基于Proteus软件的单片机仿真与PCB设计

　　1.引言

　　单片机是将CPU芯片，存储器芯片，I/O接口芯片和简单的I/O设备装配在一块印刷电路板上，再配上存储在ROM中的监控程序，这便构成了一台单板微型计算机。传统的单片机开发都是采用硬件实验箱或实验板方式，硬件投资成本相对较高；这种定式的环境很容易将开发者的思维禁锢在小小的实验箱里，不利于创新思维实现，对于初学者还会造成认知上的误区，即所谓的单片机就是在一个箱子里穿针引线，这极不利于后续的开发。

　　目前，具有电路仿真功能的软件比较多，性能比较好的有Multisim、Protel、O r C A D等，但这些对单片机的仿真无能为力。到目前为止，只有Proteus软件能够提供完善的单片机芯片及嵌入式系统的仿真。

　　2.单片机仿真所需实验配置

　　2.1 选用Proteus软件作为单片机仿真软件

　　Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件。它不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计平台，更是目前世界上最先进，最完整的多种型号微处理器系统的设计与仿真平台，真正实现了在计算机上完成原理图设计，电路分析与仿真，微处理器程序设计与仿真，系统测试与功能验证，到形成PCB的完整电子设计、研发过程。

　　Proteus软件由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款智能原理图输入系统软件，可作为电子系统仿真平台，ARES是一款高级布线编辑软件，用于设计PCB.

　　2.2 选用Keil uVision2软件对程序进行编译和调试

　　Proteus仿真中的单片机芯片，与单片机硬件的 试验台中单片机芯片一样，需要下载编译好的机器语言文件，这样就需要汇编语言和C语言的编译器。KeiluVision2是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统C语言的语法来开发，它还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，同时可移植性强，使程序达到接近于汇编的工作效率。此外，Keil uVision2软件还支持众多不同公司的单片机芯片，集编辑、编译和程序调试于一体，之后将生成的。HEX文件，下载到单片机芯片里，这就完成了程序的固化。

　　3.基于Proteus软件含有AT80C51芯片的流水灯仿真与PCB制作

　　3.1 Proteus单片机仿与PCB制作的实验流程（如图1所示）

　　3.2 用ISIS软件绘制含有AT80C51单片机芯片的原理图

　　1）打开ISIS Professional 软件，执行“File”→“New Design”,在弹出窗口中选择默认模板“DEFAULT”,点击“OK”,然后保存，命名为“liushuideng.DSN”.

　　2）“System”→“Set Sheet Sizes…”,弹出“Sheet Size Configuration”对话框，设定图纸为A4,单击“OK”.

　　3）添加元器件。

　　具体数值见图3.在工具栏中执行菜单命令“Library”→“Pick Device/Symbol…”,弹出对话框在“Keywords”栏里输入所需元器件，右侧栏将显示，此时只需选择自己需要的元器件，点击“OK”,然后在列表中选中元器件（所用元件如下表1所示），在原理图编辑窗口合适位置单击鼠标完成放置，按此方法将列表中的所有元器件添加进去。

　　4）放置电源和地：单击左侧工具箱中图标，在对象选择器中单击“POWER”,使其出现蓝色条，再在原理图编辑窗口合适位置单击鼠标，就将“电源”放置在原理图中；单击“GROUND”,用同样方法，将“地”放置在原理图中。

　　5）布线：在ISIS原理图编辑窗口中没有专门的布线按钮，但系统默认自动布线有效，因此，可直接画线，布线如图2所示。

　　4.C语言编程

　　4.1 建立工程文件

　　1 ）打开K e i l u V i s i o n 2软件，点击“Project”→“New Project”,命名为“liushuideng”,然后保存，在弹出的对话框“Data base”栏中选择“Atmel”→“89C51”→“确定”;然后点击“File”

　　→“New File”.

　　2）点击“Save”→文件命名为“liushuideng.

　　c”→“保存”,本程序利用C语言编程后缀必须是“.c”.

　　3）点击“Target 1”→“Sour Group1”

　　→“Add Files to Group”Sour Group 1“”,在弹出的对话框中选择刚建的文件，然后点击“Add”,添加完成后点击“Close”;到此工程建立完毕。[page]

　　4.2 利用C语言编写流水灯的程序源代码

　　#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 调试程序

　　经调试本程序，下边状态栏显示“0Errors,0 Warning”,表示“0”错误，“0”警告。

　　4.4 生成。HEX目标文件

　　选中“Target 1”单击右键→“Optionfor Target \'Target 1‘”,在弹出的对话框中，单击“Output”→“Create HEX File”打钩，再次运行程序即可生成。HEX目标文件。

　　5.原理图仿真

　　（1）在Proteus ISIS中，双击AT89C51单片机芯片，在弹出的“Edit Component”

　　对话框的“ P r o g r a m F i l e ” 栏中选择“liushuideng.hex”,然后点击“OK”.

　　（2）在Proteus ISIS编辑窗口左下方点击播放按钮，或者在“Debug”菜单下选择“Execute”,可以看到，首先P0.0点亮LED灯，等待一秒后熄灭，同时P0.1点亮另一只LED灯，同样等待一秒后熄灭，P0.2点亮LED灯┄┄当P0.7点亮LED灯等待一秒后熄灭后，P0.0点亮LED灯┄┄如此循环，间隔时间可在delay函数中自行设定，在运行结果如图2所示。

　　LED灯左侧的点呈现蓝色时，表示点亮状态，红色时，表示熄灭状态。

　　6.PCB的制作

　　6.1 统计电路原理图中使用的元器件

　　在ISIS中执行菜单命令“Tools”→“Billof Materials”→“2 ASCII Output”,生成元器件清单，如图3所示：

　　6.2 导入网络表

　　在I S I S中，双击开关“K”,会弹出“Edit Component”对话框，将“Excludefrom PCB Layout”前的“√ ”去掉，点击“OK”;执行菜单命令“Tools”→“Netlistto ARES”,系统自动打开ARES软件。在ISIS中有些元器件没有指定封装形式，因此系统会自动弹出“Package Selector”对话框，在“Package”栏中输入相应的封装形式，对于发光二极管的封装形式为“LED”,按钮“K”的封装形式为“SW-PUSH1”.

　　6.3 放置元器件

　　完成元器件封装后，进入A R E S操作界面，先要点击主工具箱中图标，此为2DGroaphics框体模式，在左下角下拉框中选择当前板层为“Board Edge”（黄色），在工作区内单击不放，拉出来个黄框，按需要设定大小，那就是PCB编辑板层。在元器件不多的情况下，为了达到自己想要的设计效果，采用手动布置元器件的方法，在主工具箱中单击元件模式图标，在元器件列表中选择某个元器件，然后在编辑区中合适位置单击鼠标左键，即可放置好该元器件；如果元器件比较多，采用自动布置元器件和手动布置元器件相结合的方法，可以大大提高制板效率。元器件放置完毕后，且右下角显示“No DRC errors”,无设计规则错误。

　　6.4 布线

　　ARES提供了交互手工布线和自动布线两种方式，通常结合使用以提高效率，并使PCB具有更好的电气特性，也更加美观。执行菜单命令“Tools”→“Auto Router”,弹出“Shape Based Auto Router”对话框，按需要自行设定各参数，然后点击“OK”,开始自动布线，然后进行手工调整，结果如图4所示：

　　6.5 规则检查

　　CRC检查：点击“Tools”→“ConnectivityChecker”,系统进行连接性检查，下边状态框提示“0 CRC violationsfound”,表示无CRC错误且无DRC错误。

　　6.6 敷铜

　　1）顶层敷铜：点击“Tools”→“PowerPlane Generator”,弹出“Power PlaneG e n e r a t o r ” 对话框， 在此对话框中的“Net”栏中选择“GND=POWRE”,“Layer”

　　栏中选择“Top Copper”,“Boundary”栏中选择“T10”,设置好后，点击“OK”,进行顶层敷铜。

　　2）底层敷铜：只需在“Layer”栏中选择“Bottom Copper”,其它操作同顶层敷铜。

　　6.7 3D效果显示

　　点击“Output”→“3D Visualizati o n ” , 显示3 D 效果如图5 所示， 通过“View”的下拉菜单可以显示不同的3D效果。

　　6.8 输出光绘文件

　　点击“Output”→“IDF ManufacturingOutput”,按PCB生产要求设置参数，点击“Generate”,生成相应的光绘文件。将导出的光绘文件和相应钻孔文件，发送到PCB厂家就可以进行制板了。也可以自己购买原材料，动手制作一块流水灯的PCB板，这样更能加深对单片机开发过程和工作原理的理解。

　　7.结束语

　　本论文以Proteus软件为仿真工具，Keil uVision2软件为程序编辑器，相对完整的论述了单片机的仿真和制作PCB的流程，同时流水灯的制作也是单片机入门典型实例；这将让广大单片机初学者对其开发流程有大致了解。利用Proteus软件进行单片机仿真实验，不仅减少了原材料的损耗，还弥补了实验仪器和元器件缺乏带来的不足。初学者通过仿真实验，可以了解单片机系统的开发方法，这非常有助于培养其综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力。