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【摘要】本文针对单片机项目设计中出现的问题和基本方法，提出了将Proteus仿真软件和Keil软件引入到单片机项目式开发中。以“单片机双机通信实验”项目为例，详细阐述Proteus软件在单片机课程教学中的使用方法和仿真调试过程。实践证明，该方法能激发开发热情，锻炼创新能力和单片机软硬件综合开发能力，是提高单片机开发效率和设计产品质量的一种有效方法。
【关键词】单片机开发;Proteus软件;仿真调试
引言
单片机开发是一项综合性、实践性、应用性很强的技术。传统的单片机开发采用“先理论设计，再动手实验”的开发模式，该模式造成编程与之实验结果分离，不便于调试，效果并不理想。鉴于此，本文将Proteus和引入到单片机的项目式开发中，通过仿真的直观性和真实感，不仅节约了硬件资源的投入，而且提高了单片机开发效率和产品质量。
一、Proteus简介
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，它除了具有其他EDA工具的原理布图、PCB自动或人工布线、电路仿真等功能外，Proteus最大的特点是基于微控制器的设计连同所有的外围电路一起仿真，可直接在单片机虚拟系统上对MCU编程，并可对软件源代码进行实时调试。同时，它具有电路互动仿真功能，通过动态外设模型，如键盘、LED/LCD等，可实时显示系统输入、输出结果，以实现交互仿真，或配合Proteus配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，使单片机虚拟系统实现预期的实验效果。
此处还需要用Keil软件来协助。Keil软件是美国Keil Software公司出品的兼容单片机C语言软件的开发系统，是目前世界上最好的51单片机开发工具之一。它提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，生成的目标代码效率高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
Proteus和Keil各自都可以进行仿真调试，但效果不是很理想，如把两者结合起来相互配合，则可发挥Proteus和Keil的优势使其在仿真过程中的软件调试和硬件设计更加便捷、高效。
二、仿真项目教学案例
（一）项目要求
本项目要求用两片AT89C51单片机实现A机检测输入键盘信息，并通过串行通信方式，传送给B机，在B机用数码管显示A机所按下的对应按键代号，“0-9”显示对应数字，其余按键显示“-”。
（二）任务分析
项目开发过程是紧紧围绕一个或多个完整的项目展开的，因此项目的设计，是单片机课程教学成败的关键。按照本项目要求，通过分析，该项目实际上是一个双机单向通信项目，只要掌握了该项目，双向通信问题不难理解。具体思路是：
1.A、B单片机均采用AT89C51，A机须完成矩阵键盘扫描识别、键盘代码串行传送两项任务。B机须完成串行接收代码、数码显示两项任务。本项目程序的关键就是串行通信程序部分。
2.A机通过检测P2口外接的矩阵键盘信息，并进行识别处理，产生相应的键盘代码，然后通过串行发送端TXD/P3.1发送给B机;
3.B机收到A机发送的键盘代码后，通过处理，从P0口输出七段数码管段码信号，驱动共阳极七段数码管显示键盘代码。
图1
图2
图3
（三）硬件仿真图绘制
通过以上的任务分析，我们先设计出硬件电路，并将电路在Proteus中绘制出来。电源电路用5V，具体电路省略。时钟电路用来产生时钟信号供单片机工作，晶振采用12MHz，平衡电容采用33pF。复位电路在系统上电或运行过程中对单片机进行初始化操作。
图4
图5
1.单片机最小系统
本案例所用单片机型号为AT89C51，其结构简单，控制灵活。其最小系统主要包括主芯片、电源电路、时钟电路、复位电路。
2.本例单片机最小系统
在这里要特别说明的是，在Proteus中单片机可以默认以最小系统工作。即可以不加上电源电路、复位电路、时钟电路也可以工作。不过为了便于直观观察，我们还是画出这些路。在绘制时，双机只画出单机的这些电路，另一个不画。并且为了不产生标号冲突，B机的引脚标号用数字表示。
本例中A机的主电路、电源电路、时钟电路、复位电路见附图。B机的系统图和A机系统大同小异。
3.本例输入、输出系统及通信连接
本例中的输入系统是矩阵键盘电路，从A机输入。利用P2口作为键盘检测口，P2.0-P2.3为行线扫描，P2.4-P2.7为列线检测。
本例中的通信连接是将双机的RXD和TXD两脚，即P3.0和P3.1交叉相边即可。B机的这两脚标号和A机对应。
本例中的输出系统是单个LED共阳数码管显示电路，从B机P0输出段码控制信号。
4.本例硬件仿真总图见附1。
（四）软件系统流程图
A机主程序流程图如图1所示，键盘扫描检测程序流程图如图2所示，B机主程序流程图如图3所示。具体的程序见附3。编程输入Kei uVsion4软件并生成A机和B机的”.hex”格式可执行文件。
图6
图7
图8
附1 双机通信实验仿真电路原理图
附2 电源原理图
（五）Proteus ISIS载入仿真
1.加加载源程序和目标程序文件、目标代码文件、设置时钟频率
在ISIS菜单中单击Source（源程序），弹出下拉菜单，点击“Add/Remove Source File…”，弹出如图1.9所示的对话框，选取A机芯片，点击 ，加入源程序“双机通信实验A机发送程序.C”，如图4所示;选取B机芯片，点击 ，加入源程序“双机通信实验B机接收程序.C”，如图5所示。点击确定。 在ISIS编辑窗口中双击A机AT89C51芯片，在弹出的对话框中点击如图6所示的按钮，选择前面所生成的“双机通信实验A机发送程序.hex”代码文件，再在Clock Frequency：栏中设置时钟为12MHz，点击“OK”即可。B机同样设置。如图7所示。
2.PROTEUS交互仿真
代码装载完毕后即可进行仿真，只需点击运行仿真按钮即可运行仿真。仿真运行效果如图8所示。
（六）本例仿真电路原理图及程序部分源代码
1.本例仿真电路原理图（附1、附2）
2.本例程序部分源代码（附3）
A机检测发送程序：
#include <at89x51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define key_4x4_port P2 //定义P3口为键盘输入
uchar key; //按键值
void delayms（uint xms）;//1ms延时程序
void key_4x4_scan（）; //键盘扫描指示程序
uchar d[11]={0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}; //发送的数据
void delay（）;
/*--------------Xms延时程序----------------*/
void delayms（uint xms）
{ uint i，j;
for（i=xms;i>0;i--） //i=xms时延时xms
for（j=110;j>0;j--）;
}
/*---------------键盘扫描指示程序--------------*/
{省略}
/*---------------A机检测发送程序--------------*/
main（）{
uchar i;
PCON=0x80;//波特率加倍
SCON=0x40;//方式1，波特率与T1溢出率相关
TMOD=0x20;//T1方式2
TH1=0xfd;//串口速度为19.2Kb/s
TL1=0xfd;
TR1=1;//启动T1
while（1）{
key_4x4_scan（）;
SBUF=d[key];//启动串口并发送数据
while（1）
{
if（TI==1）
{//检测，发送完发送下一数据
TI=0;//清中断
break;
}
}
delay（）;//发送速度控制
}
}
void delay（）{
unsigned int i;
for（i=0;i<40;i++）{
}
}
B机接收显示程序：
#include <at89x51.h>
unsigned char code d[11]= //LED字符码
{ 0xc0，0xF9，0xA4，0xB0，0x99，
0x92，0x82，0xF8，0x80，0x90，0xbf
};
main（）{
PCON=0x80;//波特率加倍
SCON=0x50;//方式1，允许接收
IE=0x90;//开串口中断
TMOD=0x20;//T1方式2
TH1=0xfd;//串口速度为19.2Kb/s
TL1=0xfd;
TR1=1;//启动T1
while（1）{
if（RI==1）{//检测
P0=d[SBUF];//显示
RI=0;//清中断
}
}
}
三、结论
通过本次实验，可以熟悉单片机串行通信的编程方法，提高键盘扫描检测程序、定时器的使用技巧，熟悉ProteusISIS的使用方法，将其与Keil uVsion4有机结合，使用该软件有利于直观观察仿真结果，培养单片机综合应用能力，明显地提高单片机开发效率和教学质量。
参考文献
[1]谷秀荣，单片机原理与应用（C51版），北京交大出版社，2009.7.
[2]李全利.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社，2001.7.
【关键词】单片机开发;Proteus软件;仿真调试
引言
单片机开发是一项综合性、实践性、应用性很强的技术。传统的单片机开发采用“先理论设计，再动手实验”的开发模式，该模式造成编程与之实验结果分离，不便于调试，效果并不理想。鉴于此，本文将Proteus和引入到单片机的项目式开发中，通过仿真的直观性和真实感，不仅节约了硬件资源的投入，而且提高了单片机开发效率和产品质量。
一、Proteus简介
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件，它除了具有其他EDA工具的原理布图、PCB自动或人工布线、电路仿真等功能外，Proteus最大的特点是基于微控制器的设计连同所有的外围电路一起仿真，可直接在单片机虚拟系统上对MCU编程，并可对软件源代码进行实时调试。同时，它具有电路互动仿真功能，通过动态外设模型，如键盘、LED/LCD等，可实时显示系统输入、输出结果，以实现交互仿真，或配合Proteus配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，使单片机虚拟系统实现预期的实验效果。
此处还需要用Keil软件来协助。Keil软件是美国Keil Software公司出品的兼容单片机C语言软件的开发系统，是目前世界上最好的51单片机开发工具之一。它提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，生成的目标代码效率高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
Proteus和Keil各自都可以进行仿真调试，但效果不是很理想，如把两者结合起来相互配合，则可发挥Proteus和Keil的优势使其在仿真过程中的软件调试和硬件设计更加便捷、高效。
二、仿真项目教学案例
（一）项目要求
本项目要求用两片AT89C51单片机实现A机检测输入键盘信息，并通过串行通信方式，传送给B机，在B机用数码管显示A机所按下的对应按键代号，“0-9”显示对应数字，其余按键显示“-”。
（二）任务分析
项目开发过程是紧紧围绕一个或多个完整的项目展开的，因此项目的设计，是单片机课程教学成败的关键。按照本项目要求，通过分析，该项目实际上是一个双机单向通信项目，只要掌握了该项目，双向通信问题不难理解。具体思路是：
1.A、B单片机均采用AT89C51，A机须完成矩阵键盘扫描识别、键盘代码串行传送两项任务。B机须完成串行接收代码、数码显示两项任务。本项目程序的关键就是串行通信程序部分。
2.A机通过检测P2口外接的矩阵键盘信息，并进行识别处理，产生相应的键盘代码，然后通过串行发送端TXD/P3.1发送给B机;
3.B机收到A机发送的键盘代码后，通过处理，从P0口输出七段数码管段码信号，驱动共阳极七段数码管显示键盘代码。
图1
图2
图3
（三）硬件仿真图绘制
通过以上的任务分析，我们先设计出硬件电路，并将电路在Proteus中绘制出来。电源电路用5V，具体电路省略。时钟电路用来产生时钟信号供单片机工作，晶振采用12MHz，平衡电容采用33pF。复位电路在系统上电或运行过程中对单片机进行初始化操作。
图4
图5
1.单片机最小系统
本案例所用单片机型号为AT89C51，其结构简单，控制灵活。其最小系统主要包括主芯片、电源电路、时钟电路、复位电路。
2.本例单片机最小系统
在这里要特别说明的是，在Proteus中单片机可以默认以最小系统工作。即可以不加上电源电路、复位电路、时钟电路也可以工作。不过为了便于直观观察，我们还是画出这些路。在绘制时，双机只画出单机的这些电路，另一个不画。并且为了不产生标号冲突，B机的引脚标号用数字表示。
本例中A机的主电路、电源电路、时钟电路、复位电路见附图。B机的系统图和A机系统大同小异。
3.本例输入、输出系统及通信连接
本例中的输入系统是矩阵键盘电路，从A机输入。利用P2口作为键盘检测口，P2.0-P2.3为行线扫描，P2.4-P2.7为列线检测。
本例中的通信连接是将双机的RXD和TXD两脚，即P3.0和P3.1交叉相边即可。B机的这两脚标号和A机对应。
本例中的输出系统是单个LED共阳数码管显示电路，从B机P0输出段码控制信号。
4.本例硬件仿真总图见附1。
（四）软件系统流程图
A机主程序流程图如图1所示，键盘扫描检测程序流程图如图2所示，B机主程序流程图如图3所示。具体的程序见附3。编程输入Kei uVsion4软件并生成A机和B机的”.hex”格式可执行文件。
图6
图7
图8
附1 双机通信实验仿真电路原理图
附2 电源原理图
（五）Proteus ISIS载入仿真
1.加加载源程序和目标程序文件、目标代码文件、设置时钟频率
在ISIS菜单中单击Source（源程序），弹出下拉菜单，点击“Add/Remove Source File…”，弹出如图1.9所示的对话框，选取A机芯片，点击 ，加入源程序“双机通信实验A机发送程序.C”，如图4所示;选取B机芯片，点击 ，加入源程序“双机通信实验B机接收程序.C”，如图5所示。点击确定。 在ISIS编辑窗口中双击A机AT89C51芯片，在弹出的对话框中点击如图6所示的按钮，选择前面所生成的“双机通信实验A机发送程序.hex”代码文件，再在Clock Frequency：栏中设置时钟为12MHz，点击“OK”即可。B机同样设置。如图7所示。
2.PROTEUS交互仿真
代码装载完毕后即可进行仿真，只需点击运行仿真按钮即可运行仿真。仿真运行效果如图8所示。
（六）本例仿真电路原理图及程序部分源代码
1.本例仿真电路原理图（附1、附2）
2.本例程序部分源代码（附3）
A机检测发送程序：
#include <at89x51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define key_4x4_port P2 //定义P3口为键盘输入
uchar key; //按键值
void delayms（uint xms）;//1ms延时程序
void key_4x4_scan（）; //键盘扫描指示程序
uchar d[11]={0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}; //发送的数据
void delay（）;
/*--------------Xms延时程序----------------*/
void delayms（uint xms）
{ uint i，j;
for（i=xms;i>0;i--） //i=xms时延时xms
for（j=110;j>0;j--）;
}
/*---------------键盘扫描指示程序--------------*/
{省略}
/*---------------A机检测发送程序--------------*/
main（）{
uchar i;
PCON=0x80;//波特率加倍
SCON=0x40;//方式1，波特率与T1溢出率相关
TMOD=0x20;//T1方式2
TH1=0xfd;//串口速度为19.2Kb/s
TL1=0xfd;
TR1=1;//启动T1
while（1）{
key_4x4_scan（）;
SBUF=d[key];//启动串口并发送数据
while（1）
{
if（TI==1）
{//检测，发送完发送下一数据
TI=0;//清中断
break;
}
}
delay（）;//发送速度控制
}
}
void delay（）{
unsigned int i;
for（i=0;i<40;i++）{
}
}
B机接收显示程序：
#include <at89x51.h>
unsigned char code d[11]= //LED字符码
{ 0xc0，0xF9，0xA4，0xB0，0x99，
0x92，0x82，0xF8，0x80，0x90，0xbf
};
main（）{
PCON=0x80;//波特率加倍
SCON=0x50;//方式1，允许接收
IE=0x90;//开串口中断
TMOD=0x20;//T1方式2
TH1=0xfd;//串口速度为19.2Kb/s
TL1=0xfd;
TR1=1;//启动T1
while（1）{
if（RI==1）{//检测
P0=d[SBUF];//显示
RI=0;//清中断
}
}
}
三、结论
通过本次实验，可以熟悉单片机串行通信的编程方法，提高键盘扫描检测程序、定时器的使用技巧，熟悉ProteusISIS的使用方法，将其与Keil uVsion4有机结合，使用该软件有利于直观观察仿真结果，培养单片机综合应用能力，明显地提高单片机开发效率和教学质量。
参考文献
[1]谷秀荣，单片机原理与应用（C51版），北京交大出版社，2009.7.
[2]李全利.单片机原理及应用技术.北京：高等教育出版社，2001.7.