位端為高電位并持續(xù)大約2個機(jī)器周期。當(dāng)單片機(jī)加電時，復(fù)位電路通過電容給RST端加一個高電平，此高電平信號隨著對電容的充電而逐漸降低，因此要保持電容充電時間足夠長來完成復(fù)位操作。

發(fā)光二極管控制電路

發(fā)光二極管控制電路用于控制二極管的發(fā)光狀態(tài)，下圖為發(fā)光二級管控制電路。

電路圖的D1為發(fā)光二極管，一端接單片機(jī)P1第0位，一端接200歐姆的電阻，電阻的一端接5V電源，該電阻對電路進(jìn)行限流，因為發(fā)光二級管允許流過的電流較小，所以需要串聯(lián)一個幾百歐姆的電阻。

在當(dāng)前電路下，單片機(jī)加電后，發(fā)光二級管并不會點亮，因為單片機(jī)I/O口（包括P1口）所有位引腳都輸出高電平，該電路無電流流通。前面我們使用keil編寫了一個嵌入程序，該嵌入程序?qū)1口第0位改變?yōu)榈碗娖?，在這種情況下，該電路將有電流通過，發(fā)光二級管被點亮。

實驗過程

新建電路設(shè)計模型

proteus安裝完成后程序名稱為“ISISX Professional”，其中‘X’是版本號。啟動proteus，啟動后的proteus工作窗口如下圖所示。

展開【File】菜單，選擇【New Design…】命令，或按下Ctrl+O快捷鍵，在彈出的“Create New Design”對話框中，選擇“DEFAULT”模板，單擊【OK】按鈕。如下圖所示。

展開【File】菜單，選擇【Save Design】命令，或按下Ctrl+S快捷鍵，在彈出的“Save ISIS Design File”對話框，輸入文件名稱，單擊“保存”按鈕保存電路模型。

1.1.5.2.添加單片機(jī)到電路模型

proteus提供了仿真電子元器件庫，后面統(tǒng)稱為元件庫，單擊下圖所示的“P”按鈕可以打開元件庫窗口。

元件庫窗口如下圖。

“keywords”輸入域可以輸入要查找的元器件英文名稱的關(guān)鍵詞、或者元器件的型號。proteus會將與關(guān)鍵詞或型號相匹配的項列在“Results”列表窗口，在列表窗口選擇需要添加的元器件項，單擊“OK”按鈕即可將選擇的元器件添加到當(dāng)前電路模型的存儲庫，以備使用。

例如在“keywords”輸入域輸入要查找的單片機(jī)型號“AT89”，proteus會在列表窗口列出與關(guān)鍵詞“AT89”相關(guān)的元器件，在列表窗口選擇“AT89C52”單片機(jī)，proteus會在“Preview”窗口預(yù)覽“AT89C52”單片機(jī)的電路模型符號。單片機(jī)型號確定后，單擊“OK”按鈕將選擇的單片機(jī)添加到電路模型元器件庫。

在電路模型元器件庫選擇“AT89C52”，在電路模型設(shè)計窗口合適位置單擊鼠標(biāo)左鍵，放置到單片機(jī)，并可以拖動單片機(jī)到電路模型的合適位置，位置確定后雙擊鼠標(biāo)左鍵，將單片機(jī)添加到電路模型。

為單片機(jī)添加晶振電路

前面說過晶振電路需要晶振、電容、電源元器件，打開元件庫，分別使用關(guān)鍵詞“crystal”和“cap”搜索晶振和電容元器件，添加晶振、電容到電路模型元器件庫。

晶振電路還需要5V的電源，用鼠標(biāo)單擊proteus窗口左側(cè)工具條的“Terminals Mode”模式，該模式包含了電源（POWER）、接地（GROUND）等電路器件。如下圖所示。

從“Terminals Mode”模式切換到電路模型元器件庫，用鼠標(biāo)單擊proteus窗口左側(cè)工具條的“Component Mode”模式即可完成切換。

從電路模型元器件庫添加兩個電容、一個晶振、一個接地點到電路模型，如下圖所示。

為方便元器件連接，可以對元器件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。例如旋轉(zhuǎn)名稱為X1的晶振器件：用鼠標(biāo)選中X1元器件，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“Rotate Anti-clockwise”命令，X1元器件會在當(dāng)前狀態(tài)下逆時針旋轉(zhuǎn)90度。

添加的電子元器件默認(rèn)顯示元器件多個參數(shù)，如元器件名稱、元器件值的大小、元器件文字說明等。設(shè)計者可以自定義是否顯示和修改這些參數(shù)。例如修改名稱為C1的電容元器件，用鼠標(biāo)選中C1元器件，雙擊該C1元器件，proteus會彈出C1元器件參數(shù)修改對話框，如下圖所示。

在輸入域“Component Reference”可以修改元器件的名稱，在輸入域“Capacitance”可以修改C1電容的容量，在這里修改為22pf，若不需要在電路模型顯示C1電容的名稱和容量，可以選上Hidden檢查框。

按照上述步驟，分別修改電容器件C1和C2的容量為22pf，修改X1晶振的振蕩頻率為12MHZ。修改后電路模型如下圖所示。

我們發(fā)現(xiàn)電路模型內(nèi)電子元器件的文本說明沒有隱藏，若需要隱藏文本說明，展開【Template】菜單，選擇“Set Design Defaults……”命令，在彈出的對話框（如下圖所示）去掉“Show Hidden text”檢查。

元器件參數(shù)配置完成后的電路模型如下圖所示。

下一步的工作是將單片機(jī)、電容、晶振、電源通過導(dǎo)線連接在一起，連接方式可以參照前面的晶振電路圖。連接方法是將鼠標(biāo)移動到元器件的一端或電路的節(jié)點，當(dāng)鼠標(biāo)變?yōu)榫G色的鉛筆時，按下鼠標(biāo)左鍵，同時拖動鼠標(biāo)繪制出導(dǎo)線，拖動導(dǎo)線到合適位置后，雙擊鼠標(biāo)左鍵導(dǎo)線繪制完成。

繪制晶振電路時，可以分別從單片機(jī)的XTAL1腳和XTAL2腳引出導(dǎo)線連接C1和C2的一端，同時連接到晶振的兩端，然后將C1和C2另一端分別連接到接地點。

為單片機(jī)添加復(fù)位電路

復(fù)位電路需要一個22uF的極性電容，一個1K的電阻，一個+5V的直流電源。打開元件庫，使用關(guān)鍵詞“res”搜索電阻元器件，添加電阻到電路模型元器件庫，使用關(guān)鍵詞“cap-pol”搜索極性電容元器件，添加極性電容到電路模型元器件庫。

從電路模型元器件庫添加一個極性電容、一個電阻、一個電源到電路模型，如下圖所示。

修改C3電容容量參數(shù)為22uf，修改R1電阻值為1K，電源默認(rèn)為+5V電源，無需修改。

復(fù)位電路元器件參數(shù)配置完成后的電路模型如下圖所示。

參照前面的復(fù)位電路圖，將單片機(jī)、C3、R1、電源通過導(dǎo)線連接在一起，連接之前添加接地點到電路模型。

為單片機(jī)添加發(fā)光二極管控制電路

發(fā)光二級管控制電路需要一個200歐姆的電阻，一個發(fā)光二極管，一個+5V的直流電源。打開元件庫，使用關(guān)鍵詞“LED-RED”搜索發(fā)光二極管元器件，添加發(fā)光二極管到電路模型元器件庫。

從電路模型元器件庫添加一個發(fā)光二極管、一個電阻、一個電源到電路模型，修改元器件參數(shù)，調(diào)整元器件到合適位置，如下圖所示。

參照前面的發(fā)光二極管電路圖，將單片機(jī)、D1、R2、電源通過導(dǎo)線連接在一起。

裝載和運行Keil編寫的嵌入式程序

實際上51單片機(jī)要正常工作，還需要在Vcc引腳接入電源，在Vss引腳或GND引腳接公共接地端。proteus默認(rèn)單片機(jī)已經(jīng)接電源和接地，無需再進(jìn)行導(dǎo)線連接。

在前面的“Keil開發(fā)環(huán)境與第一個單片機(jī)實驗”課程中，我們編寫了控制單片機(jī)P1口第0位輸出低電平的程序，程序代碼如下：

#include
sbit led1 = P1^0;
void main()
{
       led1 = 0;
}

51單片機(jī)只能運行HEX或BIN文件，HEX是十六進(jìn)制文件，英文全稱為“hexadecimal”，BIN文件是二進(jìn)制文件，英文全稱為binary，這兩種文件可以通過軟件相互轉(zhuǎn)換。若需要Keil編譯后輸出HEX文件，需要對Keil輸出選項進(jìn)行配置。在Keil工作窗口，展開【Project】菜單，選擇“Options for Targets”命令，在彈出的對話框中，選擇“Output”標(biāo)簽頁，確定“Create Hex File”被選中。

重新編譯C源代碼，在項目的輸出目錄可以看到擴(kuò)展名為“hex”的HEX文件。

C程序編譯完成后，回到proteus工作窗口，在電路模型窗口使用鼠標(biāo)雙擊單片機(jī)，或選中單片機(jī)后單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“Edit Properties”命令，proteus彈出Edit Component對話框（見下圖），選擇使用keil編譯的HEX文件，單擊【OK】按鈕即可裝載C程序到單片機(jī)。

在電路模型內(nèi)仿真運行前面裝載的單片機(jī)程序，運行程序有兩種方式：一種方式是展開【Debug】菜單，選擇“Start/Restart Debugging”命令來運行程序；一種方式是用鼠標(biāo)單擊調(diào)試工具條的啟動按鈕（見下圖）來運行程序。

程序運行后電路模型各端口狀態(tài)如下圖所示。

觀察電路模型狀態(tài)，D1發(fā)光二級管已經(jīng)點亮，藍(lán)色方塊表示該端口為低電平，紅色方塊表示該端口為高電平，灰色方塊表示電壓不確定。下一節(jié)實驗課程解釋P0口電壓不確定的問題。

實驗小結(jié)

通過這次實驗，掌握了proteus設(shè)計單片機(jī)電路模型的過程，并仿真運行由Keil編寫的嵌入式C程序，點亮了發(fā)光二極管。下次實驗?zāi)繕?biāo)主要是應(yīng)用proteus結(jié)合keil對嵌入式程序進(jìn)行源代碼級調(diào)試，并解釋在實驗過程中，P0口電壓不確定的問題。