1.6 單片機系統的原理電路設計與虛擬仿真

前面介紹了Proteus ISIS軟件平臺的基本功能及使用。本節通過一個“流水燈制作”的案例，介紹Proteus下的單片機系統原理電路的設計與虛擬仿真。

1.6.1 原理電路設計與虛擬仿真步驟

Proteus下的虛擬仿真在相當程度上反映了實際的單片機系統的運行情況，在Proteus開發環境下，單片機系統的設計與虛擬仿真分為3個步驟。

1. Proteus ISIS下的電路設計

首先在Proteus ISIS環境下設計單片機應用系統的電路原理圖，包括選擇各種元器件、外圍接口芯片等，以及電路連接和電氣檢測等。

2. 源程序設計與生成目標代碼文件

在Keil μVision 3軟件平臺上輸入、編譯與調試源程序，并最終生成目標代碼文件（*.hex文件）。Keil μVision 3將在下一章介紹。

3. 調試與仿真

在Proteus ISIS平臺下將目標代碼文件（*.hex文件）加載到單片機中，并對系統進行虛擬仿真，這是本節要介紹的內容。在調試時也可以使用Proteus ISIS與Keil μVision 3進行聯合仿真調試，請見后面的介紹。

單片機系統的原理電路設計及虛擬仿真整體流程如圖1-22左側的流程圖所示。第1步“Proteus電路設計”在Proteus ISIS平臺上完成。第2步“源程序設計”與第3步“生成目標代碼文件”在Keil μVision 3平臺上完成。第4步“加載目標代碼、設置時鐘頻率”在Proteus ISIS下完成。第5步“Proteus仿真”在Proteus ISIS下的VSM模式下進行，其中也包含了各種調試工具的使用。圖1-22中的第1步“Proteus電路設計”的步驟展開如圖1-22右側的流程圖所示。

由圖1-22右側的流程圖可以看到，用Proteus ISIS軟件設計單片機系統電路原理圖的各個步驟。下面以“流水燈的制作”的原理電路設計與虛擬仿真為例，詳細說明具體操作。

1.6.2 新建或打開一個設計文件

1. 建立新設計文件

單擊主菜單的“文件”→“新建設計”選項（或單擊主工具欄的按鈕）來新建一個文件。如果選擇前者新建設計文件，會彈出圖1-23所示的“新建設計”對話框，其中提供了多種模板，單擊要選擇的模板圖標，再單擊“確定”按鈕，即可建立一個該模板的空白文件。如果直接單擊“確定”按鈕，則選用系統默認的DEFAULT模板。如果單擊工具欄的按鈕來新建文件，就不會出現圖1-23所示的對話框，而直接選擇系統默認的模板。

2. 保存文件

按照上面的操作，為案例建立一個新的文件，在第一次保存該文件時，選擇“文件”→“另存為”選項，彈出圖1-24所示的“保存ISIS設計文件”對話框，在該對話框選擇文件的保存路徑和文件名“流水燈”后，單擊“保存”按鈕，就完成了設計文件的保存。這樣就在“實驗1（流水燈）”子目錄下建立了一個文件名為“流水燈”的新設計文件。

如果不是第一次保存，可選擇“文件”→“保存設計”選項，或直接單擊按鈕。

3. 打開已保存的設計文件

選擇“文件”→“打開設計”命令，或直接單擊按鈕，彈出圖1-25所示的“加載ISIS設計文件”對話框。單擊需要打開的文件名，再單擊“打開”按鈕即可。

1.6.3 選擇需要的元件到元件列表

電路設計前，先列出設計“流水燈”電路原理圖需要的元器件，如表1-1所示。

然后根據表1-1選擇元件到元件列表中。觀察圖1-2，左側的元件列表中沒有一個元件，單擊左側工具欄中的按鈕，再單擊器件選擇按鈕，出現Pick Devices窗口，在窗口的“關鍵字”欄中，輸入AT89C51，此時在“結果”欄中出現“元件搜索結果列表”，并在右側出現“元件預覽”和“元件PCB預覽”，如圖1-26所示。在“元件搜索結果列表”中雙擊需要的元件AT89C51，這時在主窗口的元件列表中就會添加該元件。用同樣的方法將表1-1中需要選擇的其他元件也添加到元件列表中即可。

所有元件選取完畢后，單擊“確定”按鈕，即可關閉Pick Devices窗口，回到主界面繪制原理圖。此時的“流水燈”的元件列表如圖1-27所示。

1.6.4 放置元件并連接電路

1. 元件的放置、調整與編輯

（1）元件的放置

單擊元件列表中需要放置的元器件，然后將鼠標指針移至原理圖編輯窗口中單擊，就會在鼠標單擊處有一個粉紅色的元器件，移動鼠標指針選擇合適的位置單擊，此時該元件就被放置在原理圖窗口了。例如，選擇放置單片機AT89C51到原理圖編輯窗口，具體步驟如圖1-28所示。

若要刪除已放置的元件，則單擊該元件，然后按Delete鍵刪除元件，如果進行了誤刪除操作，可以單擊按鈕恢復。

單片機系統電路原理圖設計，除了元器件，還需要電源和地等終端，單擊工具欄中的按鈕，出現各種終端列表，單擊元件終端中的某一項，上方的窗口中會出現該終端的符號，如圖1-29（a）所示。此時可選擇合適的終端放置到電路原理圖編輯窗口中，放置的方法與元件放置相同。圖1-29（b）為圖1-29（a）列表中各項對應的終端符號。再次單擊按鈕時，即可切換回用戶自己選擇的元件列表，如圖1-27所示。根據上述介紹，可將所有的元器件及終端放置到原理圖編輯窗口中。

（2）元件位置的調整

① 改變元件在原理圖中的位置，單擊需調整位置的元件，元件變為紅色，移動鼠標指針到合適的位置，再釋放鼠標即可。

② 調整元件的角度，用鼠標右鍵單擊需要調整的元件，出現圖1-30所示的菜單，選擇菜單中的命令即可。

（3）元件參數設置

雙擊需要設置參數的元件，出現“編輯元件”對話框。下面以單片機AT89C51為例，雙擊AT89C51，出現圖1-31所示的“編輯元件”對話框，其中的基本信息如下。

? 元件參考：U1，有一個隱藏選項，可在其后打√，選擇隱藏。

? 元件值：AT89C51，有一個隱藏選項，可在其后打√，選擇隱藏。

? Clock Frequency：單片機的晶振頻率為12MHz。

? “隱藏”選擇，可在下拉列表中選擇要隱藏的選項。

設計者可根據設計的需要，雙擊需要設置參數的元件，進入“編輯元件”對話框設置原理圖中各元件的參數。

2. 電路元件的連接

（1）在兩元件間繪制導線

按下元件模式按鈕與自動布線器按鈕時，兩個元件導線的連接方法是：先單擊第一個元件的連接點，移動鼠標指針，此時在連接點引出一條導線。如果想自動繪出直線路徑，只需單擊另一個連接點。如果設計者想自己決定走線路徑，只需在希望的拐點處單擊即可。需要注意的是，拐點處導線的走線只能是直角。在自動布線器按鈕彈起時，導線可按任意角度走線，只需要在希望的拐點處單擊，把鼠標指針拉向目標點即可，拐點處導線的走向只取決于鼠標指針的拖動。

（2）連接導線連接的圓點

單擊連接點按鈕，會在兩根導線連接處或兩根導線交叉處添加一個圓點，表示它們是連接的。

（3）導線位置的調整

要想調整導線的位置，可單擊導線，導線兩端各有一個小黑方塊，單擊鼠標右鍵，在快捷菜單（見圖1-32）中單擊“拖曳對象”命令，即可拖曳導線到指定的位置，也可旋轉，然后單擊導線，完成導線位置的調整。

（4）繪制總線與總線分支

① 總線的繪制。單擊工具欄的按鈕，移動鼠標指針到繪制總線的起始位置單擊，便可繪制出一條總線。如想要總線出現不是90°角的轉折，則使自動布線器按鈕彈起，總線即可按任意角度走線，只需要在希望的拐點處單擊，把鼠標指針拉向目標點，拐點處導線的走向只取決于鼠標指針的拖動。在總線的終點處雙擊，即可結束總線的繪制。

② 總線分支繪制。總線繪制完以后，有時還需繪制總線分支。為了使電路圖專業和美觀，通常把總線分支畫成與總線成45°角的相互平行的斜線，如圖1-33所示。注意，此時一定要讓自動布線器按鈕彈起，總線分支的走向只取決于鼠標指針的拖動。

繪制圖1-33所示的總線分支，先在AT89C51的P0口右側畫一條總線，然后畫總線分支。在元件模式按鈕按下且自動布線器按鈕彈起時，導線可按任意角度走線。先單擊第一個元件的連接點，移動鼠標指針，在希望的拐點處單擊，然后向上移動鼠標指針，在與總線成45°角相交時單擊確認，就完成了一條總線分支的繪制。其他總線分支的繪制只需在其他總線的起始點雙擊，不斷復制即可。例如，繪制P0.1引腳至總線的分支，只要把鼠標指針放置在P0.1引腳的口位置，出現一個紅色小方框時雙擊，自動完成像P0.0引腳到總線那樣的連線，這樣可依次完成所有總線分支的繪制。在繪制多條平行線時也可采用這種畫法。

（5）放置線標簽

從圖1-33中可看到與總線相連的導線上都有線標D0、D1…D7。放置線標的方法為：單擊工具欄的圖標，將鼠標指針移至需要放置線標的導線上單擊，出現圖1-34所示的Edit Wire Label對話框，在“標號”文本框中輸入線標（如D0等），單擊“確定”按鈕即可。與總線相連的導線必須放置線標，這樣具有相同線標的導線才能夠導通。Edit Wire Label對話框除了填入線標外，還有幾個選項，設計者根據需要選擇即可。

經過上述步驟的操作，最終繪制的“流水燈”電路原理圖如圖1-35所示。

（6）在電路原理電路圖中輸入文字

如果想在電路原理圖中的某個位置輸入文字，可采用如下方法。例如，要在圖1-35中的石英晶振上方輸入“石英晶振”4個字，方法為：單擊左側工具欄中的圖形文本模式按鈕，然后單擊電路原理圖中要輸入文字的位置，這時出現圖1-36所示的“編輯2D圖形文本”對話框。在“字符串”文本框中，輸入文字“石英晶振”，然后設置字符的“位置”“字體屬性”等選項。單擊“確定”按鈕后，在電路原理圖中出現剛才添加的文字“石英晶振”，如圖1-37所示。

1.6.5 加載目標代碼文件、設置時鐘頻率及仿真運行

1. 加載目標代碼文件、設置時鐘頻率

電路圖繪制完成后，把keil μVision 3下生成的“.hex”文件加載到電路圖中的單片機內即可進行仿真了。加載步驟為：在Proteus ISIS中雙擊編輯區中原理圖中的單片機AT89C51，出現圖1-38所示的“編輯元件”對話框，在Program File文本框中，輸入.hex目標代碼文件（與.DSN文件在同一目錄下，直接輸入代碼文件名“流水燈”即可，否則要寫出完整的路徑，也可單擊文件打開按鈕，選取目標文件）。在Clock Frequency文本框中輸入12MHz，使該虛擬系統以12MHz的時鐘頻率運行。此時，即可回到原理圖界面進行仿真了。

在加載目標代碼時需要特別注意的是，運行時鐘頻率以單片機屬性設置中的時鐘頻率（Clock Frequency）為準。

需要注意的是，因為在Proteus中繪制電路原理圖時，8051單片機最小系統所需的時鐘振蕩電路、復位電路引腳與+5V電源的連接均可省略，Proteus已經默認，不影響仿真效果。所以本書案例在繪制硬件原理圖時，有時為使電路原理圖簡潔、清晰，時鐘振蕩電路、復位電路、引腳與+5V電源的連接均省略不畫。

2. 仿真運行

完成上述所有操作后，單擊Proteus ISIS界面中的按鈕（見圖1-2左下角）運行程序即可。

這里再重溫本章前面介紹的各種仿真運行按鈕的功能。

：運行程序。

：單步運行程序。

：暫停程序。

：停止運行程序。