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Proteus在微控制器综合设计项目中的应用
广州大学实验中心；中国广州
wufengjie501@163.com, 385357885@qq.com
摘要：本文中介绍了Proteus软件的仿真方法，并提出了基于Proteus的虚拟系统设计。 结合最小单片机系统的实例，我们描述了Proteus在实验教学中的具体应用方法。 最后，我们实现了微控制器综合设计项目的软并行硬件协同开发，可以有效节省硬件资源，提高开发效率。它在单片机实验教学中具有十分重要的意义。
关键词：Proteus，虚拟仿真，微控制器，实验教学。
1.介绍
在传统的实验教学中，微控制器综合设计项目中的系统设计模型是：原理图设计 - 物理电路焊接 - 硬件调试和修改。 由于学生的能力和知识限制，一系列硬件问题（例如短路和开路），垫片，安装错误或其他部件的损坏，通常会由于重复修改硬件电路而出现。 因此，它们影响系统的稳定性和可靠性。 显然难以达到预期的教学效果。
使用Proteus软件在模拟和分析中的强大功能来模拟微控制器及其外围设备。 在计算机上设计，调试和修改微控制器系统的硬件和软件。 在成功的电路仿真之后画出物理电路。 [1]它形成一个新的系统设计模型是：原理图设计 - 模拟电路设计和修改 - 物理生产和测试。该模型使设计早期暴露出缺陷，缩短了设计周期并降低了实验成本。同时也最大限度地提高学生的学习主动性和创新。发展创新型实用型人才，改革传统教学模式，提高实验教学质量具有重要意义。
2.关于Proteus仿真软件
Proteus是由英国实验室中心公司推出的电路分析和物理仿真软件，运行在Windows平台上，主要由ISIS和ARES组成。Isis的主要功能是原理图设计和仿真，而ARES主要用于印刷电路板设计。 [2]其主要特点如下。
2.1 友好的用户界面
Proteus主界面包含系统菜单命令栏，库资源，零件列表栏，绘图工作区等。其操作命令的使用与Windows的其他软件相同。部件和测试仪器的仿真与物理外观非常接近，操作也大致相同。 用户界面友好且直观易学。
2.2 丰富的实验资源
Proteus组件库包含大量组件，并且它们存储在库中的36个不同类别中。它包括基本组件，半导体，微控制器组件，COMS和TTL组件，PLD和FPGA组件，调试工具，存储设备，集成运算放大器，ADC和DAC器件等。用户可以通过产品线供应商扩展现有组件库并且可以根据设计需要修改或创建库。Proteus可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。Proteus可提供的仿真仪表资源 ：示波器、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。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。
除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，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，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
Proteus可提供的调试手段 Proteus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。
2.3强大的虚拟仪器
Proteus提供了模型中常用的12种调试和测试仪器，如示波器，逻辑分析仪，频率计，SPI和I2C调试器，发生器，交流和直流电压以及电流表等。这些虚拟仪器不仅与在外观上物理，但在使用上也几乎相同。 它们很容易用于虚拟测试和虚拟系统调试。
2.4独特的仿真方法
除了原理图布局，PCB布局，电路仿真和其他功能外，Proteus的最大特点是能够模拟单片机及其外围器件[3]，并可直接在MCU上编程进行电路仿真或引入第三方应用开发人员和调试环境来调试虚拟电路的硬件和软件。Proteus还具有交互式电路仿真功能，并可通过动态模型和外设软件的虚拟仪器的组合实时控制输入和输出状态。
3. 基于Proteus的系统设计方法
Proteus虚拟应用开发技术为微控制器综合设计项目包括五个步骤：开发系统解决方案，Proteus电路设计，虚拟系统仿真，物理生产和测试。开发系统解决方案：学生根据项目设计任务说明书的摘要收集，整理和总结项目信息。根据设计的初步设计要求，包括微控制器的型号，软件开发平台，编程语言的选择以及总制定的硬件和软件流程图的总体框图等，初步设计整个系统的开发。该计划并转交给教师审查。
Proteus电路设计：包括仿真电路设计和软件编程。一方面，采用模块化设计方法设计虚拟仿真电路，一般包括微控制器核心模块，基本输入输出模块，各功能子模块等。用Proteus设计并绘制硬件原理图， 时间，检测子模块电路的准确度。 另一方面，根据各个模块的功能设计软件程序，制作系统主程序和模块子程序流程图。 在Proteus编程环境或第三方应用程序开发工具（如Keil，BASCOM-AVR等）中编程和调试源代码。
虚拟系统仿真：在建立系统的硬件模型和软件模型后，各个功能模块分别与MCU的核心模块进行软硬件协同仿真。 它通过加载*来实现。 十六进制文件到MCU在成功模拟子模块后，集成到一个完整的微控制器系统中。 使用LED，LCD或其他基本输出设备显示模拟结果，并使用Proteus中配置的虚拟仪器（如示波器，I2C调试器，电压表等）测量电路组件的输入和输出状态，或信号电路节点的变化。
物理生产和测试：根据Proteus仿真电路图或者使用ISIS和ARES的网络关系在ARES中自动生成PCB，通过焊接硬件电路生产PCB并安装相关组件。 记录硬件电路的输出，使用物理测量和仪器测试Proteus对应的节点和组件，然后将物理测试与仿真结果进行比较，如果有偏差，首先考察物理电路， 如线路是否正确，组件是否损坏或参数是否正确等，然后检查Proteus电路仿真的正确性和可行性。
4. Proteus仿真电路设计实例
以最小的微控制器系统为例，用Proteus来描述微控制器综合设计项目的设计过程。
4.1 硬件设计
最小的单片机系统是单片机课程中首选的综合设计项目，包括MCU和基本输入输出设备，并且可能还有其他外设。 例如，本文描述的最小的微控制器系统包括微控制器，键盘，LCD，I2C总线设备和数据采集设备等，主要通过键盘控制微控制器完成数据采集，显示和存储。 该系统的框图如图所示：
图-1 最小的微控制器系统框图
根据图1，使用Proteus通过以下五个步骤来设计每个功能模块的电路图。第一，点击按钮进入Proteus的主界面和新设计，设置设计的基本属性并保存为*DSN文件。第二，单击按钮进入组件搜索窗口以查找设计的所有设备，并添加到组件列表列。 第三，将功能模块所需的各种部件添加到绘图区域，合理分配并设置参数。 第四，点击按钮进行连接，当鼠标指针接近引脚显示#39;times;#39;时，左键单击绘制线条，但单击鼠标右键取消操作。 最后，检查每个功能模块的电路的正确性。
基于上述步骤，Proteus的仿真电路图如图2所示：
图-2 最小的微控制器系统的Proteus仿真电路
4.2 软件设计
hex文件可以由Proteus自己的编程环境或第三方应用程序开发和调试环境生成。 例如，我们经常使用Keil，BASCOM-AVR或其他软件来编写和编译源代码。 理论上讲，任何可以在Proteus中生成* .hex文件的编程环境都可以用来完成软件设计工作，但只能用于与Proteus支持的MCU相对应的编程环境。
使用流行的AVR单片机编译环境---- BASCOM-AVR来编程源代码，其过程可分为三个步骤。首先，运行BASCOM-AVR，创建一个新的程序文件并保存为*。 BAS文件。 然后，设置选项相关属性，在输出HEX文件中选择属性列。 最后，输入源代码并保存，编译，调试程序并生成* .hex文件。
5. 实验结果的调试与仿真分析
当在Proteus中联合调试虚拟系统硬件和软件时，我们经常需要使用一些常见的虚拟仪器。例如，使用I2C调试器来调试I2C总线的过程并实时监控其数据变化，[4]并使用电压探头测量实时ADC输入电压。
如图3所示，U5是I2C调试器。 使用时，将其引脚SLC，SDA连接到I2C总线的同名端口。W1（3）和W2（3）是电压探头。在测量之前，电压探头应放置在电压输出电路导线中。以微控制器控制ADC0为例，介绍最小的微控制器系统工作原理。 调整电位器W1，读取电压探针W1（3）的当前电压值。 然后通过按键K1控制微控制器的ADC0采样，使用I2C器件U1保存ADC0转换，并通过LCD屏幕U4输出该值。 在Proteus中运行程序，片刻A / D采样结果如图3所示，同时，I2C调试器显示如图4所示的通信信息。
图-3 最小的微控制器系统的仿真和调试电路
图-4 I2Cdebugger的调试结果
根据单片机的测量要求，一般需要按比例转换测量结果。 在A / D采样之后，通常需要将该值转换为电压值。由于AVR ATmega8内置了一个10位A / D转换器，然后通过公式（1）计算模拟输入信号的电压。[5]
公式 4-1
其中，是模拟输入信号电压，是ADC转换的参考电压，X是ADC转换值。
调整电位器W1，分别记录ADC结果。 根据公式（1）计算模拟输入信号的电压值，并使用电压探头W1（3）实时测量相应模拟输入信号的电压值，其中三种关系如表1所示。
表 1 表中列出了最小的微控制器系统仿真结果
从表1可以证实，AVR ATmega8具有高精度内置ADC，其绝对精度为LSB 2plusmn;，非线性度为LSB 5.0。 将仿真结果与理论分析相比较，它们之间的一致性证明了在微控制器综合设计项目中使用Proteus的正确性和可行性。
6. 结论
利用EDA工具Proteus进行微控制器综合设计项目的实验教学改变了传统的设计实验教学，它依赖于电子元器件和仪器设备等物质手段，它可以有效缩短测试周期，减少硬件 投资，减少损失，并接近实际设计。 所以Proteus是微控制器技术的重要学习和开发工具。 实践表明，将虚拟开发技术引入微控制器课程将有助于学生调动自主学习和主动的积极性，显着提高电路设计和系统开发能力，培养他们的创新意识和严谨科研精神。
参考文献：
[1] Wang，H.-C.，Zhang，J.-J .:基于Proteus的微控制器多通道温度采集系统仿真设计。 陕西科技大学学报（2007）
[2] 彭，W：微控制器C语言程序设计培训100例 - 基于AVR Proteus的仿真，第35-44页。 北京航空航天大学出版社（2010）
[3] 李丽：基于Proteus的数据采集系统仿真设计。 电力电子技术（6），226-227（2009）
[4] Liu，X.-Y .: I2C调试器在MCU设计考试中的应用。 赣南师范学院学报
基于单片机的智能温控系统设计
Jun Li 1，Xian-Lin Meng2，Wen-Long Song 1
摘要：提出了一种基于单片机的智能温控系统的设计方法。智能温度控制系统分为四部分：监视器，加热器，受控过程和反馈回路。其中，温度检测电路通过传感器检测设计成具有水的电导率。光耦合器MOC3041用于实现功率控制电路，其控制对象为具有220V交流电的1kW电加热器;键盘和显示电路SMC1602A包括四个按键和液晶显示屏，实现人机交互;基于单片机系统STC89C52，传感器信号和键盘设定的目标温度与电源自动比较，以完成水温控制。通过静态和动态数据测试，结果表明该方法为实现温度的实时采集和控制提供了有效途径。
关键词：单片机，温度传感器，
1.介绍
温度代表了冷热物体的物理量，也是我们生产和生活中最基本的物理量。温度测量涉及工业和农业生产的各个领域。温度控制对于确保工业生产的有效性至关重要。温度控制系统也是真空冶炼过程的重要组成部分。因此，温度控制系统被广泛应用，如工业化培养，绿色粮仓，熏蒸治疗，空调系统等。如何通过实时监测数据来选择近似最优的控制策略成为节能操作的关键因素。
温度控制系统采用了各种策略。模糊自调节比例积分 - 微分（PID）算法易于实现并且有效，已被广泛应用于温度控制系统。提出了一种用于重置冷凝水的最佳接近温度（OAT）控制策略。
温度每小时，以最大限度地提高组合式冷水机组和冷却塔系统的性能。 Zhen提出了一种典型的多变量，大时滞和非线性系统，自建提取规则模糊控制（SERFC）方法，以保证建筑环境中的供暖系统和热水系统温度的稳定。基于改进的输出反馈（Elif）神经网络和预测原理，设计了一种自适应PID解耦控制器，实现双层气流场动态真空（DAFDV）上下游温度的快速，精确耦合系统。
本研究的
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