基于Proteus軟件的單片機(jī)仿真與PCB設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)在產(chǎn)品的人機(jī)交互設(shè)計(jì)中扮演著越來越重要的角色，而單片機(jī)仿真和PCB設(shè)計(jì)成為其重要分支。Proteus軟件在單片機(jī)和外圍器件方面卓越的仿真能力使其成為目前最好的仿真工具之一，而該軟件還可在仿真原理圖的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)PCB。此論文以AT80C51為芯片的流水燈為實(shí)例，基于Proteus軟件和Keil uVision2軟件論述了整個(gè)電路原理圖的繪制與仿真和PCB設(shè)計(jì)流程，旨在為單片機(jī)初學(xué)者提供一種有效地學(xué)習(xí)方法。

1.引言

單片機(jī)是將CPU芯片，存儲(chǔ)器芯片，I/O接口芯片和簡單的I/O設(shè)備裝配在一塊印刷電路板上，再配上存儲(chǔ)在ROM中的監(jiān)控程序，這便構(gòu)成了一臺(tái)單板微型計(jì)算機(jī)。傳統(tǒng)的單片機(jī)開發(fā)都是采用硬件實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板方式，硬件投資成本相對(duì)較高；這種定式的環(huán)境很容易將開發(fā)者的思維禁錮在小小的實(shí)驗(yàn)箱里，不利于創(chuàng)新思維實(shí)現(xiàn)，對(duì)于初學(xué)者還會(huì)造成認(rèn)知上的誤區(qū)，即所謂的單片機(jī)就是在一個(gè)箱子里穿針引線，這極不利于后續(xù)的開發(fā)。

目前，具有電路仿真功能的軟件比較多，性能比較好的有Multisim、Protel、O r C A D等，但這些對(duì)單片機(jī)的仿真無能為力。到目前為止，只有Proteus軟件能夠提供完善的單片機(jī)芯片及嵌入式系統(tǒng)的仿真。

2.單片機(jī)仿真所需實(shí)驗(yàn)配置

2.1選用Proteus軟件作為單片機(jī)仿真軟件

Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司開發(fā)的EDA工具軟件。它不僅是模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路的設(shè)計(jì)平臺(tái)，更是目前世界上最先進(jìn)，最完整的多種型號(hào)微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成原理圖設(shè)計(jì)，電路分析與仿真，微處理器程序設(shè)計(jì)與仿真，系統(tǒng)測(cè)試與功能驗(yàn)證，到形成PCB的完整電子設(shè)計(jì)、研發(fā)過程。

Proteus軟件由ISIS和ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中ISIS是一款智能原理圖輸入系統(tǒng)軟件，可作為電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)，ARES是一款高級(jí)布線編輯軟件，用于設(shè)計(jì)PCB.

2.2選用Keil uVision2軟件對(duì)程序進(jìn)行編譯和調(diào)試

Proteus仿真中的單片機(jī)芯片，與單片機(jī)硬件的試驗(yàn)臺(tái)中單片機(jī)芯片一樣，需要下載編譯好的機(jī)器語言文件，這樣就需要匯編語言和C語言的編譯器。KeiluVision2是51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，使用接近于傳統(tǒng)C語言的語法來開發(fā)，它還能嵌入?yún)R編，您可以在關(guān)鍵的位置嵌入，同時(shí)可移植性強(qiáng)，使程序達(dá)到接近于匯編的工作效率。此外，Keil uVision2軟件還支持眾多不同公司的單片機(jī)芯片，集編輯、編譯和程序調(diào)試于一體，之后將生成的。HEX文件，下載到單片機(jī)芯片里，這就完成了程序的固化。

3.基于Proteus軟件含有AT80C51芯片的流水燈仿真與PCB制作

3.1 Proteus單片機(jī)仿與PCB制作的實(shí)驗(yàn)流程（如圖1所示）

3.2用ISIS軟件繪制含有AT80C51單片機(jī)芯片的原理圖

1）打開ISIS Professional軟件，執(zhí)行“File”→“New Design”，在彈出窗口中選擇默認(rèn)模板“DEFAULT”，點(diǎn)擊“OK”，然后保存，命名為“liushuideng.DSN”。

2）“System”→“Set Sheet Sizes…”，彈出“Sheet Size Configuration”對(duì)話框，設(shè)定圖紙為A4，單擊“OK”。

3）添加元器件。

具體數(shù)值見圖3.在工具欄中執(zhí)行菜單命令“Library”→“Pick Device/Symbol…”，彈出對(duì)話框在“Keywords”欄里輸入所需元器件，右側(cè)欄將顯示，此時(shí)只需選擇自己需要的元器件，點(diǎn)擊“OK”，然后在列表中選中元器件（所用元件如下表1所示），在原理圖編輯窗口合適位置單擊鼠標(biāo)完成放置，按此方法將列表中的所有元器件添加進(jìn)去。

4）放置電源和地：單擊左側(cè)工具箱中圖標(biāo)，在對(duì)象選擇器中單擊“POWER”，使其出現(xiàn)藍(lán)色條，再在原理圖編輯窗口合適位置單擊鼠標(biāo)，就將“電源”放置在原理圖中；單擊“GROUND”，用同樣方法，將“地”放置在原理圖中。

5）布線：在ISIS原理圖編輯窗口中沒有專門的布線按鈕，但系統(tǒng)默認(rèn)自動(dòng)布線有效，因此，可直接畫線，布線如圖2所示。

4.C語言編程

4.1建立工程文件

1）打開K e i l u V i s i o n 2軟件，點(diǎn)擊“Project”→“New Project”，命名為“liushuideng”，然后保存，在彈出的對(duì)話框“Data base”欄中選擇“Atmel”→“89C51”→“確定”；然后點(diǎn)擊“File”

→“New File”。

2）點(diǎn)擊“Save”→文件命名為“liushuideng.

c“→”保存“，本程序利用C語言編程后綴必須是”。c“。

3）點(diǎn)擊“Target 1”→“Sour Group1”

→“Add Files to Group”Sour Group 1“”，在彈出的對(duì)話框中選擇剛建的文件，然后點(diǎn)擊“Add”，添加完成后點(diǎn)擊“Close”；到此工程建立完畢。

4.2利用C語言編寫流水燈的程序源代碼

#include #include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar temp；void delay（uint）；

void main（）

{temp=0xfe；P0=temp；while（1）

{temp=_crol_（temp，1）；delay（600）；

P0=temp；} }

void delay（uint z）

{ u i n t x ， y ； f o r（x = 1 0 0 ； x > 0 ； x - -）

for（y=z；y>0；y-）；}

4.3調(diào)試程序

經(jīng)調(diào)試本程序，下邊狀態(tài)欄顯示“0Errors，0 Warning”，表示“0”錯(cuò)誤，“0”警告。

4.4生成。HEX目標(biāo)文件

選中“Target 1”單擊右鍵→“Optionfor Target Target 1‘”，在彈出的對(duì)話框中，單擊“Output”→“Create HEX File”打鉤，再次運(yùn)行程序即可生成。HEX目標(biāo)文件。

5.原理圖仿真

（1）在Proteus ISIS中，雙擊AT89C51單片機(jī)芯片，在彈出的“Edit Component”

對(duì)話框的“P r o g r a m F i l e”欄中選擇“liushuideng.hex”，然后點(diǎn)擊“OK”。

（2）在Proteus ISIS編輯窗口左下方點(diǎn)擊播放按鈕，或者在“Debug”菜單下選擇“Execute”，可以看到，首先P0.0點(diǎn)亮LED燈，等待一秒后熄滅，同時(shí)P0.1點(diǎn)亮另一只LED燈，同樣等待一秒后熄滅，P0.2點(diǎn)亮LED燈┄┄當(dāng)P0.7點(diǎn)亮LED燈等待一秒后熄滅后，P0.0點(diǎn)亮LED燈┄┄如此循環(huán)，間隔時(shí)間可在delay函數(shù)中自行設(shè)定，在運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

LED燈左側(cè)的點(diǎn)呈現(xiàn)藍(lán)色時(shí)，表示點(diǎn)亮狀態(tài)，紅色時(shí)，表示熄滅狀態(tài)。

6.PCB的制作

6.1統(tǒng)計(jì)電路原理圖中使用的元器件

在ISIS中執(zhí)行菜單命令“Tools”→“Billof Materials”→“2 ASCII Output”，生成元器件清單，如圖3所示：

6.2導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表

在I S I S中，雙擊開關(guān)“K”，會(huì)彈出“Edit Component”對(duì)話框，將“Excludefrom PCB Layout”前的“√”去掉，點(diǎn)擊“OK”；執(zhí)行菜單命令“Tools”→“Netlistto ARES”，系統(tǒng)自動(dòng)打開ARES軟件。在ISIS中有些元器件沒有指定封裝形式，因此系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“Package Selector”對(duì)話框，在“Package”欄中輸入相應(yīng)的封裝形式，對(duì)于發(fā)光二極管的封裝形式為“LED”，按鈕“K”的封裝形式為“SW-PUSH1”。

6.3放置元器件

完成元器件封裝后，進(jìn)入A R E S操作界面，先要點(diǎn)擊主工具箱中圖標(biāo)，此為2DGroaphics框體模式，在左下角下拉框中選擇當(dāng)前板層為“Board Edge”（黃色），在工作區(qū)內(nèi)單擊不放，拉出來個(gè)黃框，按需要設(shè)定大小，那就是PCB編輯板層。在元器件不多的情況下，為了達(dá)到自己想要的設(shè)計(jì)效果，采用手動(dòng)布置元器件的方法，在主工具箱中單擊元件模式圖標(biāo)，在元器件列表中選擇某個(gè)元器件，然后在編輯區(qū)中合適位置單擊鼠標(biāo)左鍵，即可放置好該元器件；如果元器件比較多，采用自動(dòng)布置元器件和手動(dòng)布置元器件相結(jié)合的方法，可以大大提高制板效率。元器件放置完畢后，且右下角顯示“No DRC errors”，無設(shè)計(jì)規(guī)則錯(cuò)誤。

6.4布線

ARES提供了交互手工布線和自動(dòng)布線兩種方式，通常結(jié)合使用以提高效率，并使PCB具有更好的電氣特性，也更加美觀。執(zhí)行菜單命令“Tools”→“Auto Router”，彈出“Shape Based Auto Router”對(duì)話框，按需要自行設(shè)定各參數(shù)，然后點(diǎn)擊“OK”，開始自動(dòng)布線，然后進(jìn)行手工調(diào)整，結(jié)果如圖4所示：

6.5規(guī)則檢查

CRC檢查：點(diǎn)擊“Tools”→“ConnectivityChecker”，系統(tǒng)進(jìn)行連接性檢查，下邊狀態(tài)框提示“0 CRC violationsfound”，表示無CRC錯(cuò)誤且無DRC錯(cuò)誤。

6.6敷銅

1）頂層敷銅：點(diǎn)擊“Tools”→“PowerPlane Generator”，彈出“Power PlaneG e n e r a t o r”對(duì)話框，在此對(duì)話框中的“Net”欄中選擇“GND=POWRE”，“Layer”

欄中選擇“Top Copper”，“Boundary”欄中選擇“T10”，設(shè)置好后，點(diǎn)擊“OK”，進(jìn)行頂層敷銅。

2）底層敷銅：只需在“Layer”欄中選擇“Bottom Copper”，其它操作同頂層敷銅。

6.7 3D效果顯示

點(diǎn)擊“Output”→“3D Visualizati o n”，顯示3 D效果如圖5所示，通過“View”的下拉菜單可以顯示不同的3D效果。

6.8輸出光繪文件

點(diǎn)擊“Output”→“IDF ManufacturingOutput”，按PCB生產(chǎn)要求設(shè)置參數(shù)，點(diǎn)擊“Generate”，生成相應(yīng)的光繪文件。將導(dǎo)出的光繪文件和相應(yīng)鉆孔文件，發(fā)送到PCB廠家就可以進(jìn)行制板了。也可以自己購買原材料，動(dòng)手制作一塊流水燈的PCB板，這樣更能加深對(duì)單片機(jī)開發(fā)過程和工作原理的理解。

7.結(jié)束語

本論文以Proteus軟件為仿真工具，Keil uVision2軟件為程序編輯器，相對(duì)完整的論述了單片機(jī)的仿真和制作PCB的流程，同時(shí)流水燈的制作也是單片機(jī)入門典型實(shí)例；這將讓廣大單片機(jī)初學(xué)者對(duì)其開發(fā)流程有大致了解。利用Proteus軟件進(jìn)行單片機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，不僅減少了原材料的損耗，還彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)儀器和元器件缺乏帶來的不足。初學(xué)者通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以了解單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)方法，這非常有助于培養(yǎng)其綜合分析能力、排除故障能力和開發(fā)、創(chuàng)新能力。