1、基于 Proteus 软件的单片机实验室建设方案跑马灯 万年历课程设计 摘 要微机系统是大二学的课程，通过这门课学会了汇编语言。微机系统的核心是硬件仿真，硬件方正的重点是单片机。单片机的种类繁多，在我们学校由于实验室的限制，没有条件在包括所有种类的单片机仿真 设备。本文提出基于 Proteus 软件的单片机实验室建设方案,它能很好的解决上述问题。数字单片机实验室是采用 Proteus 和 Keil 仿真软件为核心来构建的。该数字实验室能 完成中断、定时、单片机扩展、串行口通信和 A/D 转换等教学实验。并给出相应的小实例说明Proteus的基本使用方法、仿真实验的一般流程，并在此基础上实现复杂
2、的Proteus仿真实验项目，如跑马灯仿真实验和万年历仿真实验。该方案以软件为核心，通过配置有限的硬件设备,很好地解决了传统单片机实验室资金和设备维护问题，我们通过仿真实验，可以熟悉单片机系统的开发方法，即使不真正接触单片机或者相应的芯片，也能够熟悉各种芯片，并且对进一步培养自己的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力具有重要的意义。关键词：单片机； Proteus 软件； Keil软件； 数字实验室AbstractThe computer system is a sophomore science courses, and pass this course to learn assemb
3、ly language. The core of the computer system is a hardware emulation hardware Founders focus is the microcontroller. A wide range of SCM, in our school due to laboratory limitations, no conditions, including all types of single-chip simulation equipment. In this paper, the Proteus software-based MCU
4、 laboratory building program, it is good to solve the above problem.Digital MCU laboratory is the use of the Proteus and Keil, simulation software as the core to build. The digital laboratory to complete the interrupt, timer, microcontroller expansion of the teaching experiment of the serial port co
5、mmunication and A / D conversion. And give a small example illustrates the basic use of the Proteus, the general process of simulation, and Proteus simulation project on this basis, such as the the Marquee simulation and calendar of simulation experiments.Software, the program through the allocation
6、 of limited hardware, a good solution to the traditional MCU laboratory funds and equipment maintenance issues, we familiar with the development of the SCM system through simulation, you can not really contact MCU or the corresponding chips, but also to become familiar with a variety of chips, and t
7、o further develop their own comprehensive analysis capabilities, troubleshoot problems and development, innovation is of great significance.Keywords: microcontroller; the Proteus software; the Keil software, digital laboratory 课程说明我国各大院校的理工科专业都开设了单片机与控制技术这门课程，同学们也投入了较大精力进行学习，但实际的学习效果并不十分理想1。究其原因，一方面
8、是单片机本 身的因素，单片机综合性较强，涉及知识面较广，需要理论与实践相结合，需要较强的创 新能力；另一方面是实验仪器设备的限制，如用于学生实验的开发板、编程器、仿真器价 格都相当昂贵。本论文针对目前高校单片机实验室现状，提出一种可行的解决方案来帮助 学生更好的学习单片机这门课程。1.1 国内单片机实验室建设发展综述当前高校单片机实验室的构建有多种方式，但大致都是基于下面这两种2类型的平台来构建单片机实验室： 一，综合型单片机实验平台，其典型特征是把全部实验项目集中在一块实验电路板上。这种单片机综合实验平台的优点是学生进行实验时连接线较少，在时间上可快速进入实验 状态，减少因学生接错连接线和连
9、接线接触不良的情况。缺点是实验项目基本固定，不易 扩展，实验的灵活性较差。如浙江省橄浦恒坚电器设备厂出品的 HJPC 一型单片机综合实 验箱;湖北省单片机实验室开发的 HK-MCS-51B 型综合单片机实验平台;江苏省启东计算 机总厂开发的 DICE-598K 超强型三合一单片机微机开发实验平台;北京金一倍科技发展 有限公司开发的 DP-51PRO 单片机综合仿真实验平台等。二，模块化单片机实验平台，其典型特征是采用积木式结构，由一块主板连接一块或 多块实验板组成。主板是在单片机基本系统的基础上扩展多样化的接口和总线，具有驱动 多个外围接口芯片的能力，提供单片机的基本功能实验。一块实验板对应
10、1-3 个扩展实验 项目，实验板与主板之间用电缆连接，可以互相通信。如清华大学科教仪器厂生产的 TMD-1 型模块化单片机实验平台3。这种模块化单片机实验平台的优点有:一是主板可单 独或与一块及以上实验板相连，电路简单，元器件少，容易消化理解，降低了初学的难度; 二是实验项目灵活，根据学生专业和程度可方便地扩展实验，可较好地用在学生的课程实 验、毕业设计和电子设计竞赛等各个不同的实验与实践阶段。缺点是连接电缆经常拔插，易出现接触不良和连接错误及连接电缆花费时间较多的情况。1.2 单片机仿真软件综述目前单片机仿真常用的软件包括 protes和第三方软件 Keil uVision2，1Proteu
11、s 软件由 Labcenter Electronics 公司开发，是目前最好的模拟单片机外围器件的 工具4，它可以仿真 51 系列、AVR,PIC 等常用的 MCU 及其外围电路，如 LCD,RAM,ROM, 键盘、马达、LED,A/D,D/A，部分 SPI,I2 C 器件等。Proteus 与其它单片机仿真软件不同的 是，它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与 的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机 寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结 果。这种仿真实验，弥补了实验和工程应
12、用间脱节的矛盾，对于简单的开发和单片机教学 无疑是理想的选择。它还提供了可仿真数字和模拟、交流、直流等数千种元器件，30 多个元件库。Proteus 还可仿真仪表资源，理论上同一种仪器可以在一个电路中随意调用。除了现实存在的仪器 外，Proteus 还提供了一个图形显示功能5，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实 时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标， 例如极高的输人阻抗、极低的输出阻抗。另外，Proteus 还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。Kiel uVision2 软件页面Keil 是德国 KEIL
13、 公司开发的一个 51 单片机软件平台，最初是一个支持C语言和汇编语言的编译器软件。随着开发人员的不断努力，版本不断升级，已经成为了一个 重要的单片机开发平台。Keil 的界面和操作简单易学，使用比较广泛。Keil 的 uVision2 可以进行纯粹的软件仿真(仿真软件程序，不接硬件电路);也可以利用硬件仿真器，搭接上 单片机硬件系统，在仿真器中载人项目程序后进行实时仿真;还可以使用 uVision2 的内嵌 模块 Keil Monitor-51，在不需要额外的硬件仿真器的条件下，搭接单片机硬件系统对项目 程序进行实时仿真。Keil 的 uVision2 调试器具备所有常规源极调试、符号调试特
14、性以及 历史跟踪、代码覆盖、复杂断点等功能。1.3 课程设计任务任务本课题任务主要是用 PROTUES 仿真软件来构建单片机实验室7。针对当前国内高校单片机实验室实验室硬件建设的资金投入相对不足，维修周期长、成本高，仪器设备更新 率低，实验教学内容陈旧8，无法激发学生的实验积极性，论文探究用 PROTUES 仿真软 件来构建单片机实验室，它投入少，使用方便，PROTUES 仿真软件功能强大，能够仿真 单片机实验的全部内容。本论文在验证 PROTUES 仿真软件构建单 片机实验室可行性的 基础上，介绍了PROTUES 和第三方软件 Keil 软件特点和使用步骤，并根据不同实验目的解决简单或复杂的
15、实验项目，包括基础性试验，设计性实验，综合性实验；又根据不同专业，分别给出了自动化，测控，电信专业的试验设计；最后给出了完成 Proteus 与硬件相结合 的实验，来论证 Proteus 既是一种成本经济的实验室建设方案，也可以软硬结合来实现实 验要求。方案设计2.1 硬件配置方案基于 MCS51 集成环境的单片机实验室建设其硬件硬件采用 CPU 挂箱、8051CPU 模块。包括如下配置：（1）、微处理器：i80c31，它的 P1 口、P3 口皆对用户开放，供用户使用；（2）、时钟频率：6.0MHz；（3）、存储器：程序存储器与数据存储器统一编址，最多可达 64k，板载 ROM(监控 程序 2
16、7C256)12k；RAM1(程序存储器 6264)8k 供用户下载实验程序，可扩展达 32k； RAM2( 数 据 存 储 器 6264)8k 供 用 户 程 序 使 用 ， 可 扩 展 达 32k 。 在 程 序 存 储 器 中 ，0000H-2FFFH 为监控程序存储器区，用户不可用，4000H-5FFFH 为用户实验程序存 储区，供用户下载实验程序。数据存储器的范围为：6000H-7FFFH，供用户实验程序使 用。一般实验室配置 12 台这样的 CPU 挂箱、8051CPU 模块 ，一组机台 4-5 人参与实验。2.2 软件配置方案MCS51 集成开发环境是为 INTEL51 系列程序
17、开发的多窗口程序级开发调试软件它的友好的 WINDOWS 的界面使用户的使用简单快捷，极大的提高了程序的开发效率该调试软件支持.asm 和.c 两种文件格式，文件输入，输出，修改都十分方便。采用 多窗口形式，方便程序输入、程序调试、在线模拟，调试工具也相当完善，使学生容易学 习。该实验室配置采用硬件模块和软件相结合的方法，集成化程度较好，并且为了提高微机教学实验质量，提高实验效率，实验系统的实验板上，除微处理器外、程序存储器、数 据存储器外，还增加了 8255 并行接口、8250 串行控制器、8279 键盘、显示控制器、8253 可编程定时器、A/D、D/A 转换、单脉冲、各种频率的脉冲发生器
18、、输入、输出电路等模 块，各部分电路既相互独立、又可灵活组合，能满足各类学校，不同层次微机实验与培训6要求。具体包括：（1）、8051 单片机 P1 口输入、输出实验（2）、8051 单片机简单的扩展输入、输出实验（3）、8051 定时器/计数器实验（4）、8051 外中断实验（5）、8279 键盘扫描、 LED 显示实验（6）、8255 并行口输入、输出实验（7）、8253 定时器/计数器实验（8）、8259 中断实验（9）、串行口通讯实验（10）、ADC0809 A/D 转换实验 (11)、DAC0832 D/A 转换 实验。2.2 基于 PROTEUS 的单片机实验室建设的配置方案2.2
19、.1 硬件配置方案该方案对机器的配置要求不是很高，服务器 1 台，型号：pIII600CPU、1G 内存、80G硬盘；256MB 内存、40GB 硬盘。另外需几套硬件仿真器、实验板、编程器和示波器等。（1） 软件仿真系统选用 Proteus ISIS6（2） Proteus ISIS6界面该软件（如图 2-3）的特点:全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路7组成的系统的仿真、RS-232 动态仿真、12 C 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
20、器等。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、HC1l 系列以及各种外围芯片。支持大量的存储器和外围芯片。总之，该软件是 一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件9，功能极其强大，是其他任何一款软件不 能相比的。在单片机实验室为每一台计算机安装该软件。安装套数的多少根据实验室的规 模确定。(2)编译调试环境选用 Keil C51 uVision2 软件图 2-4 Keil C51 uVision2 软件界面该软件支持众多不同公司的 MCS - 51 架构的芯片，集编辑、编译和程序仿真等
21、于一体，同时还支持 PLM、汇编和 C 语言的程序设计，如图 2-4 所示。它的界面友好易学， 在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能，很多 51 应用的工程师都在使用该软件;所以 使用该软件将使学生获得很多实际工作经验，并且通过设置可与 ISIS 联机调试单片机系 统。2.3 Proteus 实验室完成实验内容用 PROTEUS 软件构建的虚拟实验室10能够进行包括模拟电路、数字电路和微处理器系统在内的仿真实验，其中模拟电路实验包括分立元件放大电路、振荡电路和集成电路 实验;数字电路实验包括门电路、组合逻辑电路、触发器和时序电路实验单片机实验包括中断、定时、单片机扩展、串行通信和 A/D 转
22、换等实验。实验的结构包括四大部分:实验目的原理、实验内容步骤、实验仪器设备和器件、实验报告。其中实验目的原理部分详细 介绍了该实验的主要目的、要求、电路工作原理和参数的测量方法等;实验内容、步骤阐 述了实验内容及实验实施具体步骤;实验仪器设备和器件主要是对实验过程中所用到的相 关虚拟仪器设备和器件的功能及使用方法作介绍;实验报告是一个电子实验报告系统，仿 真实验中记录的实验数据、现象波形图等可以直接进入实验报告中，对所测量数据进行分 析处理，并且在报告中绘制各种实验曲线。2.3 方案选择本论文选择基于 Proteus 的单片机实验室建设的配置方案。采用 MCS51 集成软件开发配置来建设实验室
23、，相应的硬件仿真设备所需资金大，维 护要求很高，仿真的单片机种类也很有限，不可能在一个实验室中包括所有种类的单片机 仿真设备。随着技术的不断更新，设备不断老化，实验仪器也很快落后，学校要花很高的 成本来更新设备，不符合学校实际情况，也不利于学生学习单片机实验课程11。而采用 Proteus 的单片机实验室配置方案，它不仅可以仿真和分析各种模拟器件和集 成电路，而且能仿真 MCS-51 系列单片机和它的外围电路的工作。Proteus 软件提供了 30 多个元件库，数千种元件，涉及到数字和模拟、交流和直流等，比如有三极管、稳压二极 管、74 系列、存储器、运算放大器、PLC 集成电路等。Prote
24、us 软件提供的仪表有:示波器、 逻辑分析仪、时间计数器、串口虚拟终端、信号发生器、图形信号发生器、直流电压表、 直流电流表、交流电压表、交流电流表等。除此之外，Proteus 还提供了一个图形显示功 能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功 能更多。这一点，对于刚刚接触到单片机的学生来说，既增加了实验趣味，又避免了传统 实验中的损耗。用 Protues ISIS 实现单片机实验，实验将不再受传统实验硬件的限制， Protues ISIS 提供的大量虚拟的单片机及其外围电路的电子元器件，为学生自由搭建功能 相似、实现方法不同的实验电路提供了可能。另外 Pr
25、otues ISIS 不仅能仿真单片机的工作，而且能仿真单片机外围电路或没有单片 机参与的其它电路的工作。这样，在仿真和程序调试时，可以不必关心由于某些语句执行 时单片机寄存器和存储器内容的改变状况，而是从工程的角度直接看程序的运行和电路工 作的过程和结果。由于 Protues ISIS 对电路的分析和良好的仿真，与实验相关的实验电路不仅在 ProtuesISIS 环境中能正确运行，同时能实时产生实验所要求的实验现象。以 Protues ISIS 构建单 片机的虚拟实验室12不仅是可行的，而且是现实的，具有专业水准的。经过比较，最终 软件仿真系统选用 Proteus ISIS6，编译调试环境选
26、用 Keil C51 uVision2 软件的配置方案。10硬件实验PROTEUS VSM 实验针对不同实验需要不同的硬件装置只需要一台通用计算机根据不同单片机需配置多台昂贵的硬件仿真 器和不同的硬件环境支持多种主流 CPU 的仿真，可完成包括 单片机及外设的整个嵌入式系统仿真需要耗费大量的测试仪器以及维护开销，还 需要购买多种器件及耗材包含 13 种虚拟仪器，外观真实，功能齐 全，8000 多种的可选虚拟器件学生的错误可能导致设置损耗或事故PROTEUS VSM 是安全的虚拟环境不便于为多变的软件教学内容配置相应的实 验环境可以方便快捷地建立适应不同软件教学 的实验环境实验教学局限与实验室，
27、不便于学生的课外 复习和准备不受地域限制，便于教师备课和学生学 习，还可作为多媒体课件使用实验结果记录较复杂，不便于建档保存可输出印刷质量的图纸和报表，便于归档 和发表基于PROTUES的的仿真实验3.1、基础性实验-跑马灯设计 设计8个led在AT89C51单片机p1端口点亮，点亮顺序为P1.0到P1.7，P1.7到P1.0，然后重复循环，并具体介绍Proteus和Keil软件的操作步骤。3.1.1跑马灯的硬件设计Proteus ISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如下图所示，包括标题栏、主菜单、绘图工具栏，对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、图形编
28、辑窗口。 首先点击启动界面区域中对象选择“P”按钮（用于拾取元器件）来打开“Pick Devices”对话框从元件库拾取所需的元器件 在对话框中的“Keyword”里面输入要检索的元器件的关键词，在跑马灯是课程设计中，需要用到89C51单片机，因此在对话框中输入AT89C51，输入完成后能够在中间的“Result”结果栏页面看到搜索的元器件的结果。在对话框的右侧，还能够看到选择的元器件的仿真模型引脚以及PCB的参数。如果所选择的元器件并没有仿真模型，对话框将在仿真模型和引脚一栏中显示“No Simulator Model”（无仿真模型）。 搜索到所需的元器件以后，可以双击元器件名来将相应的元器
29、件加入到文档中,接下 来还可以用相同的方法来搜索并加入其他的元器件。当已经将所需的元器全部加入到文档 中时，可以点击OK按钮来完成元器件的添加。添加好元器件以后，下面所需要做的就 是将元器件按照需要连接成电路。首先在对象选择器窗口中点击需要添加到文档中的元器 件，这时就可以在预览窗口看到所选择。元器件的形状与方向，如果其方向不符合的要求，可以通过点击预览对象方位控制按 钮中的工具来任意进行调整，调整完成之后在文档中单击并选定好需要放置的位置即可。 接着按相同的操作即可完成所有元器件的布置，接下来是连线。事实上 PROTEUS 的自动 布线功能非常方便。布线时只需要单击选择起点，然后在需要转弯的
30、地方单击一下 图画好以后要好好检查一下，注意电阻的阻值不要太大了。修改好各组件属性以后就要将程序（HEX 文件）载入单片机了14。首先双击单片机 图标，系统同样会弹出“Edit Component”对话框，如图 3-4。在这个对话框中点击“Program files”框右侧的 ，来打开选择程序代码窗口，选中相应的 HEX 文件后返回，这时按钮左 装载好程序，就可以进行仿真了，仿真需要通过仿真进程控制按钮来进行。工具条从左到右依次是“Play”、“Step”、“Pause”、“Stop”按钮，即运行、步进、暂停、停止。点击“Play” 按钮来仿真运行15，效果如图 3-5 所示，可以看到系统按照
31、编写的程序运行，而且还能通 过 PROTEUS 的图形显示功能形象直观的看到高低电平的实时变化。已经观察到了结果就 可以点击“Stop”来停止运行。 3.1.2跑马灯的软件设计KEIL 可以编辑、编译汇编语言，C51语言，连接定位目标文件和库文件，创建hex文件，调试目标程序等。KEIL 软件功能强大，包含很多部分，本文我们主要 使用 KEIL uVision 来开发项目、调试程序并生成 HEX 文件来用于 PROTEU 中单片机程序 的开发和仿真。在 Windows 中安装了 KEIL 公司的 PK51 软件包之后，会自动在桌面和开始菜单中生 成KEIL uVision2图标。安装完成后，运
32、行软件，可以看到其界面，包括标题栏、下 拉菜单、快捷工具条按钮、项目窗口、文件编辑窗口、输出窗口以及状态栏 用 KEIL 软件开发项目的流程，点击“Project”，新建一个工程。软件弹出“Create New Project”（创建新工程）窗口。 为工程输入文件名后，点击保存按钮，软件将弹出Select Device for Target窗口，如下图所示。根据工程的需要选择相应的 MCU，然后点击“确定”。 在工具中选择生成hex文件现在可以输入程序了再选择保存，后缀为.SAM。运行之后： 3.2设计性试验-万年历设计 本系统硬件主要包括单片机芯片、数码管显示、案件开关、时钟芯片她的硬件如下图所示。本机采用嵌入式微控制器PIC16F877A 。液晶显示器为LGM12
