1.1Proteus軟件的安裝與用戶界面

單片機(jī)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用包括軟件編程和硬件系統(tǒng)設(shè)計兩個方面。單片機(jī)的軟件編程與具體的單片機(jī)型號及外圍電路密切相關(guān),學(xué)習(xí)單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計和系統(tǒng)開發(fā),通常都要用到單片機(jī)實(shí)驗箱、仿真器和開發(fā)板等。這增加了初學(xué)者,尤其是業(yè)余愛好者對單片機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)難度和成本。但是,Proteus軟件的出現(xiàn),使學(xué)習(xí)者只使用一臺計算機(jī),在純軟件環(huán)境下,就可以完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計與仿真,還可以讓仿真的單片機(jī)加載已編好的程序,即軟硬件同時仿真,這極大地方便了單片機(jī)的軟硬件學(xué)習(xí)。Proteus軟件是英國LabCenterElectronics公司開發(fā)的電子設(shè)計自動化（EDA）工具軟件,它可以從電路原理圖、程序代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路仿真,最后直接轉(zhuǎn)換為PCB設(shè)計,實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品從概念到實(shí)物的完整自動化設(shè)計。下一頁返回1.1Proteus軟件的安裝與用戶界面

Proteus提供了大量與實(shí)際相對應(yīng)的元器件庫，還提供了實(shí)驗室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器及儀表，大大增加了電路設(shè)計與學(xué)習(xí)的方便性與靈活性。特別是，在各種電路仿真軟件中，它對單片機(jī)的仿真性能較為突出，其支持的處理器模型包括8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086、MSP430Cortex和DSP系列處理器等。Proteus軟件安裝后會有兩個模塊：ARES和ISIS。ARES是PCB布線編輯軟件，用于制作電路板；而ISIS是電路仿真軟件，它分門別類地提供了大量常見的模擬電子器件、數(shù)字電子器件以及微處理器芯片仿真模型，同時還提供了豐富的調(diào)試工具和手段，是一款簡單易用而又功能強(qiáng)大的EDA工具軟件。我們主要用它來搭建仿真的單片機(jī)硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的軟硬件仿真調(diào)試。上一頁下一頁返回1.1Proteus軟件的安裝與用戶界面

軟件安裝完成后，運(yùn)行“ISIS7Professional”，即可進(jìn)入圖1.1所示的ISIS編輯環(huán)境。整個用戶界面分為如圖所示的幾個重要功能區(qū)。電路圖編輯窗口：用戶在這里放置元器件、連接導(dǎo)線，并繪制自己的仿真電路。預(yù)覽窗口：電路圖放大后，在電路圖編輯窗口可能只能看見一部分仿真電路，而預(yù)覽窗口則用于顯示全局原理圖。當(dāng)鼠標(biāo)左鍵單擊預(yù)覽窗口并移動鼠標(biāo)，此時可改變仿真電路在電路圖編輯窗口中的顯示位置。另外，單擊元器件選擇窗口選中某一元器件時，預(yù)覽窗口還用于顯示被選中元器件的外形圖。元器件/庫加載按鈕：“P”按鈕用于從元器件庫中調(diào)出電路要用到的元器件并放到下面的元器件選擇窗口中備用，“L”按鈕用于調(diào)出元器件庫的管理界面。元器件選擇窗口：將從元器件庫中調(diào)出的元器件放在這里，以便重復(fù)使用。上一頁下一頁返回1.1Proteus軟件的安裝與用戶界面

仿真調(diào)試按鈕：電路仿真時用于“開始”“單步”“暫停”“停止”等操作。工具箱：工具箱中各圖標(biāo)按鈕對應(yīng)的操作如下。component按鈕：用于選擇元器件，單擊此按鈕后，元器件預(yù)覽窗口才顯示元器件。Junctiondot按鈕：用于在電路圖中放置導(dǎo)線交叉連接點(diǎn)。WireLabel按鈕：導(dǎo)線標(biāo)簽，用于為某條導(dǎo)線命名，同名導(dǎo)線視為物理上連接。TextScript按鈕：用于在電路圖中輸入文本信息。Bus按鈕：用于繪制總線。Subcircuit按鈕：用于繪制子電路模塊。Terminals按鈕：用于添加各種終端（如輸入、輸出、電源、接地等）。上一頁下一頁返回1.1Proteus軟件的安裝與用戶界面

Devicepins按鈕：用于添加各種器件引腳（普通引腳、時鐘引腳、反壓引腳等）。Graph按鈕：用于添加仿真分析所需要的各種圖表。TapeRecorder按鈕：用于磁帶記錄。Generator按鈕：用于添加各種信號源。VoltageProbe按鈕：用于添加電壓探針，以測量探針處的實(shí)時電壓值。CurrentProbe按鈕：用于添加電流探針，以測量探針處的實(shí)時電流值。VirtualInstruments按鈕：用于添加各種虛擬儀器（示波器、電壓表、電流表等）。：元器件放置前可旋轉(zhuǎn)或鏡像，放置后的元器件需右鍵單擊后操作。上一頁下一頁返回1.1Proteus軟件的安裝與用戶界面

在電路圖編輯窗口進(jìn)行電路設(shè)計與編輯的時候，經(jīng)常要對電路圖用到兩種非常重要的操作，即縮放和平移。通常可用如下幾種方式縮放電路原理圖：（1）將鼠標(biāo)移動到需要縮放的地方，滾動滾輪可將圖紙放大或縮小。（2）將鼠標(biāo)移動到需要縮放的地方，按鍵盤“F6”鍵可放大，按“F7”鍵可縮小。（3）按下“Shift”鍵，同時按下鼠標(biāo)左鍵，可拖拽出需要放大的區(qū)域。（4）使用工具條中的“ZoomIn”（放大）、“ZoomOut”（縮?。?、“ZoomAll”（全圖）、“ZoomArea”（放大區(qū)域）進(jìn)行操作。（5）按“F8”鍵可以在任何時候顯示全部電路圖。上一頁下一頁返回1.1Proteus軟件的安裝與用戶界面

可用如下幾種方式在電路圖編輯窗口對電路圖進(jìn)行平移：（1）按下鼠標(biāo)滾輪，出現(xiàn)光標(biāo)，表示圖紙已處于提起狀態(tài)，此時移動鼠標(biāo)可以進(jìn)行平移。（2）將鼠標(biāo)置于要平移到的地方，按“F5”鍵進(jìn)行平移。（3）按下“Shift”鍵，在電路圖編輯窗口移動鼠標(biāo)，進(jìn)行平移。（4）如果想要平移至相距比較遠(yuǎn)的地方，最快捷的方式是在預(yù)覽窗口單擊顯示該區(qū)域。（5）使用工具欄的“Pan”按鈕進(jìn)行平移。（6）在圖紙?zhí)崞馉顟B(tài)下，也可使用鼠標(biāo)滾輪進(jìn)行縮放操作。掌握這些操作可以大大提高電路圖編輯和繪制的效率，特別是滾輪的使用，不但可以用于縮放，還可以用于平移。上一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

ISIS可以仿真模擬電路、數(shù)字電路和多種型號單片機(jī)，并帶有多種虛擬儀器，可幫助電路的仿真和調(diào)試。下面我們就搭建一個比較簡單的模擬電路，并進(jìn)行仿真調(diào)試，以此來開始學(xué)習(xí)ISIS軟件的使用。啟動ISIS軟件后，單擊“File”→“NewDesign”命令，彈出一個界面，可選擇不同模板來進(jìn)行電路設(shè)計與仿真。不同模板只是設(shè)置和顯示信息有所不同，對仿真沒有本質(zhì)影響，所以選第一個“DEFAULT”即可。進(jìn)入主界面后，單擊元器件選擇窗口上面的“P”按鈕，將會彈出如圖1.2所示的元器件選擇對話框，其結(jié)構(gòu)和各部分名稱如圖所示。選擇元器件可以有兩種途徑。如果知道元器件在庫中的名稱，可以直接在“Keywords”欄中輸入名稱，ISIS將把所有符合名稱的元器件及其所屬庫都顯示出來。如果不知道元器件在庫中的準(zhǔn)確名稱，則只能根據(jù)分類來查找。下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

ISIS軟件的元器件分類庫中各項的名稱和含義如下：AnalogICs：模擬集成電路芯片，它有8個子類；Capacitors：電容,共有23個子類,其中Animated子類為動態(tài)仿真電容；CMOS4000series：CMOS4000系列電路芯片，共有16個子類；Connectors：連接器，共有8個子類；DataConverters：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，共有4個子類；DebuggingTools：調(diào)試工具，共有3個子類；Diodes：二極管，共有8個子類；Inductors：電感，共有3個子類；LaplacePrimitives：拉普拉斯模型，共有7個子類；MemoryICs：存儲器芯片，共有7個子類；MicroprocessorICs：微處理器芯片，共有13個子類，包括8051和AVR系列；上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

Miscellaneous：雜項元器件；ModelingPrimitives：建模源，共有9個子類；OperationalAmplifiers：運(yùn)算放大器，共有7個子類；Optoelectronics：光電元器件，共有11個子類；Resistors：電阻，共有11個子類，其中Generic為通用電阻；SimulatorPrimitives：仿真源，共有3個子類；SwitchesandRelays：開關(guān)和繼電器，共有4個子類；SwitchingDevices：開關(guān)元器件，共有4個子類；ThermionicValves：熱離子真空管，共有4個子類；Transducers：傳感器，共有2個子類；Transistors：晶體管，共有8個子類；TTL74系列集成電路系列：包括不同特性系列及多個子類。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

在此界面中，根據(jù)Category—Sub_category—Device—Library，雙擊選中的元器件，此器件就會被調(diào)入主界面中的元器件選擇窗口。此例中我們需要的元器件如下：燈泡：Optoelectronics—Lamps—LAMP—ACTIVE；發(fā)光二極管：Optoelectronics—LEDs—LED_GREEN—ACTIVE；電池：Miscellaneous—BATTERY；電位器：Resistors—Variable—POT_HG—ACTIVE；保險絲：Miscellaneous—FUSE—ACTIVE；電阻：Resistors—Generic—RES—DEVICE。返回主界面，在元器件選擇窗口中單擊選中的各個元器件，然后分別在電路圖編輯窗口中適當(dāng)位置單擊，即可放置好仿真所需要的元器件，軟件會自動給放置的元器件起好名字。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

調(diào)整好元器件的位置，然后在各個元器件的接線端單擊，可把各個元器件之間的導(dǎo)線連接好，如圖1.3所示。注意兩個元器件的引腳不能直接連在一起，引腳之間必須用導(dǎo)線連接。此仿真電路的作用有兩個，一是分析和觀察燈泡及發(fā)光二極管的亮度隨電壓和電流的變化情況，二是觀察干路電流超過保險絲的額定值時，保險絲熔斷情況。線路連接好后即可單擊“運(yùn)行”按鈕，開始仿真。但由于初始元器件參數(shù)不合適及不能直觀查看電流和電壓，仿真效果不明顯。但雙擊每個元器件，都可以查看和更改其參數(shù)。我們將各個元器件參數(shù)更改如下：電池組電壓由9V改為15V，電位器阻值不變，電阻R1

阻值由10kΩ改為1.28kΩ，燈泡內(nèi)阻24Ω不變，發(fā)光二極管管壓降2.2V不變，保險絲額定電流1A暫時不變。點(diǎn)選工具箱中電壓和電流探針，在如圖1.4中所示位置分別添加2個電壓探針和3個電流探針。在電池組的負(fù)極添加一個接地符號，使電壓探針測得的電壓是相對于地的值。注意電流探針的尖頭最好要順著電路中電流方向。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

此時，單擊“運(yùn)行”按鈕。單擊電位器，左右移動滑動端，通過改變電位器的電阻值，觀察電流和電壓的變化，以及燈泡和發(fā)光二極管的亮度隨電壓和電流的變化。當(dāng)電位器滑動端在最左端（0%）時，D1

支路電流理論值應(yīng)為：（15-2.2）/1.28kΩ=10mA，而燈泡支路電流應(yīng)為：15/24=0.625A。此時，干路電流最大值約為0.63A，沒超過保險絲的額定值，所以工作正常。停止仿真，雙擊保險絲，將其額定電流修改為0.5A。先將電位器滑動端移到中間，然后單擊“運(yùn)行”按鈕。慢慢左移電位器滑動端，同時觀察干路電流變化，當(dāng)超過0.5A時，保險絲熔斷，燈泡和發(fā)光二極管熄滅。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

ISIS還可以直觀顯示電路中電流的實(shí)時流動方向和各部分電路電壓的相對大小。停止運(yùn)行，單擊“System”→“SetAnimationOptions”菜單命令，在彈出窗口中將“ShowWireVoltagebyColor？”和“ShowWireCurrentwithArrows？”后面的“√”點(diǎn)上，再運(yùn)行，即可看到動態(tài)效果。另外，單擊“Template”→“SetDesignDefaults”菜單命令，將“Showhiddentext？”后面的“√”去掉，從而將每個元器件的text屬性隱藏，讓電路更整潔。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

下面再介紹一個稍微復(fù)雜一點(diǎn)的模擬仿真電路：非線性蔡氏混沌電路。典型的蔡氏電路如圖1.5所示，它由3個部分構(gòu)成：LC2振蕩電路，RC1移相電路和NR非線性負(fù)阻電路。根據(jù)歐姆定律，可以得到蔡氏電路工作時的狀態(tài)方程為：上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

式中，UC1為C1（或負(fù)阻NR）兩端的電壓；UC2

為C2（或L）兩端的電壓；

i

L

為通過L的電流；G為可調(diào)電阻R的電導(dǎo)；g為非線性負(fù)阻NR的電導(dǎo)。實(shí)驗電路中L、C1、C2、R均為線性器件，只有NR為非線性負(fù)阻器件，NR也是產(chǎn)生混沌現(xiàn)象的關(guān)鍵器件。阻值為負(fù)的電阻元件并不存在，所謂負(fù)阻，是指元件兩端動態(tài)的電壓和電流比值為負(fù)值。NR的實(shí)現(xiàn)可以有多種途徑，常用且比較簡單的方法是：使用兩個運(yùn)算放大器和6個電阻來構(gòu)成一個非線性負(fù)阻電路，其電路如圖1.6所示。其中每個運(yùn)算放大器和3個電阻各構(gòu)成一個負(fù)阻電路，兩個負(fù)阻電路并聯(lián)構(gòu)成了非線性負(fù)阻電路。根據(jù)運(yùn)算放大器的線性工作原理，按圖1.6中各電阻的取值，可以推出從運(yùn)算放大器正輸入端看進(jìn)去對地的電阻值。再考慮到運(yùn)算放大器輸出的飽和情況，可以得到每個負(fù)阻電路和并聯(lián)后非線性負(fù)阻電路的U-

I特性曲線，如圖1.7所示，圖中橫軸電壓U和縱軸電流I、I1

和I2

如圖1.6所示。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

從圖1.7中可以看出，兩個運(yùn)算放大器構(gòu)成的負(fù)阻電路的U-

I特性曲線都分為三段，中間段為線性負(fù)阻特性，而左右兩段為線性正常電阻特性。由于電阻阻值的選擇，I1的負(fù)阻區(qū)域約為±2V，而I2的負(fù)阻區(qū)域約為±11V。要注意的是I1和I2的負(fù)阻特性都是線性的，但是二者并聯(lián)之后負(fù)阻變成了分段線性，總體非線性。I總體分為5段，兩端由于運(yùn)算放大器輸出飽和形成了兩段正常電阻特性區(qū)間，中間是分段線性、總體非線性的三段負(fù)阻區(qū)間，并且負(fù)阻區(qū)間的大小和I2相同。這總體非線性的負(fù)阻正是產(chǎn)生混沌現(xiàn)象的重要因素。此外，我們知道，LC并聯(lián)電路可以和負(fù)阻構(gòu)成負(fù)阻振蕩器。一般來說，正常的電阻消耗能量，而負(fù)阻則可以看作是向外提供能量，用來維持LC振蕩所消耗的能量。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

本實(shí)驗的完整仿真電路如圖1.8所示。它所用到的元件清單如下：電位器：Resistors—Variable—POT_HG-ACTIVE，總阻值按圖中修改；電阻：Resistors—Generic—RES—DEVICE，阻值按圖中修改；電容：Capacitors—Generic—CAP—DEVICE，電容值按圖中修改；電感：Inductors—Generic—INDUCTOR—DEVICE，電感值按圖中修改；運(yùn)算放大器：OprationalAmplifiers—Dual—TL082—OPAMP。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

我們研究某一個物理量的時候，可以觀察它隨時間變化的關(guān)系（時域），也可以分析它的頻率成分（頻域），還可以分析它和另一個量之間相位的變化關(guān)系（相圖）。將電路中O1和O2

輸出送給示波器，并使示波器工作于X-

Y模式，觀察這兩路電壓信號之間的相位關(guān)系。仿真時，要將圖中兩個運(yùn)算放大器電源引腳（8和4）加上±15V電源。將電位器R的阻值調(diào)到最大值，慢慢連續(xù)減小R的阻值，示波器屏幕上將依次出現(xiàn)如圖1.9所示的從左到右的相圖，請自行分析這些相圖所反映的物理規(guī)律。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

另外，請自行完成下面兩個內(nèi)容：用“GraphMode”按鈕中的“DCSWEEP”功能得到圖1.7所示非線性負(fù)阻U-I特性曲線。用示波器觀察圖1.8中O1和O2

兩路電壓信號隨R變化的時域圖。ISIS的其他元器件及其功能，我們將在單片機(jī)的仿真電路中繼續(xù)學(xué)習(xí)。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

“DCSWEEP”提示：ISIS的“GraphMode”按鈕中提供了很多的圖表曲線功能，可以幫助分析電路中某些物理量隨參數(shù)變化的關(guān)系。其中的“DCSWEEP”就特別適合分析圖1.6的負(fù)阻電路，要用其得到圖1.7所示的輸入電壓U和電流I、I1、I2

的關(guān)系曲線，需要如下操作：（1）首先在“GraphMode”按鈕中選中“DCSWEEP”項，然后在編輯窗口中拖拽出適當(dāng)大小的DCSWEEP圖表。DCSWEEP圖表的作用是讓電路中的某個自變量和X軸相關(guān)聯(lián)，讓一個或多個因變量和Y軸相關(guān)聯(lián)，然后讓X軸自變量在一定范圍內(nèi)單調(diào)變化，從而得到自變量和因變量之間的關(guān)系曲線。上一頁下一頁返回1.2兩個簡單的仿真電路實(shí)例

（2）在“GeneratorMode”按鈕中選中“DC”項，在圖1.6中電壓U的上輸入端點(diǎn)處添加一個直流電壓激勵源。雙擊添加的直流電壓激勵源，彈出屬性窗口，選中下面的“ManualEdits”選項，然后右邊會出現(xiàn)“Properties”輸入框，