51單片機proteus電路設計仿真實驗

EDA仿真工具proteus

proteus是由英國Labcenter Electronics公司研發的EDA仿真工具軟件，EDA主要用于自動化控制系統電路設計和仿真。我們使用proteus主要完成兩部分工作：一部分工作用于設計單片機應用電路，包括單片機與外圍芯片、電子器件的布局和連線；一部分工作用于電路仿真，在仿真單片機內運行keil開發工具編寫的嵌入式程序，驗證電路設計和嵌入式程序運行結果，降低學習嵌入式開發對硬件操作的依賴程度。

proteus支持ARM、51等單片機仿真，51單片機主要支持ATMEL公司研制的51系列單片機，但不影響使用其它51系列單片機編寫的嵌入式程序，因為51系列單片機的指令架構都是相同的。proteus仿真的單片機可以運行keil、matlab、IAR等軟件開發的嵌入式程序，并可以進行源代碼級調試。

proteus正版軟件費用比較高，可以在proteus官網下載演示版，演示版是免費的且沒有時間限制。但演示版只能在現有的示例上運行自己編寫的程序，不能仿真調試，不能保存設計文件，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

實驗目的

設計51單片機最小系統電路，包括單片機晶振電路、復位電路和發光二級管控制電路，加載前面實驗用keil編寫的單片機嵌入程序，驗證程序的運行結果，實驗用單片機型號為AT89C52。

1.1.2.2.實驗步驟

實驗步驟如下：① 認識晶振、電容、電阻、發光二極管元器件；② 了解晶振電路、復位電路、發光二極管控制電路；③ 使用proteus設計電路模型；④ 加載運行keil編寫的單片機程序。

實驗用相關電子元器件

晶振

晶振（Crystal）——單片機的心臟，為單片機提供時鐘脈沖，單片機所有操作都在時鐘脈沖下執行。

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，過一段時間后出現一個上升沿，并躍變到高電平，高電平持續一段時間后，出現下降沿，并躍變到低電平。

時鐘周期是晶振工作頻率的倒數，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）——兩個相互靠近的導體，中間夾一層不導電的絕緣介質，就構成了電容器，電容器可以儲存電荷，在交變電路內會交替充放電，因此電容可以通交流，隔直流，電容可以與晶振構成時鐘脈沖電路，與電阻構成單片機復位電路，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，是電路內主要的負載器件。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。

發光二極管

發光二級管（LED）——是一種光電子器件，該器件通電后，電能轉換為光能。

下圖是發光二極管電子元器件的實物圖和電路符號。

實驗用相關電路

晶振電路

晶振電路構成時鐘脈沖振蕩電路，為單片機提供時鐘脈沖，下圖為AT89C52單片機的外部晶振電路。

晶振電路由晶振和兩個相同容量的電容構成，這兩個電容一般稱為匹配電容或負載電容，并聯到晶振兩端，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單片機的XTAL1和XTAL2是外接時鐘引腳，XTAL1為片內振蕩電路的輸入端，XTAL2為片內振蕩電路的輸出端，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。

復位電路

復位電路讓單片機恢復到初始狀態，讓單片機的程序從頭開始執行。AT89C52單片機的RST引腳為復位引腳，該引腳連續輸入兩個機器周期以上高電平時有效，機器周期是單片機完成一個基本操作所需要的時間，一個機器周期大約為12個時鐘周期。下圖為AT89C52的復位電路。

復位電路由一個極性電容和一個電阻串聯構成，電容的正極接5V電源，負極接1K的電阻，電阻的一端接地，RST引腳接電容的負極。該電路為上電復位，當單片機在通電瞬間，確保復位端為高電位并持續大約2個機器周期。當單片機加電時，復位電路通過電容給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位操作。

發光二極管控制電路

發光二極管控制電路用于控制二極管的發光狀態，下圖為發光二級管控制電路。

電路圖的D1為發光二極管，一端接單片機P1第0位，一端接200歐姆的電阻，電阻的一端接5V電源，該電阻對電路進行限流，因為發光二級管允許流過的電流較小，所以需要串聯一個幾百歐姆的電阻。

在當前電路下，單片機加電后，發光二級管并不會點亮，因為單片機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，該嵌入程序將P1口第0位改變為低電平，在這種情況下，該電路將有電流通過，發光二級管被點亮。

實驗過程

新建電路設計模型

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.添加單片機到電路模型

proteus提供了仿真電子元器件庫，后面統稱為元件庫，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鍵詞、或者元器件的型號。proteus會將與關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型號“AT89”，proteus會在列表窗口列出與關鍵詞“AT89”相關的元器件，在列表窗口選擇“AT89C52”單片機，proteus會在“Preview”窗口預覽“AT89C52”單片機的電路模型符號。單片機型號確定后，單擊“OK”按鈕將選擇的單片機添加到電路模型元器件庫。

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

為單片機添加晶振電路

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，用鼠標單擊proteus窗口左側工具條的“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，用鼠標單擊proteus窗口左側工具條的“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，可以對元器件進行旋轉。例如旋轉名稱為X1的晶振器件：用鼠標選中X1元器件，單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇“Rotate Anti-clockwise”命令，X1元器件會在當前狀態下逆時針旋轉90度。

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

我們發現電路模型內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、電容、晶振、電源通過導線連接在一起，連接方式可以參照前面的晶振電路圖。連接方法是將鼠標移動到元器件的一端或電路的節點，當鼠標變為綠色的鉛筆時，按下鼠標左鍵，同時拖動鼠標繪制出導線，拖動導線到合適位置后，雙擊鼠標左鍵導線繪制完成。

繪制晶振電路時，可以分別從單片機的XTAL1腳和XTAL2腳引出導線連接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。

為單片機添加復位電路

復位電路需要一個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電容容量參數為22uf，修改R1電阻值為1K，電源默認為+5V電源，無需修改。

復位電路元器件參數配置完成后的電路模型如下圖所示。

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

為單片機添加發光二極管控制電路

發光二級管控制電路需要一個200歐姆的電阻，一個發光二極管，一個+5V的直流電源。打開元件庫，使用關鍵詞“LED-RED”搜索發光二極管元器件，添加發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光二極管、一個電阻、一個電源到電路模型，修改元器件參數，調整元器件到合適位置，如下圖所示。

參照前面的發光二極管電路圖，將單片機、D1、R2、電源通過導線連接在一起。

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默認單片機已經接電源和接地，無需再進行導線連接。

在前面的“Keil開發環境與第一個單片機實驗”課程中，我們編寫了控制單片機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單片機只能運行HEX或BIN文件，HEX是十六進制文件，英文全稱為“hexadecimal”，BIN文件是二進制文件，英文全稱為binary，這兩種文件可以通過軟件相互轉換。若需要Keil編譯后輸出HEX文件，需要對Keil輸出選項進行配置。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雙擊單片機，或選中單片機后單擊鼠標右鍵，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。

在電路模型內仿真運行前面裝載的單片機程序，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；一種方式是用鼠標單擊調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如下圖所示。

觀察電路模型狀態，D1發光二級管已經點亮，藍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。下一節實驗課程解釋P0口電壓不確定的問題。

實驗小結

通過這次實驗，掌握了proteus設計單片機電路模型的過程，并仿真運行由Keil編寫的嵌入式C程序，點亮了發光二極管。下次實驗目標主要是應用proteus結合keil對嵌入式程序進行源代碼級調試，并解釋在實驗過程中，P0口電壓不確定的問題。