Proteus仿真软件应用，助力单片机原理与C语言应用

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和 DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和 MATLAB等多种编译器。

2.3.1 Proteus简介

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具。它不仅具有其他EDA工具的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具，目前已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus可以用于模拟电路与数字电路的教学实验、单片机与嵌入式系统的教学实验、微控制器系统的综合实验、创新实验与毕业设计等。

在Proteus家族里，Proteus8.0是目前较新的版本，如果计算机上正确安装了Proteus软件，在桌面上会出现其快捷图标，双击它就可以启动Proteus8.0。启动后的界面如图2-29所示。

在图2-29所示的界面上单击“IsIs”图标，启动Proteus电路原理图设计，弹出的界面如图2-30所示。

图2-29 Proteus 8.0

图2-30 Proteus电路原理图设计

2.3.2 Proteus8.0的使用过程

打开Proteus 8 Professional软件，首先需要新建一个工程，由于本书是与PCB绘制教程相关联的，所以此时的工程是一个带有原理图、PCB和源代码编译部分的工程。

点击“File”，选择“New Project”，将出现新建工程向导部分，如图2-31所示。在此可以设置文件名（Name）和保存路径（Path），点击“Next”，在下一页的顶部选项卡中，选择“从选中的模板中创建原理图”（Create a Schematic from the selected template），在此可选择默认（DFAULT）。如果不需要绘制原理图，可直接选择“Do not create a schematic”，如图2-32所示。

图2-31 新建工程向导（一）

图2-32 新建工程向导（二）

继续点击“Next”，选择“从选择的模板中创建PCB设计”（Create a PCB layout from the selected template），在此可继续选择默认（DFAULT）。如果不需要进行PCB设计，可直接选择“Do not create a PCB layout”，如图2-33所示。

图2-33 新建工程向导（三）

由于本书需要仿真，所以继续点击“Next”，在仿真页面选择“Create Firmware Project”，并设置Family（系列）为8051，Contoller（控制器）为AT89C52，Compiler（编译器）为Keil for 8051，即在此设计外部代码编译器。如果不需要进行仿真，则可直接选择“No Firmware Project”即可，如图2-34所示。

图2-34 新建工程向导（四）

点击“Next”，出现Summary信息（见图2-35），点击“Finish”，新工程便创建完毕。此时的新工程包含原理图设计部分（见图2-36）、PCB 绘制部分（见图2-37）和源代码部分（见图2-38）。

图2-35 新建工程向导（五）

图2-36 原理图设计部分

图2-37 PCB绘制部分

2.3.3 在Proteus 中进行C语言代码的调试

Proteus8.0版本自身支持汇编语言、Keil for 51等，本书主要以Keil for 51为主，故先以Keil for 51语言为例。

Proteus8.0或以上版本自带源代码编辑、编译器，所以不再需要外部文本编辑器，具体操作界面如图2-38所示，在指定位置（Write your code here）进行编码。

图2-38 源代码部分

此时，编译器、原理图、源代码都已准备好，点击“Build”，选择“Build”下的“Build Project”或者“Rebuild Project”编译固件。

如果代码错误，系统会自动提示哪行代码出现错误，这和Keil软件是一样的。

同时，Proteus 8.0或以上版本支持C51语言的编译和调试，这需要计算机本身已经安装Keil或者IAR 等可以编译C51语言的软件。Proteus 自带汇编语言的编译器，如果想编译C51，则需要找到计算机中安装的编译环境，也可以到网上下载。

点击“Config”，在下拉菜单中选择“Compilers Configuration”，自动弹出如图2-39所示的界面。

图2-39 编译器配置

该对话框列出了所有支持的编译器，并指示是否被安装和配置。按下对话框底部的检查全部按钮（Check all），Proteus 将扫描计算机，检查安装好的编译器。如果找到Proteus支持的编译器，Proteus 将自动进行配置并在Proteus 中调用这些编译器编译源代码。其余的编译器，Proteus自动给出下载（Download）或者下载链接（Goto Website），读者可根据自身要求选择下载。值得注意的是，其中有些编译器的下载是需要收费的。

编译成功后，如果想观察代码的单步运行，则需要进行如下操作：

首先要确定Proteus 没有运行仿真，处于停止状态。然后通过“仿真控制面板”（见图2-40）暂停按钮启动仿真或暂停。

图2-40 仿真控制面板

2.3.4 Proteus8.0与Keil连接调试

Keil 是德国Keil 公司（现已被ARM公司收购）开发的 8051单片机软件开发平台，经过不断升级，现已经成为一个重要的单片机开发平台。Keil界面不复杂，操作也不困难，很多优秀程序都是在Keil的平台上编写出来的。Keil是一个重要的单片机语言开发软件平台，用户群极为庞大。

（1）Keil的uVision4可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，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真；还可以使用uVision4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。

（2）uVision4调试器具备所有常规源代码级调试、符号调试特性及历史跟踪、代码覆盖、复杂断点等功能。Keil uVision4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。

在Proteus下完成原理图设计文件后，再在keil uVision4下编写C51程序，经过调试、编译最终生成.hex文件后，在Proteus下把.hex 文件载入虚拟单片机中，然后进行系统联调。如果要修改程序，需再回到keil uVision4界面下修改，再经过调试、编译，重新生成.hex文件，重复上述过程，直至系统正常运行为止。但是对于较为复杂的程序，如果没有达到预期效果，这时可能需要Proteus与Keil uVision4进行联合调试，联合调试的设置过程相对简单，读者可参考相关资料自行设置。

用Proteus软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力。在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，使用Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统的设计效率。

2.3.5 简单实例掌握Proteus ISIS的用法

Proteus 8.0版本在新建项目时，默认是打开“原理图设计ISIS”“PCB布板ARES”和“源程序设计”的。对初学者来说，开始只学习“原理图设计ISIS”，在后期才学习“PCB布板ARES”，所以下面以完成任务2.1为例来学习Proteus ISIS的用法。

Proteus是一种集单片机仿真和SPICE分析于一身的仿真软件。其功能非常强大，不仅能仿真模拟电路、数字电路及模拟数字混合电路，更重要的是可以仿真51系列、AVR、PIC等常用主流单片机。

Protues提供了丰富的资源：

（1）Proteus拥有的元器件资源：Proteus可提供30多种元件库，超过8000种模拟、数字元器件。

（2）Proteus可提供的仿真仪表资源 ：仿真仪器仪表的数量、类型和质量是衡量仿真实验室是否合格的一个关键因素。Proteus可提供常用的示波器（本文的实例中示波器被用来观察产生的波形）、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。

以下简要介绍Proteus中常用元器件和仿真仪表中英文对照表，见表2-1，使用时可通过查表快速输入元器件关键字来找到所需器件。

表2-1 proteus中常用元器件和仿真仪表中英文对照表

续表

（1）启动Proteus 8.0主页面，如图2-41所示。

图2-41 Proteus 8.0主页面(www.chuimin.cn)

（2）点击图2-41中的“ISIS”按钮，启动原理图绘制模式，如图2-42所示。

图2-42中，区域①为菜单栏，区域②为工具栏，区域③为对象选择器窗口和元器件预览区，区域④为编辑窗口，区域⑤为绘图工具栏，区域⑥为仿真运行工具条。

图2-42 Proteus原理图绘制主界面

（3）在图2-42 Proteus原理图绘制主界面中单击“保存（S）”按钮，弹出图2-43所示的“保存Proteus工程”对话框，在文件名称框内输入“2位信号灯交替闪烁控制电路原理图”，再单击保存，Proteus 8.0 ISIS的后缀名为.pdsprj。

图2-43 保存ISIS工程文件

（4）选取元器件。此简单实例需要下列元器件：

单片机：AT89C51。

发光二极管：LED-RED。

瓷片电容：CAP*。

电阻：RES*。

晶振：CRYSTAL。

按钮：BUTTON。

单击图2-42中的“P”按钮，弹出如图2-44所示的选取元器件对话框，在此对话框左上角“keywords（关键词）”一栏中输入元器件名称，如“AT89C51”，系统在对象库中进行搜索查找，并将与关键词匹配的元器件显示在“结果（Results）”中。在“结果（Results）”栏中的列表项中，双击“AT89C51”，则可将“AT89C51”添加至对象选择器窗口。按照此方法完成其他元器件的选取，如果忘记关键词的完整写法，可以用“*”代替，如“CRY*”可以找到晶振。被选取的元器件都加入ISIS对象选择器中，如图2-45所示。对一些常用器件，如果忘记关键词，还可以对照表2-1进行查阅。

图2-44 选取元器件

图2-45 选取的元器件均加入ISIS对象选择器中

（5）放置元器件至图形编辑窗口。

在对象选择器窗口中，选中“AT89C51”，将鼠标置于图形编辑窗口该对象欲放置的位置，单击鼠标左键，该对象被完成放置。同理，将BUTTON、RES等放置到图形编辑窗口中，如图2-46所示。

若元器件方向需要调整，先在ISIS对象选择器窗口中单击选中该元器件，再单击工具栏上相应的转向按钮，把元器件旋转到合适的方向后再将其放置于图形编辑窗口。

若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，此时我们已经注意到，该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。

通过一系列的移动、旋转、放置等操作，将元器件放在ISIS编辑窗口中合适的位置，如图2-46所示。

图2-46 各元器件放在ISIS编辑窗口中合适的位置

（6）放置终端（电源、地）。

放置电源操作：单击工具栏中的终端按钮，在对象选择器窗口中选择“POWER”，再在编辑区中要放电源的位置单击完成。放置地（GROUND）的操作与此类似，如图2-47所示。

图2-47 放置终端符号

（7）元器件之间的连线。

Proteus的智能化可以在想要画线的时候进行自动检测。下面，我们来操作将电阻R1的右端连接到LED1显示器的左端，如图2-48所示。当鼠标的指针靠近R1右端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个符号，表明找到了R1的连接点，单击鼠标左键，移动鼠标（不用拖动鼠标），将鼠标的指针靠近LED1的左端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个符号，表明找到了LED1显示器的连接点，单击鼠标左键完成电阻R1和LED1的连线。

图2-48 元器件之间连线

Proteus具有线路自动路径功能（WAR），当选中两个连接点后，WAR将选择一个合适的路径连线。WAR可通过使用标准工具栏里的“WAR”命令按钮来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。

同理，我们可以完成其他连线。在此过程的任何时刻，都可以按Esc键或者单击鼠标的右键来放弃画线。

（8）修改、设置元器件的属性。

Proteus库中的元器件都有相应的属性，要设置修改元器件的属性，只需要双击ISIS编辑区中的该元器件。例如，发光二极管的限流电阻R1，双击它将弹出如图2-49所示的属性窗口，在窗口中已经将电阻的阻值修改为330 Ω。图2-50是编辑完成的“简单实例”的电路。

图2-49 设置限流电阻为330Ω

图2-50 完成的实例电路图

（9）源程序设计与生成目标代码。

在Keil uVision中，我们已经学习了如何建立一个工程，并生成了.HEX文件，这个文件就是单片机仿真和实际下载所需要的文件。在这个案例中，要实现两个LED灯的闪烁控制，要在一个LED灯控制基础上进行修改，这样可以不断复习旧知识，学习新知识，在现有认知的基础上学习比从陌生基础上学习要容易得多。

另外，编写程序要从学习画程序流程图开始，从简单程序流程图开始画起，画得多了，慢慢就会编程了。

① 程序流程图（见图2-51）。

图2-51 2位LED灯闪烁控制流程图

② 源程序设计。

建立“flash2led.uvproj”项目，选择单片机型号，输入源程序（见任务 2.1），编译调试，生成.HEX文件，最终调试结果如图2-52所示。

图2-52 2位LED灯闪烁控制程序调试结果

（10）Proteus仿真。

① 加载目标代码文件。

在Proteus ISIS编辑窗口中，双击编辑窗口的“AT89C52”器件，在弹出的如图2-53所示的属性编辑对话框Program File一栏中单击打开按钮，出现文件浏览对话框，找到flash2 led.hex文件，单击“打开”按钮，完成添加文件。在“Clock frequency”栏中把频率设置为12 MHz，仿真系统则以12 MHz的时钟频率运行。因为单片机运行的时钟频率以属性设置中的“Clock frequency”为准，所以在编辑区设计MCS-51系列单片机系统电路时，可以略去单片机振荡电路，并且复位电路也可以略去。因此，后续项目开始就将振荡电路和复位电路省略。

图2-53 加载目标代码文件

② 仿真。

单击按钮，启动仿真，仿真运行片段如图2-54所示。发光二极管间隔500 ms闪烁。

图2-54 仿真运行片段

查看彩图：仿真运行片段

图中红色方块代表低电平，蓝色方块代表高电平，灰色方块代表不确定电平。