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单片机仿真软件Proteus应用与设计 Proteus软件简介 Proteus是1989年由英国Labcenterelectronics公司开发的EDA 电子设计自动化 工具软件 Proteus主要由两个程序组成 Ares和Isis Ares主要用于PCB自动或人工布线及其电路仿真 Isis主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真 Proteus软件简介 软件能模拟51单片机 AVR单片机 PIC单片机 以及部分ARM芯片 还提供了30多种元器件库 数千种元器件 能仿真模拟和数字电路 比如时序分析 频响分析 傅立叶分析 噪声分析等 支持的外围器件也很多包括 A d LCD LED数码管 温度 时钟芯片 A D转换器等 Proteus软件的功能强大 它集电路设计 制版及仿真等多种功能于一身 不仅能够对电工 电子技术学科涉及的电路进行设计与分析 还能够对微处理器进行设计和仿真 并且功能齐全 界面多彩 是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件 Proteus是一个基于Pro SPICE混合模型仿真器的 完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台 它包含ISIS和ARES应用软件 ISIS 智能原理图输入系统 系统设计与仿真的基本平台 ARES 高级PCB布线编辑软件 在Proteus中 从原理图设计 单片机编程 系统仿真到PCB设计一气呵成 真正实现了从概念到产品的完整设计 Proteus的特点 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS232动态仿真 I2C调试器 SPI调试器 键盘和LCD系统仿真的功能 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 支持主流单片机系统的仿真 目前支持的单片机类型有 68000系列 8051系列 AVR系列 PIC12系列 PIC16系列 PIC18系列 Z80系列 HC11系列以及各种外围芯片 提供软件调试功能 在硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试功能 同时可以观察各个变量 寄存器等的当前状态 因此在该软件仿真系统中 也必须具有这些功能 同时支持第三方的软件编译和调试环境 如KeilC51uVision2等软件 具有强大的原理图绘制功能 总之 该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件 功能极其强大 Proteus的特点 第一章Proteus的基本操作 软件的安装与运行 编辑窗口 预览窗口 工具箱 工具栏 Proteus软件界面 菜单 左键单击 器件库 预览元器件 PCB预览 PCB封装 器件子库 生产厂家 鼠标左键单击可以旋转 鼠标左键单击选中 鼠标左键单击可以成像 左键选中元件在工作间单击一下出现红色元件 再单击一下则放下元件 多次单击可放一种元件多个 拖动鼠标左或右键画方框可以选中框内多个对象 可通过拖动框的边沿来调整框的范围 在空白区单击左键可撤销选取 右击某一元件可以弹出属性设置对话框 在选中的对象上按住鼠标左键不放 则可以拖动该对象 总结一下选择 放置对象的方法 1 在proteus7 1版本以上 选择和放置元器件的操作跟以前的版本有很大的不同 本讲义将述7 1以上版本的操作方法 2 当鼠标处于选择模式时 左键点击对象表示标记 左键拖动一个方框则框内所有对象将会被标记 且框的边可以通过拖动改变大小 3 右击对象可以选中对象 同时会弹出快捷菜单 4 在空白处点击左键可以清除对元件的选择 或在空白处点右键再选择clearselection也可不选元件 5 当对象被标记之后 将鼠标放在对象上 按左键则可以拖动对象 6 当对象处于方框之中时 鼠标放于方框内 会变成 形 移动鼠标 方框内的对象会随着鼠标一起移动 7 右击某个元件之后 在弹出的快捷菜单之中选择 RotateClockwise 则能使对象顺时针旋转 等 Proteus软件基本操作 连接电线 当鼠标处于选择状态时 将鼠标放于元件引脚上时 鼠标自动变成笔形 则可以直接画线 点击工具箱的放置接点工具也可以使鼠标处于画线状态 而且不论鼠标是否处于元件引脚上 鼠标一直处于绘制导线状态 单击左键画线的起始点 双击左键画线的终点 导线还可以和其它导线连接和交叉 通过选择绘制交叉点来完成 Proteus软件基本操作 连接电线 如果要调整导线的位置 必须先用左键选中该段导线 然后按住左键拖动即可调整导线到需要的位置 选中导线后 在选中的导线上单击鼠标左键 可以改变当前导线的属性 包括宽度 颜色 样式 但这种属性的改变一般不影响其它导线的属性 Proteus软件基本操作 连接电线 按Ctrl键可以画斜线 Proteus基本操作 拷贝 如何用Proteus创建一个项目 选择新建一个项目 用Proteus创建一个项目 点击保存按钮 点此创建新文件夹 输入工程名再保存即可 1 原理图编辑窗口 TheEditingWindow 顾名思义 它是用来绘制原理图的 蓝色方框内为可编辑区 元件要放到它里面 注意 这个窗口是没有滚动条的 你可用预览窗口来改变原理图的可视范围 同时 它的操作是不同于常用的WINDOWS应用程序的 正确的操作是 中键放缩原理图 左键放置元件 右键选择元件 双击右键删除元件 先右键后左键编辑元件属性 先右键后左键拖动元件 连线用左键 删除用右键 2 预览窗口 TheOverviewWindow 它可显示两个内容 一个是 当你在元件列表中选择一个元件时 它会显示该元件的预览图 另一个是 当你的鼠标焦点落在原理图编辑窗口时 即放置元件到原理图编辑窗口后或在原理图编辑窗口中点击鼠标后 它会显示整张原理图的缩略图 并会显示一个绿色的方框 绿色的方框里面的内容就是当前原理图窗口中显示的内容 因此 你可用鼠标在它上面点击来改变绿色的方框的位置 从而改变原理图的可视范围 3 模型选择工具栏 ModeSelectorToolbar 1 选择元件 components 默认选择的 2 放置连接点3 放置标签 用总线时会用到 4 放置文本5 用于绘制总线6 用于放置子电路7 用于即时编辑元件参数 先单击该图标再单击要修改的元件 1 终端接口 terminals 有VCC 地 输出 输入等接口2 器件引脚 用于绘制各种引脚3 仿真图表 graph 用于各种分析 如NoiseAnalysis4 录音机5 信号发生器 generators 6 电压探针 使用仿真图表时要用到7 电流探针 使用仿真图表时要用到8 虚拟仪表 有示波器等 1 画各种直线2 画各种方框3 画各种圆4 画各种圆弧5 画各种多边形6 画各种文本7 画符号8 画原点等 4 元件列表 TheObjectSelector 用于挑选元件 components 终端接口 terminals 信号发生器 generators 仿真图表 graph 等 举例 当你选择 元件 components 单击 P 按钮会打开挑选元件对话框 选择了一个元件后 单击了 OK 后 该元件会在元件列表中显示 以后要用到该元件时 只需在元件列表中选择即可 5 方向工具栏 OrientationToolbar 旋转角度只能是90的整数倍 完成水平翻转和垂直翻转 1 运行2 单步运行3 暂停4 停止 旋转 翻转 6 仿真工具栏 使用方法 先右键单击元件 再点击 左击 相应的旋转图标 选择 Graph SimulateGraph 或按空格键 生成波形 不需要运行仿真 只要执行此命令 四个探测点的波形就自动生成了 这种波形不同于示波器显示的波形 它能够静态地保留在原理图中 供读者分析或随图形一起输出打印 当按下空格键后 它可以再次刷新生成 图1 42计数器的波形图 第二章Proteus工具箱 菜单介绍 对象类型选择图标 调试工具选择图标 添加模拟仿真图表添加数字仿真图表添加混合图表 可以同时显示模拟和数字结果 添加频率分析图表 添加转移特性分析图表 添加噪声特性分析图表 添加失真度分析图表 添加傅立叶分析图表 添加音频分析图表 添加交流参数扫描图表 添加直流参数扫描图表 添加交互式分析图表 各种分析图 点击相应的分析图件之后 在工作区拖动一个区域 会出现各种功能的仿真图表 添加稳固分析图表 返回ppt54 虚拟仪器 示波器 逻辑分析仪 计数器 定时器 虚拟终端 SPI调试器 I2C调试器 信号发生器 多样信号发生器 直流电压表 直流安培表 交流电压表 交流安培表 图形工具选择图标 Proteus软件界面 File 导入 导出部分文件 Import ExportSection 文件菜单中的 导出 命令可以就当前选中的对象生成一个部分文件 这个文件可以使用 导入 命令读入另一个设计 部分文件的操作类似于 块拷贝 NewDesign创建一个新的工程 后直接点击保存输入名字后就可创建并保存一个新的工程 Proteus软件界面 View F6 放大 F7 缩小 F8 缩放到图全现 通常 用鼠标滚动轮可方便实现放大缩小 View Grid 命令在打开和关闭点状栅格间切换 点与点之间的间距由当前捕捉snap的设置决定 XCursor 设置鼠标的跟踪方式 无跟踪 叉跟踪 十字线跟踪 Snap10th 表示捕捉珊格的精度 即元件每次移动的最小距离 单位为毫英寸 Proteus软件界面 Tools 实时捕捉 当鼠标指针指向管脚末端或者导线时 鼠标指针将会被捕捉到这些物体 WireAutoRouter 如果选中 则被拖动对象上所有的连线在拖动后将会重新排布 全局标注器 实时标注 放置元件后自动给元件贴上标签 选中它之后 可对所有元件重新标注 或是对未标注对象进行标注 Proteus软件界面 design 就像protel一样 电路图可以有多张图纸组成 而且每张图纸可以设置属性 业可以删除多余的纸张 该菜单在添加了仿真图表 比如模拟分析 噪声分析 傅立叶分析等 之后 自动会变成可用状态 添加轨迹 用来添加仿真的探针 模拟图表 被点击表示开始进行图表分析 图表上将会出现各种结果 Proteus软件界面 Graph 后有详细介绍 在对单片机仿真时使用这个下拉菜单 用于对源文件的添加 删除以及编译等 还可以对编译工具进行设置 Proteus软件界面 Source 后有详细介绍 档采用proteus自带的asem编译器代码进行调试时 就要用到这个下拉菜单的内容 比如其中有单步 断点设置等按钮 后有详细介绍 Proteus软件界面 Debug Proteus也像protel一样用户可以自己画元件 当要自己画元件时就要用到这个下拉菜单中的选项 比如当画好元件之后点击就可以生成该元件 由于在proteus中一般不用自己画元件 这个菜单用的很少 Proteus软件界面 Library Proteus软件界面 Template 模板 用于设置图纸 元件等的颜色 还可以用来设置数字信号不同状态的颜色 比如用红色表示高电平 绿色表示低电平 灰色表示不确定电平 Proteus软件界面 System 设置页面大小 设置打开文件路径 用于设置系统打开时默认的文件路径 纸张大小 最大撤消次数 文件备份分数 备份时间间隔等 Proteus一般电路原理图的设计流程 开始 新建设计文档 设置编辑环境 放置元器件 原理图连线 建立网络表 电气规则检查 是否合格 调整 结束 N Y 第三章Proteus虚拟仿真工具 3 1激励源 3 1 1直流信号发生器 DC 1 直流信号发生器属性设置在原理图编辑区中 用鼠标左键双击直流信号发生器符号 直流信号发生器用来产生模拟直流电压或电流 2 默认为直流电压源 可以在右侧设置电压源的大小 3 如果需要直流电流源 则在图中选中左侧下面的 CurrentSource 右侧自动出现电流值的标记 可根据需要填写 单击 OK 即可完成属性设置 3 1 2正弦波信号发生器 SINE 正弦波信号发生器用来产生固定频率的连续正弦波 编辑正弦波信号发生器 1 双击原理图中的正弦波信号发生器符号 出现其属性对话框 补偿电压 即正弦波的振荡中心电平 振幅 即半波峰值电压 峰值 有效值 延时 指正弦波的相位 占空比 2 GeneratorName 中输入正弦波信号发生器的名称 比如 SINESOURCE1 在相应的项目中设置相应的值 3 单击 OK 即可完成属性设置 脉冲发生器能产生各种周期的输入信号 如方波 锯齿波 三角波及单周期短脉冲 3 1 3脉冲发生器 PULSE 1 编辑脉冲发生器双击原理图中的脉冲发生器符号 出现脉冲发生器的属性设置对话框 初始 低 电压 初始 高 电压 起始时刻 上升时间 下降时间 脉冲宽度 脉冲占空比 脉冲发生器的电流设置 3 1 4指数脉冲发生器 EXP 3 1 5单频率调频波发生器 SFFM 3 1 6分段线性激励源 PWLIN 3 1 7FILE信号发生器 FILE 3 1 9音频信号发生器 AUDIO 3 1 8数字单稳态逻辑电平发生器 DSTATE 指数脉冲发生器能产生指函数输入信号 其参数可以通过属性对话框来设置 3 1 10数字单边沿信号发生器 DEDGE 数字单边沿信号为从高电平变为低电平的信号 或从低电平变为高电平的信号 其属性对话框所示 信号的极性 选择产生边沿的时刻 3 1 11单周期数字脉冲发生器 DPULSE 1 编辑数字脉冲发生器双击原理图中的数字脉冲发生器符号 出现数字脉冲发生器的属性设置对话框 脉冲的极性 脉冲时长 3 1 12数字时钟信号发生器 DCLOCK 时钟类型 选择第一个时钟边沿出现的时刻 并设定该时钟的频率或周期 3 1 13数字模式信号发生器 DPATTERN 3 2虚拟仪器 列出所有的虚拟仪器名称 ProteusISIS为用户提供了多种虚拟仪器 单击工具箱中的按钮 1 示波器的四个接线端A B C D应分别接四路输入符号 信号的另一端应接地 该虚拟示波器能同时观察四路信号的波形 2 把1KHZ 1V的正弦激励信号加到示波器的A通道 3 2 1示波器 3 按仿真运行按钮开始仿真 出现所示的示波器运行的界面 可看到 左面的图形显示区有四条不同颜色的水平扫描线 其中A通道显示出了正弦波形 4 示波器的操作区共分为以下六个部分 ChannelA A通道 ChannelB B通道 ChannelC C通道 ChannelD D通道 Trigger 触发 Horizontal 水平 3 2 2逻辑分析仪 ProteusVSM提供的虚拟终端相当于键盘和屏幕的双重功能 免去了上位机系统的仿真模型 使用户在用到单片机与上位机之间的串行通信时 直接由虚拟终端经RS232模型与单片机之间异步发送或接收数据时 可以和实际的键盘关联 用户可以从键盘经虚拟终端输入数据 当接收到单片机发送来的数据后 虚拟终端相当于一个显示屏 会显示相应的信息 3 2 3计数器 定时器 3 2 4虚拟终端 虚拟终端共有四个接线端 其中RXD为数据接收端 TXD为数据发送端 RTS为请求发送信号 CTS为清除传送 是对RTS的响应信号 BaudRate 波特率 范围为300 57600b s DataBits 传输的数据位数 7位或8位 Parity 奇偶校验位 包括奇校验 偶校验和无校验 StopBits 停止位 具有0 1或2位停止位 SendXON XOFF 第9位发送允许 禁止 选择合适的参数后 单击 OK 按钮 关闭对话框 运行仿真 弹出的虚拟终端仿真界面 用户可以从该界面中看到从单片机发送过来的数据 并能够通过键盘把数据输入该界面 然后发送给单片机 3 2 5SPI调试器SPI 串行外设接口 总线系统是摩托罗拉公司提供的一种同步串行外设接口 允许MCU与各种外围设备以同步串行通信方式交互信息 3 6I2C调试器I2C总线是Philips公司推出的芯片间的串行传输总线 他只需要两根线 串行时钟线SCL和串行数据线SDA 就能实现总线上各元器件的全双工同步数据传送 可以极为方便的构建系统和外围元器件扩展系统 3 7信号发生器Proteus的虚拟信号发生器主要有以下功能 产生方波 锯齿波 三角波和正弦波 输出频率范围为0 12MHz 8个可调范围 输出幅值为0 12v 4个可调范围 幅值和频率的调制输入和输出 信号发生器有两大功能 一是输出非调制波 二是输出调制波 通常使用它的输出非调制波功能来产生正弦波 三角波和锯齿波 方波直接使用专用的脉冲发生器来产生比较方便 主要用于数字电路中 在用作非调制波发生器时 信号发生器的下面两个接头 AM 和 FM 悬空不接 右边两个接头 端接至电路的信号输入端 端接地 图3 18信号发生器仿真运行后的界面 中最右端的两个方形按钮 上面一个用来选择波形 下面一个选择信号电路的极性 即是双极性还是单极性的三级管电路 以和外电路匹配 最左边两个旋钮用来选择信号频率 左边是微调 右边是粗调 中间两个旋钮用来选择信号的幅值 左边是微调 右边是粗调 如果在运行过程中关闭掉信号发生器 则需要从主菜单 Debug 中选取最下面的 VSMSignalGenerator 来重现 调制信号是从下面两个端子中一个输入 调制波从右面的 端输出 ProteusVSM提供了四种电表 分别是ACVoltmeter 交流电压表 ACAmmeter 交流电流表 DCVoltmeter 直流电压表 和DCAmmeter 直流电流表 1 四种电表的符号 2 参数设置双击任意电表的原理图符号 出现其属性设置的对话框 3 2 8模式发生器 3 2 9电压表和电流表 在元件名称 ComponentReferer 项给该直流电流表命名为 AM1 元件值 ComponentValue 中不填 在显示范围 DisplayRange 中有四个选项 用来设置该直流电表是安培表 Amps 毫安表 Milliamps 或是微安表 Microamps 缺省是安培表 然后单击 OK 按钮即可完成设置 直流电流表的属性设置对话框 第四章proteus的单片机仿真 实例1电容充放电 1元件的拾取 按照电容的拾取方法 依次把表1 1中五个元件拾取到编辑界面的对象选择器中 然后关闭元件拾取对话框 用鼠标单击对象选择区中的某一元件名 把鼠标指针移到图形编辑区 双击鼠标左键 元件即被放置到编辑区中 位置布好元件 使用界面左下方的四个图标 或者选中元器件右击鼠标 弹出 图标 来改变元件的方向及对称性 当将元件位置布置后 此时可以先存一下盘 假如建立一个名为Proteus的目录 选则主菜单中File SaveDesignAs 在打开的对话框中把文件保存为Proteus目录下的 Cap1 DSN 只用输入 Cap1 即可 扩展名系统自动添加 下面改变元件参数 以电阻为例 左键双击原理图编辑区中的电阻R1 弹出 EditComponents 元件属性设置 对话框 把R1的Resistance 阻值 由10K改为1K 把R2的阻值由10K改为100欧 取消 的显示 双击此文字 打开一个对话框 在改对话框中选择 Style 先取消选择 Visible 右边的 FollowGlobal 选项 再取消选择选项 单击 OK 即可 直接选择主菜单中的 Template SetDesignDefaults 打开画图模板设置选项 在 Showhiddentext 选项中把对勾去掉 然后单击 OK 即可 则每个元件旁边不再显示灰色的 3 电路连线电路连线采用按格点捕捉和自动连线的形式 所以首先确定编辑窗口上方的自动连线图标和自动捕捉图标为按下状态 Proteus的连线是非常智能的 它会判断你下一步的操作是否想连线从而自动连线 而不需要选择连线的操作 只需用鼠标左键单击编辑区元件的一个端点拖动到要连接的另外一个元件的端点 先松开左键后再单击鼠标左键 即完成一根连线 如果要删除一根连线 右键双击连线即可 按图标取消背景格点显示 4 电路的动态仿真首先在主菜单 System SetAnimationOptions 中设置仿真时电压及电流的颜色及方向 5 文件的保存在设计过程中要养成不断存盘的好习惯 以免突发事件而造成事倍功半的效果 影响学习情绪 最好先建立一个存放 DSN 文件的专用文件夹 你会发现在这个文件夹中 除了刚刚设计完成的 Cap1 DSN 文件外 还有很多其他扩展名的文件 可以统统删除 下次打开时 可直接双击 Cap1 DSN 文件 或先运行Proteus 再打开 Cap1 DSN 文件 6 变式演练这个电路选用了两个一位开关代替原来的一个两位开关 在充放电回路中分别串入了直流数字电流表 在电容两端并接了一个电压表 用于观察充放电过程中的电流及电压的变化 另外 放电回路中取消了放电电阻 充电电阻值和电容值也都有变化 两个电流表设置为毫安表 分别取名为AM1和AM2 电压表取名为VM1 实例2 异步四位二进制计数器的设计及仿真 如果已经具备了数字电子技术的知识 就会知道 这是一个异步时序逻辑电路 由四个触发器构成 这里选用JK触发器 把它们的JK端全接高电平 前一级的输出作为后一级的时钟信号 观察四个触发器输出端所组成的二进制数的变化是否为0 F 即0000 1111 1 元件的拾取 2 元件连线 3 电路的动态仿真LOGICPROBE BIG 元件拖到图形编辑区内 四个逻辑探测器 分别接到每个JK触发器的输出端Q上 把七段数码显示拖入编辑区 数码管的最左端是高位 分别和各触发器的输出端Q相连 图1 38连接好的异步四位二进制计数器 4 电路波形的生成左侧图标和分别为电压和电流探针 四个电压探针分别命名为Q1 Q2 Q3和Q4 单击左侧图标 选择插入波形的种类 选择数字波形 DIGITAL 或数字模拟混合波形 MIXED 第五章proteus的单片机仿真 实例3 AT89C51单片机点灯实验 注 我们通常会选择AT89C51这款最经典的51单片机 一是因为它完全符合我们在教材上学习的51单片机的体系结构 指令完全兼容 二是它内嵌4k容量的flash 可方便的擦除 改写 三是采用CMOS工艺 时钟频率可达到24MHz 说明 没有画晶体振荡模块 这只限于Proteus仿真可以这样简化 但在真正做成实物后外部晶振还是必不可少的模块 图中也可像其他带CPU的实例一样添上外部晶振 我们做这个项目的目的是让八个发光二极管逐个点亮软件却有两种方法创建 1 使用proteus自带的编译器创建hex文件 只能使用汇编语言 2 使用keil生成hex文件 使用汇编语言生成hex文件 使用C语言生成hex文件 使用proteus自带的编译器生成hex文件 保存 此灯被点亮 有时写的程序能在编译器中通得过 但是硬件的实验现象并不是所期望的结果 这就的通过调试 Debug 功能来观察程序运行中的细节 从而找出文体的所在 程序调试能够掌握任何一段程序在其运行时刻系统的各个部分所处的状态 比如说寄存器的状态 输入输出端口的状态等 通过程序调试能够掌握系统运行时的一切细节信息 通过程序调试能够掌握C程序与汇编代码 机器码之间的对应关系 观察代码的分支 跳转情况 对于了解CPU的工作原理有很大的帮助 proteus自带调试器的使用 Proteus自带调试器的使用步骤 步骤 1 点击仿真按钮中的暂停按钮 此时系统弹出源代码调试窗口所示 通过单击某一行可以给该行设置断点 符号含义如图所示 对着某一行点击鼠标右键弹出如所示的下拉菜单 钩选 显示行 和 显示OP代码 则可以显示源程序的行号和16进制表示的机器码 机器码地址 汇编程序 断点设置运行至鼠标StepTo从子程序跳出StepOut进入子程序Stepinto单步不进入子程序StepOver全速运行 16进制汇编机器码 断点设置 步骤 2 点击菜单栏中的 调试 弹出如所示的下拉菜单 在下拉菜单中可以看到1 2 6共六个选项 这