《单片机原理及应用 》课件-第1章

第1章绪论1.1电子计算机概述1.2单片机的发展过程及产品1.3单片机的特点及应用领域1.4单片机应用系统开发流程1.5KeilμVision4仿真软件介绍

任务1-1KeilμVision4软件仿真:点亮单片机P1.0口的LED第1章绪论1.6Proteus电路仿真软件介绍

任务1-2Proteus软件仿真:点亮单片机P1.0口的LED本章小结习题

1.1电子计算机概述

1.1.1电子计算机的经典结构计算机已成为人类学习、工作中不可缺少的工具。在学习计算机的基本操作之前,首先要了解计算机的发展史、计算机的特点、计算机的分类以及计算机的应用和工作原理,掌握计算机硬件系统、软件系统的组成。

世界上第一台真正意义上的数字计算机于1946年在美国宾夕法尼亚大学诞生,取名为电子数值积分计算机(ElectronicNumericalIntegratorandCalculator,ENIAC),如图1－1所示。ENIAC奠定了计算机的发展基础,在计算机发展史上具有划时代的意义,被公认为计算机的始祖,它的问世标志着计算机时代的到来,对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响。图1－1ENIAC计算机

目前,计算机的应用已经渗透到科研、教育、医药、工商、政府、家庭等领域,应用类型主要包括科学计算、数据处理、办公自动化(OA)、电子商务(EB)、过程控制、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助教学(CAI)、计算机辅助制造(CAM)、人工智能(AI)、虚拟现实、多媒体技术应用、计算机网络通信等。根据计算机的性能和使用的主要元器件的不同,一般将计算机的发展分成四个阶段:

•电子管计算机(第一代计算机):发展时间为从1947年到1957年的近11年的时间,其采用电子管作为主要的逻辑元件,应用在科学计算和军事等方面。主要特点:存储量小,

体积庞大,价格昂贵,功耗巨大,运算速度慢。

•晶体管计算机(第二代计算机):发展时间为从1958年到1964年的近7年的时间,其采用晶体管作为主要的逻辑元件。晶体管计算机的主存储器还是用磁芯,外存储器开始用磁盘。主要特点:存储量增加,运算速度得到了明显的提高。

•集成电路计算机(第三代计算机):发展时间为从1965年到1970年的近6年的时间,其采用中、小规模集成电路代替分立元件晶体管。这时,计算机开始广泛应用于大型企业中的工业控制、数据处理和科学计算等各个领域。

•大规模集成电路、超大规模集成电路计算机(第四代计算机):发展时间为从1971年直到现在。主要特点:集成程度更高,计算机更加微型化,运算速度达到每秒上亿次,计算机的外部设备向高性能、多样化发展,软盘和硬盘得到推广。

美籍匈牙利数学家冯·依曼(

JohnvonNeumann)于1946年提出了计算机设计的三个

基本思想:

•计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成。

•采用二进制形式表示计算机的指令和数据。

•将程序(由一系列指令组成)和数据存放在存储器中,计算机依次自动地执行程序。

冯·诺依曼设计的计算机工作原理是将需要执行的任务用程序设计语言写成程序,与需要处理的原始数据一起通过输入设备输入并存储在计算机的存储器中,即“程序存储”;

在需要执行时,由控制器取出程序并按照程序规定的步骤或用户提出的要求,向计算机的有关部件发布命令并控制它们执行相应的操作,执行的过程不需要人工干预,自动连续进

行,即“程序控制”。冯·诺依曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想,构建了计算机经典结构,如图1－2所示。图1－2计算机经典结构

从图1－2中可见,计算机的经典结构由五个部分组成。

(1)控制器。控制器是整个计算机的指挥控制中心,它从存储器取出相应的控制信息,经过分析后,按照要求向其他的设备发出控制信号,使计算机中的各部件正常协调地工作。

(2)运算器。运算器是计算机中的数据处理场所。大量数据的运算和处理工作就是在运算器中完成的。运算主要包括基本算术运算和基本逻辑运算。

(3)存储器。存储器在计算机中用来存放中间数据和程序运行结果,并可根据指令要求提供给有关设备使用。计算机中的存储器可分为主存储器(内存)、辅助存储器(外存)和高速缓冲存储器。

(4)输入设备。输入设备的主要作用是把程序和数据等信息转换成计算机所能识别的编码形式,并按顺序送到内存。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、数码相机等。

(5)输出设备。输出设备的主要作用是把计算机处理的数据、计算结果等内部信息转换成人们所能识别的文字、图形、图像和声音等信息并输出。

1.1.2微型计算机的组成及其应用形态

1.微型计算机的组成

一个完整的计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成,如图1－3所示。计算机控制系统的硬件是完成控制任务的设备基础,而整个计算机系统的动作都是在软件的指挥下

协调进行的,因此说软件是计算机控制系统的中枢神经。软件的质量关系到计算机运行和控制效果的好坏、硬件功能的充分发挥和推广应用。图1－3计算机系统组成

1)硬件系统

计算机硬件系统是指构成计算机的所有实体部件的集合,通常这些部件由电路(电子元件)、机械等物理部件组成,它们都是看得见摸得着的,故通常称为硬件,它是计算机系统的物质基础。绝大多数计算机都是根据冯·诺依曼计算机体系结构的思想来设计的,故具有共同的基本配置,即由五大部件组成。

2)软件系统

利用电子计算机进行计算、控制或做其他工作时,需要应用各种用途的程序。所谓软件,是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档的总和。计算机软件一般分为两大类:系统软件和应用软件

(1)系统软件。系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能,其目的是方便用户,提高计算机使用效率,扩充系统的功能。

(2)应用软件。应用软件是用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序,如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等。

随着计算机的广泛应用,这类程序的种类越来越多。

2.微型计算机的应用形态

1971年1月,英特尔公司的特德·霍夫在与日本商业通讯公司合作研制台式计算器时,将原始方案的十几个芯片压缩成3个集成电路芯片。其中的两个芯片分别用于存储程序和数据,另一芯片集成了运算器和控制器(即CPU),称为微处理器。微处理器、存储器和I/O接口电路构成微型计算机,各部分通过地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)相连,如图14所示。在微型计算机基础上,再配以系统软件、I/O设备便构成了完整的微型计算机系统,人们将其简称为微型计算机(微机)。图1－4微型计算机的组成

从应用形态上,微型计算机可以分成两种:多板机(系统机)和单片机(嵌入式系统)。

(1)多板机(系统机)。多板机将微处理器、存储器、I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板(即微机主板)上,再通过系统总线和其他多块外设适配板卡连接键盘、显示

器、打印机、软/硬盘驱动器及光驱等设备。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上,并与电源、软/硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内,再配上系统软件,就构成了一台完整的微型

计算机系统,简称多板(系统)机。

目前人们广泛使用的个人计算机(PC)就是典型的多板

机。由于其人机界面好、功能强、软件资源丰富,通常用于办公或家庭的事务处理及科学计算,属于通用计算机,如图1－5所示。

图1－桌面应用微机

(2)单片机(嵌入式系统)。单片机是指以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统,

如图1－6所示。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分组成。它具有“嵌入性”、“专用性”和“计算机系统”三个基本要素。

嵌入式应用计算机可以分为:ARM系列、DSP(

TMS320系列)、单片机(C51系列)和嵌入式片上系统SoC。

图1－6嵌入式应用微机

1.2单片机的发展过程及产品

1.2.1单片机的发展过程1.单片机形成阶段1976年,Intel推出MCS48系列单片机。性能:8位CPU;1KB程序存储器ROM;64B数据存储器RAM;27根I/O接口线;1个8位定时器/计数器和2个中断源。

特点:首先完成了在单个芯片内集成CPU、存储器、I/O接口等部件;但存储器容量小,寻址范围小(不大于4K),无串行口,指令系统功能不强。

2.单片机结构成熟阶段

1980年,Intel推出MCS51系列单片机。

性能:8位CPU;4KB程序存储器ROM;128B数据存储器RAM;32根I/O接口线;2个8位定时器/计数器;5个中断源和2个优先级;1个全功能串行口。

特点:存储器容量大,寻址范围扩大(64K),指令系统功能强大。

现在,MCS51已成为公认的单片机经典产品。

3.单片机性能提高阶段

近几年,Intel推出MCS51高性能系列单片机,如C8051F120。

性能:8位高速CPU(100MIPS);128KB程序存储器ROM(Flash);8KB数据存储RAM;5个8位定时器/计数器;20个中断源;8个8位并行I/O口、2个UART,另有SMBus和SPI总线接口;增益可编程8路12位ADC、2路12位DAC;1个全功能串行口。

特点:片上接口丰富,控制能力突出,芯片型号种类繁多。

1.2.2单片机产品近况

1.80C51系列单片机产品繁多,主要地位已经形成

8051系列单片机指的是MCS－51系列和其他公司的8051派生产品。这些派生产品是在基本型基础上增强了各种功能的产品,如高级语言型、Flash型、EEPROM型、A/D型、DMA型、多并行口型、专用接口型和双控制器串行通信型等。Atmel公司的AT89系列单片机把8051内核与其Flash专利存储技术相结合,具有较高的性价比。

Philips公司具有丰富的外围部件,是8051系列单片机品种最多的生产厂家。Dallas公司和Infineon公司的单片机增加了数据指针和运算能力。ADI公司和TI公司把ADC、DAC和8051内核结合起来,推出了微转换器系列芯片。Cypress公司把8051内核和USB接口结合起来,推出了USB控制器芯片。SiliconLabs公司的片上系统(SystemofChip,SoC)单片机C8051F系列改进了8051内核,具有JTAG接口,可实现在线下载和调试程序。目前这些增强型8051系列产品都基于CMOS工艺,故又称80C51系列。它们给8位单片机注入了新的活力,为它的开发应用开拓了更加广泛的前景。

2.非80C51结构单片机不断推出,给用户提供广泛的选择空间

具有代表性的非80C51产品有由Microchip公司推出的PIC系列单片机(品种多便于选型,如汽车附属产品);由TI公司推出的MSP430F系列单片机(16位,低功耗,如电池供电

产品);由Atmel公司推出的AVR和ATmega系列单片机(不易解码,如军工产品)。

1.3单片机的特点及应用领域

1.3.1单片机的特点1.突出的控制性能用单片机设计的产品可靠性较高,CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片上,数据传送不易受运行环境的影响;控制功能强,CPU可以对I/O端口直接进行操作,位控制能力更是其他计算机无法比拟的。

•新产品单片机各个功能进一步增强;

•内部集成高速I/O、ADC、PWM、WDT等部件;

•低电压、低功耗、网络、在线编程功能增强。

2.优秀的嵌入品质

•单片机价格低廉———适用于大批量、低成本的产品设计;

•单片机品种和型号多———适用于广泛的应用领域;

•单片机的引脚少、体积小———应用系统的印制板(PCB)减小,产品结构精巧。

1.3.2单片机的应用领域

由于单片机具有良好的控制性能和灵活的嵌入品质,近年来在各种领域都获得了极为广泛的应用。

1.智能仪器仪表

单片机用于各种仪器仪表,一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度,使仪器仪表智能化,同时还简化了仪器仪表的硬件结构,从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。典型产品有各种智能电气测量仪表、智能传感器等。

2.机电一体化产品

机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体,具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典

型产品有机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

3.实时工业控制

单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中,利用单片机作为系统控制器,可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法,实现期望的控制指标,从而提高生产效率和产品质量。典型应用有电机转速控制、温度控制、自动生产线等。

4.分布系统的前端模块

在较复杂的工业系统中,经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中,采用单片机作为分布式系统的前端采集模块,系统具有运行可靠,数据采集方便灵活,成本低廉等一系列优点。

5.家用电器

家用电器是单片机的又一重要应用领域,前景十分广阔。典型产品有空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外,在交通领域中,汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用,如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。

1.4单片机应用系统开发流程

单片机应用系统是指以单片机芯片为核心,配以一定的外围电路和软件,能实现要求功能的应用系统。单片机应用系统的开发工作主要包括应用系统硬件电路的设计和单片机控制程序的设计两个部分,其中又以单片机控制程序的设计为核心。

在单片机应用系统的硬件系统设计完成之后,还应配备相应的应用软件。正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标

的过程称为单片机应用系统的开发。虽然单片机的硬件选型不尽相同,软件编写也千差万别,但系统的研制步骤和方法是基本一致的,一般都分为总体设计、硬件电路的构思设计、

软件的编制和仿真调试几个阶段。单片机应用系统的开发流程如图1－7所示。

1.设计原则

一般来说,单片机应用系统的设计原则是:

•系统功能应满足生产要求;

•系统运行应安全可靠;

•系统具有较高的性能价格比;

•系统易于操作和维护;

•系统功能应灵活,便于扩展;

•系统具有自诊断功能;

•系统能与上位机通信或并用。图1－7单片机应用系统的开发流程

2.可行性分析

设计者在开始单片机应用系统开发之前,除了需要掌握单片机的硬件开发及程序设计方法外,还需要对整个系统进行可行性分析和系统总体方案分析。这样,可以避免因盲目

地工作而浪费宝贵的时间。可行性分析用于明确整个设计任务在现有的技术条件和个人能力上是可行的。

首先,要保证设计要求可以利用现有的技术来实现。一般可以通过查找相关文献、寻找类似设计等方法找到与该任务相关的设计方案。这样可以参考这些相关的设计,分析该

项目是否可行以及如何实现。如果设计的是一个全新的项目,则需要了解该项目的功能需求、体积和功耗等,同时需要对当前的技术条件和器件性能非常熟悉,以确保合适的器件能够完成所有的功能。

其次,需要了解是否具备整个项目开发所需要的知识。如果不具备,则需要估计在现有的知识背景和时间限制下能否掌握并完成整个设计。必要的时候,可以选用成熟的开发

板来加快学习和程序设计的速度。

3.确立方案

完成可行性分析后,便进入系统总体方案设计阶段。设计者可参考前面可行性分析中查找到的相关资料及本系统的应用要求和现有条件,初步规划本设计所采用的器件以及实

现的功能和技术指标。接着,制定合理的时间计划表,编写设计的任务书,从而完成系统总体方案设计。

4.机型选择

机型选择时应注意以下事项:

•仔细调查市场,尽量选用主流的、货源充足的单片机型号,这些器件使用的比较广泛,有许多设计资料供学习或参考。

•尽量选择所需的硬件资源,如ADC、DAC、I

2C、SPI和USB等集成在单片机内部的型号,这样便于整个控制系统的软件管理,减少外部硬件的投入,缩小整体电路板面积,从而减少总体投资等。

•对于手持式设备、移动设备等需要低功耗设备,尽量选择低电压、低功耗单片机型号,这样可以减少能量的消耗,延长设备的使用寿命。

•在资金等条件允许的情况下,尽量选择功能丰富、扩展能力强的单片机,这样便于以后的功能升级和扩展。

•对于体积有限制的产品,尽量选择贴片封装的单片机型号,这样可以减少电路板面积,从而降低硬件成本,同时也有助于电磁兼容设计。

5.硬件设计

硬件设计中应考虑以下事项:

•根据设计需要选择合适的单片机型号;

•存储器电路设计;

•设计系统中的接口电路;

•系统的扩展及各功能模块的设计应适当留有余地;

•充分考虑应用系统各部分的驱动能力;

•应用系统中要实现工程的可靠性能要求。

6.软件设计

软件编制时应注意以下几个方面:

•根据软件功能要求,将系统软件分成若干个相对独立的部分;

•建立正确的数学模型;

•编写应用软件之前,应绘制出程序流程图;

•合理分配系统资源;

•加强软件抗干扰设计。

7.仿真调试

单片机程序在实际使用前,一般均需要进行代码仿真。单片机仿真调试和程序设计是紧密相关的。在实际设计过程中,通过仿真调试,可以及时发现问题,确保模块及程序的正确性。当发现问题时,需要重新修改设计,直到程序通过仿真调试。单片机程序的仿真调试需要考虑以下几点:

•对于模块化的程序,可以通过仿真调试的方法单独调试每一个模块的功能是否正确;

•对于通信接口,如串口等,可以在仿真程序中调试通信的流程;

•通过仿真调试可以预先了解软件的整体运行情况是否满足要求;

•要选择一个好的程序编译仿真环境,如Keil公司的μVision系列、英国LabcenterElectronics公司的Proteus软件等;

•选择一款和单片机型号匹配的硬件仿真器,硬件仿真一般支持在线仿真调试,可以实时观察程序中的各个变量,最大程度上对程序进行调试。

完成这一在线仿真工作的开发工具就是单片机在线仿真器。一个典型的单片机系统开发环境组成如图1－8所示。图1－8单片机系统开发环境组成

1.5KeilμVision4仿真软件介绍

1.KeilμVision4仿真软件工作界面KeilμVision4的安装方法与一般软件的安装方法相同。安装完成后将在Windows桌面生成一个KeilμVision4图标。单击【开始】→【程序】→【KeilμVision4】即可运行μVision4;也可双击KeilμVision4图标运行该软件。KeilμVision4的工作界面如图1－9所示。图1－9KeilμVision4的工作界面

2.KeilμVision4仿真软件调试界面

μVision4中集成了一种新型调试器(Debug),它可以进行纯软件模拟仿真和硬件目标板在线仿真,使用之前应进行适当配置。单击【Project】→【OptionsforTarget】,弹出如图1－10所示窗口。点击【Debug】标签页,在该页中选中圆形单选框【UseSimulator】,即采用软件模拟方式进行仿真。可以在没有任何实际8051单片机硬件的条件下,仅用一台普通的PC实现对8051应用程序的仿真调试。在创建用户项目的时候通过内部器件库选定一种CPU器件,μVision4会根据所选定的CPU器件自动设置能够仿真的单片机片内集成功能。图1－10【Debug】配置窗口

【Debug】选项配置完且项目编译通过后,单击【

Debug】→【Start/StopDebugSession】选项,即可启动Debug开始调试。启动Debug后,μVision4项目窗口分配如图1－11所示。项目窗口(寄存器窗口)自动切换到【Debug】标签页,用于显示程序调试过程中单片机内部寄存器状态的变化情况。主调试窗口(程序窗口)用于显示用户源程序。窗口左边的小箭头指向当前程序语句,每执行一条语句,小箭头会自动向后移动,以便于观察程序当前执行点。如果用户创建的项目中包含多个程序文件,执行过程中将自动切换到不同文件显示。

命令窗口用于键入各种调试命令。存储器窗口用于显示程序调试过程中单片机的存储器状态。观察窗口(变量窗口)用于显示局部变量和观察点的状态。此外在主调试窗口位置还可以显示反汇编窗口、串行窗口以及性能分析窗口,通过单击【View】菜单中的相应选项(或单击工具条中的相应按钮),可以很方便地实现窗口切换。

图1－11调试状态下μVision4项目窗口分配

任务1－1KeilμVision4软件仿真:点亮单片机

P1.0口的LED

任务目的熟悉KeilμVision4软件操作。任务准备设备及软件:计算机、KeilμVision4软件。

任务实施

1.建立一个工程项目

如图1－12所示,单击主菜单中的【Project】选项,在弹出的下拉菜单中选择【NewμVisionProject】选项。此时,弹出如图1－13所示的对话框,在文件名中输入一个项目名“

LED”,选择保存路径,单击【保存】按钮。图1－12新建一个工程项目图1－13保存工程项目

2.选择芯片

在弹出的【SelectDeviceforTarget’Target1’】(为目标Target1选择设备)对话框中单击Atmel前面的[+]号,展开单片机型号清单,选择单片机芯片型号【AT89C52】,如图

1－14所示。单击【OK】按钮,系统将返回主界面。图1－14单片机芯片型号的选择

3.建立源程序文件

单击主菜单中的【File】选项,在弹出的下拉菜单中选择【New】选项,再在弹出的对话框的文件编辑窗口中输入源程序,如图1－15所示。给该文件取名,取名时必须要加上扩展名“.c”,如“LED.c”。图1－15输入源程序

4.添加源程序文件到当前项目组中

要将源程序文件加入到项目组中,需单击【Project】中【Target1】前的【+】号,出现“SourceGroup1”后再单击,加亮后右击。在弹出的下拉列表中选择【AddExistingFilestoGroup’SourceGroup1’】,如图1－16所示,再在弹出的对话框中选择刚才以C格式编辑的文件

“LED.c”。单击【Add】按钮,这时“LED.c”文件便加入到“SourceGroup1”这个项目组中了。图1－16添加源程序文件到项目组中

5.属性设置

单击主菜单中的【Project】选项,在弹出的下拉菜单中选择【OptionsforTarget’Target1’】选项,弹出如图1－17所示的对话框,点击【Target】选项卡,在【Xtal(MHz)】文本框中输入“11.0592”(此处软件默认值为33MHz)。图1－17【OptionsforTarget’Target1’】对话框

单击【Output】选项卡,勾选【CreateHEXFile】复选框,如图1－18所示。其他采用默认设置,然后单击【OK】按钮。图1－18【Output】选项卡

单击【Debug】选项卡,选中【UseSimulator】单选项,如图1－19所示,再单击【OK】按钮。图1－19【Debug】选项卡

6.编译文件

点击【Project】→【Rebuildalltargetfiles】,对写好的程序进行编译,如图1－20所示。图1－20工程编译

7.调试模式

点击【Debug】→【Start/StopDebugSession】,进入调试模式,如图1－21所示。图1－21调试模式

8.观察仿真结果

【Peripherals】菜单第二栏中的【I/OPorts】选项用于仿真8051单片机的并行I/O接口Port0~Port3。选中【Port1】后将弹出如图1－22所示窗口,其中“P1”栏显示8051单片机P1口锁存器状态,“Pins”栏显示P1口8个引脚的状态,仿真时它们各位的状态可根据需要进行修改。图1－22仿真结果

1.6Proteus电路仿真软件介绍

Proteus是英国LabcenterElectronics公司研发的多功能EDA软件,它具有功能很强的ISIS智能原理图输入系统,有非常友好的人机互动窗口界面,有丰富的操作菜单与工具。在ISIS编辑区中,能方便地完成单片机系统的硬件设计、软件设计、单片机源代码级调试与仿真。

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。Proteus有多达10余种的信号激励源、10余种虚拟仪器(如示波器、逻辑分析

仪、信号发生器等);可提供软件调试功能,即具有模拟电路仿真、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,还有用来精确测量与分析的Proteus高级图表仿真(ASF),它们构成了单片机系统设计与仿真的完整的虚拟实验室。Proteus同时支持第三方的软件编译和调试环境,如KeilC51μVision4等软件。

Proteus还有使用极方便的印刷电路板高级布线编辑软件(PCB)。特别指出,Proteus库中数千种仿真模型是依据生产企业提供的数据来建模的,因此,Proteus设计与仿真极其接近实际。目前,Proteus已成为流行的单片机系统设计与仿真平台,应用于各种领域。Proteus是单片机应用产品研发的灵活、高效、正确的设计与仿真平台,它明显提高了研发效率,缩短了研发周期,节约了研发成本。

1.单片机应用产品的传统开发

单片机应用产品的传统开发过程一般分为以下三步:

•单片机系统原理图设计,选择、购买元器件和接插件,安装和电气检测等硬件设计;

•进行单片机系统程序设计,调试、汇编编译等软件设计;

•单片机系统在线调试、检测,实时运行直至完成单片机系统综合调试。

2.单片机应用产品的Proteus开发

•在Proteus平台上进行单片机系统电路设计,选择元器件,接插件,连接电路和电气检测等(简称Proteus电路设计);

•在Proteus平台上进行单片机系统源程序设计、编辑、汇编编译、调试,最后生成目标代码文件(*.hex)(简称Proteus软件设计);

•在Proteus平台上将目标代码文件加载到单片机系统中,并实现单片机系统的实时交互、协同仿真(简称Proteus仿真);

•仿真正确后,制作、安装实际单片机系统电路,并将目标代码文件(*.hex)下载到实际单片机中运行、调试,若出现问题,可和Proteus设计与仿真相互配合调试,直至运行成功(简称实际产品安装、运行与调试)。

3.工作界面介绍

ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面,如图1－23所示,包括主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真控制按

钮、图形编辑窗口、预览窗口、对象选择器窗口等。图1－23ProteusISIS的工作界面

下面只有针对性地介绍几个区域和图形编辑的基本操作。

1)图形编辑窗口

在图形编辑窗口内完成电路原理图的编辑和绘制。

(1)坐标系统。ISIS中坐标系统的基本单位是10nm。但坐标系统的识别单位被限制在1th。坐标原点默认在图形编辑区的中间,图形的坐标值能够显示在屏幕的右下角的状

态栏中。

(2)点状栅格与捕捉到栅格。编辑窗口内有点状的栅格,可以通过【View】菜单的【Grid】命令在打开和关闭间切换。点与点之间的间距由当前捕捉的设置决定。捕捉的尺

度可以由【View】菜单的【Snap】命令设置。如图1－24所示,选中【View】菜单的【Snap100th】命令。此时鼠标在图形编辑窗口内移动时,坐标值以固定的步长100th变化,这称为捕捉。

图1－24【View】菜单

(3)实时捕捉。当鼠标指针指向管脚末端或者导线时,鼠标指针将会捕捉到这些物体,这种功能被称为实时捕捉,该功能可以方便地实现导线和管脚的连接。可以通过【Tools】菜单的【RealTimeSnap】命令切换该功能。

(4)视图的缩放与移动。可以通过以下几种方式对视图进行缩放和移动:

•用鼠标左键点击预览窗口中想要显示的位置,这将使编辑窗口显示以鼠标点击处为中心的内容。

•在编辑窗口内移动鼠标,按下键盘的Shift键,用鼠标移动到边框,这会使显示平移。

•用鼠标指向编辑窗口并按缩放键或者操作鼠标的滚动键,会以鼠标指针位置为中心重新显示。

2)预览窗口

预览窗口通常显示整个电路图的缩略图。在预览窗口上点击鼠标左键,将会有一个蓝色矩形框标示出在编辑窗口中显示的区域。当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,可用鼠标在它上面点击来改变绿色方框的位置,从而改变原理图的可视范围。

3)对象选择器窗口

通过对象选择按钮,从元件库中选择对象,并置入对象选择器窗口,供今后绘图时使用。显示对象的类型包括:设备、终端、管脚、图形符号、标注和图形。

4)图形编辑的基本操作

(1)对象放置。放置对象的步骤如下:

①根据对象的类别在工具箱选择相应模式的图标。

②根据对象的具体类型选择子模式图标。

•如果对象类型是元件、端点、管脚、图形、符号或标记,则从选择器里选择想要的对象的名字。对于元件、端点、管脚和符号,可能首先需要从库中调出。

•如果对象是有方向的,将会在预览窗口显示出来,可以通过预览对象方位按钮对对象进行调整。

③指向编辑窗口并点击鼠标左键放置对象。

(2)选中对象。用鼠标指向对象并点击右键可以选中该对象。该操作选中对象并使其高亮显示,然后可以进行编辑。

·选中对象时该对象上的所有连线同时被选中。

·要选中一组对象,可以通过依次在每个对象上右击选中每个对象的方式,也可以通过右键拖出一个选择框的方式,但只有完全位于选择框内的对象才可以被选中。

·在空白处点击鼠标右键可以取消所有对象的选择。

(3)删除对象。用鼠标指向选中的对象并点击鼠标右键可以删除该对象,同时删除该对象的所有连线。

(4)拖动对象。用鼠标指向选中的对象并用鼠标左键拖曳可以拖动该对象。

(5)调整对象的朝向。许多类型的对象可以将朝向调整为0°、90°、270°、360°,或通过X轴Y轴镜像。当该类型对象被选中后,图标会变为红色,之后就可以改变对象的朝向了。

(6)编辑对象。许多对象具有图形或文本属性,这些属性可以通过一个对话框进行编辑。双击原理图编辑区中的对象元件,弹出【EditComponent】对话框,可在对话框中进行

元件属性设置。

(7)画线。ProteusISIS没有画线的图标按钮,因为ISIS的智能化足以在画线时自动检测。在两个对象间连线,先用鼠标左键单击第一个对象连接点,再移动鼠标到下一个对象连接点单击确认即可(如果想自己决定走线路径,只需在拐点处点击鼠标左键即可)。在画线过程的任何一个阶段,都可以按Ese键放弃画线。

任务1－2Proteus软件仿真:点亮单片机

P1.0口的LED

任务目的熟悉Proteus软件的操作。任务准备设备及软件:计算机、Proteus软件。

任务实施

1.建立一个仿真工程项目

如图1－12所示,单击主菜单中【Project】选项,在弹出的下拉菜单中选择【NewProject】选项。此时,弹出如图1－13所示的对话框,在文件名中输入一个项目名“LED”,选择保存路径,单击【保存】按钮。

2.添加元器件

单击图1－23中界面左侧预览窗口下面的【P】按钮,弹出【PickDevices】(元件拾取)对