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作者：张齐,朱宁西

出版社：电子工业出版社

出版时间：2013-09-01

书籍编号：30467523

ISBN：9787121212727

正文语种：中文

字数：76753

版次：3

所属分类：教材教辅-大学

版权信息

书名：单片机应用系统设计技术：基于C51的Proteus仿真（第3版）实验、题库、题解

作者：张齐　朱宁西

ISBN：9787121212727

版权所有 · 侵权必究

前言

基于实验教学箱（板）的实验手段明显存在硬件电路固定、实验内容固定、学生不能随意更改、与工程实际应用脱节、硬件设备昂贵和设备维护工作量大等缺陷。这种基于实验教学箱（板）的验证性实验的做法，学生难以得到足够的实践动手机会，实际教学效果并不理想，对于提高学生动手能力的作用微乎其微。

Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机以及外围电路组成的系统的仿真、RS-232动态仿真、I²C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；提供了多种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等，便于调试；支持主流单片机系统的仿真。

“工欲善其事，必先利其器”。建立基于Proteus单片机系统硬件电路设计、Keil C51软件设计以及两者联合调试的全虚拟环境，将单片机数字实验室装入PC中，提高实验教学运行质量，进一步加强综合性、设计性实验内涵建设，加强读者综合运用知识和实践能力的培养，是编者此次撰写单片机教辅书的主要目标。

本书共包括3部分内容，分上中下3篇。

上篇介绍单片机系统开发的软件工具，讲述如何使用Proteus ISIS仿真工具设计单片机系统仿真电路，以及使用Proteus ISIS和Keil C51的编程开发工具μVision3 IDE实现两者联合调试的方法。在介绍Proteus ISIS工作界面的基础上，通过4个实例让读者进一步体会Proteus ISIS的使用方法，并建立硬件设计、软件设计以及调试的全虚拟环境，为中篇的实验指导与课程设计打下良好的基础。

中篇介绍实验指导与课程设计，共22章，第1章～第10章为单片机基础及内部资源实验；第11章～第20章为单片机系统扩展资源实验；第21章为RTX-51操作系统实验；第22章为单片机应用系统课程设计的内容和要求。为了减轻教师和学生的负担，提高教学效率，每章实验都附有至少其中一个实验任务且经过验证的C51语言参考程序。实验内容完整性、应用性、实用性、趣味性并存，编排上由浅及深，循序渐进，引领读者在轻松愉快的学习过程中逐步提高单片机软硬件综合设计能力和开发水平。任课教师可根据每个学生的实际情况，对实验内容和要求进行个性化的调整。课程设计是为了进一步巩固学习的理论知识，增强学生运用所学知识解决实际问题的能力而安排的一些综合训练项目。

教师可鼓励能力较强的学生在仿真实验调试成功后，使用Proteus 7 Professional中的ARES 7 Professional软件的布线功能，完成其PCB图设计。在经费许可的情况下，可以制作真实目标系统，完成最终调试。让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，有利于学生对工程实践过程的了解和学习。

下篇为题库与题解，包括判断题、单项选择题、多项选择题、综合题。其中，综合题为主教材《单片机应用系统设计技术——基于C51的Proteus仿真（第3版）》的课后习题参考答案。通过题库训练，学生可全面巩固单片机的理论基础知识。

本书由张齐、朱宁西编著，在成书过程中，岳亚涛、李蕾、武佳斌、何毅坤、张泽斌、胡恩慈、刘群、李攀登、曾令华、胡佳、张英彬、许志坚、王永光等参与了文字材料整理、仿真电路设计和程序调试等工作，限于幅面，封面上无法全部署名。

本书得以顺利出版与电子工业出版社的大力支持和帮助是分不开的，尤其是高教分社的王羽佳编辑，对本书的出版做了大量而细致的工作，在此致以诚挚的谢意。

本书结构清晰，语言通俗易懂，全部实验项目基于一个开放环境，而不局限于某一单片机实验教学箱（板）。本书可作为高等学校电气和电子信息类等专业单片机教学的实验指导书和学习辅导书，也可作为广大电子技术爱好者、在校电类工科大学生及单片机系统开发者的自学用书。

需要《单片机应用系统设计技术——基于C51的Proteus仿真（第3版）》教学资源的教师可登录华信教育资源网（http：//www.huaxin.edu.cn）注册后免费下载。

需要本书教学资源的教师可与电子工业出版社高教分社的王羽佳编辑联系（wyj＠phei.com.cn）。由于作者水平限制，书中误漏在所难免，殷切地期望读者给予批评指正。

作者

2013年05月

实验教学安排建议

上篇内容所介绍的工具软件是为中篇的实验指导与课程设计做知识准备的，应在所有实验开始之前的一周或假期安排学生自学。如果单片机教学课程未选用《单片机应用系统设计技术——基于C51的Proteus仿真（第3版）》作为主教材，除让学生自学外，还应适当安排2～4课时讲授工具软件的安装和设置，如何建立起硬件设计、软件设计以及调试的全虚拟环境。对于非电类和电路知识较薄弱的一些专业，还应组织学生学习Proteus ISIS中与单片机实验有关的元器件的功能和常用仪器仪表的使用方法。

中篇实验部分精选21个模块，其内容涵盖单片机基础、全部内部资源和常用的外部扩展资源，任课教师可根据本专业的特点进行合理的模块划分和选择调整。

所有的实验项目基于一个开放环境，克服了使用单片机实验教学箱（板）教学中硬件电路固定、实验内容固定、学生不能随意更改等方面的局限性，任课教师可根据每个学生的实际情况，对实验内容和要求进行个性化的调整。当仿真实验调试成功后，对于不是很复杂的实验电路，可以在面包板（蜂窝板）上搭电路以验证仿真电路的正确性。如果实验室没有编程器，建议CPU选择AT89S52，可通过串行口把程序代码HEX文件下载到CPU的程序存储器中。

对于课程设计，在Proteus ISIS中完成仿真后，在经费许可的情况下，使用Proteus 7 Professional中的ARES软件的布线功能完成PCB图设计，然后制板、焊接元器件，最终制造出真正的单片机应用系统。让学生了解将仿真软件和具体的工程实践如何结合起来，有利于学生对工程实践过程的了解和学习。

上篇 单片机系统仿真工具——Proteus

基于Proteus电路设计、Keil C51程序设计以及两者联合仿真调试的方法，建立起单片机系统硬件设计、软件设计以及调试的全虚拟环境，使得全部的设计工作在PC上就能完成，可以显著提高单片机应用系统的设计开发效率，降低开发风险，这对嵌入式方案设计无疑是一个很好的思路。

本篇以Proteus 7 Professional（7.4版）为背景讲述如何使用Proteus仿真工具ISIS设计单片机系统的仿真电路，以及使用Proteus ISIS和Keil C51的编程开发工具μVision3 IDE实现两者联合调试的方法。有关Keil C51的编程开发工具μVision3 IDE，在许多网站有非常详细的学习资料，请读者自行参考。

第I章 初步认识Proteus ISIS

传统的单片机系统开发除了需要购置诸如仿真器、编程器、示波器等价格不菲的电子设备外，开发过程也较烦琐。如图I.1所示，用户程序需要在硬件完成的情况下才能进行软硬件联合调试，如果在调试过程中发现硬件错误需修改硬件，则要重新设计硬件目标板的PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）并焊接元器件。因此无论从硬件成本还是从开发周期来看，其高风险、低效率的特性显而易见。

来自英国Labcenter公司的Proteus软件很好地诠释了利用现代EDA工具方便快捷开发单片机系统的优势。Proteus软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真，用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS-232 终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。Proteus套件目前在单片机的教学过程中，逐渐受到重视，并被提倡应用于单片机数字实验室的构建之中。Proteus支持的微处理芯片（Microprocessors Ics）包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列、ARM7/LPC2000系列以及Z80等，集编辑、编译、仿真调试于一体。它的界面简单友好，可利用该软件提供的数千种数字/模拟仿真元器件以及丰富的仿真设备，使得在程序调试、系统仿真时不仅能观察到程序执行过程中单片机寄存器和存储器等内容的变化，还可从工程的角度直观地看到外围电路工作情况，非常接近工程应用。另外，Proteus ISIS还能与第三方集成开发环境（如Keil C51的μVision3）进行联合仿真调试，给予开发人员莫大便利。

如图I.2所示为基于Proteus ISIS仿真软件的单片机系统设计流程，它极大地简化了设计工作，并有效地降低了成本和风险，得到众多单片机工程师的青睐。

在PC上安装Proteus软件后，即可完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计，更为显著的特点是，可以与单片机的μVision3 IDE工具软件结合进行编程仿真调试。本章以Proteus 7 Professional为背景介绍Proteus ISIS在单片机系统设计中的应用。

Proteus 7 Professional软件主要包括ISIS和ARES，其中ISIS用于绘制原理图并可进行电路仿真（SPICE仿真），ARES用于PCB设计。本书只介绍前者。

图I.1 传统的单片机系统设计流程

图I.2 基于Proteus ISIS仿真软件的单片机系统设计流程

一、Proteus ISIS界面介绍

安装完Proteus 7 Professional后，选择“开始”→“程序”→“Proteus 7 Professional”→“ISIS 7 Professional”，就可以进入ISIS Professional的开发界面，如图I.3所示。

ISIS Professional分为3个窗口：导航窗口、元器件列表区和原理图编辑窗口。

导航窗口：也称预览窗口，可以显示全部的原理图。当从元器件列表区中选择一个新的元器件对象时，在导航窗口中可以预览选择的对象。

元器件列表区：画原理图时，显示所选择的全部元器件。

原理图编辑窗口：用于放置元器件，绘制原理图。

工具箱：工具箱提供不同的操作工具，实现多种功能。工具图标说明如下。

电路绘制模块：

图I.3 Proteus ISIS的开发界面

配件模块：

2D图形模块：

方向工具模块：

仿真工具栏：

仿真控制按钮，由左向右功能分别为：运行、单步运行、暂停、停止。

二、Proteus ISIS仿真资源

Proteus ISIS的资源用于虚拟仿真实验室。

元器件库资源包含30多个元器件库，数千种元器件，涉及数字和模拟、交流和直流等，具体见表I.1。

表I.1 主要元器件库资源

对于一个仿真软件或虚拟实验室，能够测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的关键因素。在Proteus软件包中，同类仪表使用数量无限制，其提供的仪表资源见表I.2。

除了表I.2所列的测试仪表外，Proteus还提供了图形显示功能，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。图形显示功能见表I.3。

表I.2 仪表资源

表I.3 图形显示功能

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，见表I.4。

表I.4 测试信号资源

三、元器件的选取

单击“选择元器件”按钮，打开“Pick Devices”对话框，如图I.4所示。

图I.4 选取元器件

Keywords：输入所用元器件的名称。

Category：元器件所属的大类。

Subcategory：元器件所属的子类。

Manufacturer：元器件的生产厂商。

Proteus的库文件是按类存放的，即类→子类（或生产厂商）→元器件，如果不知道元器件的关键字，先选取元器件的类，再选取元器件的子类或选取元器件的生产厂商，然后，在元器件列表区中将会显示符合条件的元器件列表，按照封装，选择合适的元器件。如果知道元器件的名称，则可以在“Keywords”框输入元器件的名称或名称的一部分。如果要求关键字全部匹配，可以选中“Match Whole Words”复选框。找到符合要求的元器件后，双击该元器件的名称，该元器件显示在元器件列表区中。当所用的元器件选取完成后，单击“OK”按钮，关闭对话框，结束元器件选择。

四、设置Proteus ISIS和μVision 3的联调

Proteus ISIS支持第三方集成开发环境，可以支持μVision 3的联调。具体来说就是在μVision 3下编写程序，然后编译将程序生成的HEX文件；Proteus ISIS的单片机电路可以通过加载HEX文件进行仿真。

1.需要安装的软件

① Proteus 7 Professional

② Keil μVision3 IDE

③ vdmagdi.exe

其中vdmagdi.exe是一个插件，可以实现Proteus与Keil μVision3 IDE的联调，这个插件可以从Labcenter公司网站下载。

2.Proteus的设置

打开Proteus 7 Professional的ISIS 7 Professional，创建一个原理图文件，从菜单栏中选择“Debug”，打开菜单，如图I.5所示，选择“Use Remote Debug Monitor”命令，意思是选择第三方调试工具，如Keil μVision3 IDE。

图I.5“Debug”菜单

3.μVision3 IDE的设置

在μVision3开发环境下，选择菜单命令“Project”→“Options for Target‘Target 1\'”，也可以单击工具栏中的按钮，打开μVision3 IDE的设置对话框，如图I.6所示。μVision3 IDE主要包含两个方面的设置。

图I.6 μVision3 IDE的设置对话框

（1）Debug设置

选择“Debug”选项卡，如图I.7所示，单击“Use”单选钮，显示黑点表示选中。然后在旁边的下拉列表中选择“Proteus VSM Monitor”项。接着单击“Settings”按钮，在打开的对话框中设置通信接口，在“Host”框中输入“127.0.0.1”（已默认添加）。如果调试的仿真电路是在另外一台计算机中，则需要在这里输入另一台计算机的IP地址（也应安装Proteus）。在“Port”框中输入“8000”。设置完成后，单击“OK”按钮即可。

（2）Output设置

选择“Output”选项卡，选中“Create HEX File”复选框，打钩表示选中，如图I.8所示，表示编译链接后产生烧录程序存储器的HEX文件。

图I.7 IDE中Debug的设置

图I.8 IDE中Output的设置

通过以上步骤，就完成了Proteus和μVision 3的联调设置。

通过第II章的4个实例将进一步学习Proteus的使用方法，以及Proteus和μVision 3之间是如何联调的。

第II章 Proteus ISIS入门实例

本章将通过4个实例，分别介绍Proteus ISIS中绘制基本电路的方法、总线和虚拟仪器的运用、如何绘制子电路、如何设计模块元器件。

关于Proteus ISIS仿真电路的说明如下。

① 目前在Proteus 7 Professional中所有的80C51系列单片机使用的都是同一仿真模型：MCS8051.DLL，故在设计仿真电路时，选择AT89C52、AT89C51、80C32或P87C51FA等80C51单片机器件没有任何区别，其片内程序存储器足可以装载任何小于64KB的程序代码。扩展片外的程序存储器也无任何意义，无论或悬空，均使用片内ROM。实际上，80C51单片机系统目前也很少使用片外程序存储器。

② 在Proteus 7 Professional中设计80C51单片机系统原理图时，可以省略复位电路和时钟电路，默认复位有效，时钟频率可以通过CPU器件在单片机的属性中进行设置。为节省版面，除实例1外后续的电路中将省略复位电路和时钟电路，不考虑接VCC。但在设计实际系统中，必须有复位电路和时钟电路，需要接VCC，使用片内存储器。

③ 单片机及外围电路的输入引脚悬空时，默认输入信号为低电平。

一、实例1：绘制基本电路的方法

本实例运用单片机AT89C52，通过按键控制点亮LED，实现流水灯（见图II.1）。具体过程为：设置一个触发按键，每按一次按键，灯就循序往下点亮，从而实现手控的流水灯的功能，所用的元器件清单见表II.1。

1.将所需的元器件添加到元器件列表

① 单击按钮，打开“Pick Devices”对话框。

图II.1 实例1原理图

表II.1 实例1原理图元器件清单

② 在“Keywords”框中输入“at89c52”，不区分大小写，如图II.2所示。在Results区中显示了两种类型的AT89C52，这个实例需要引脚型的，双击“AT89C52”项，将其添加至元器件列表区中。

图II.2 AT89C52的选取

③ 在“Keywords”框中输入res，选中“Match Whole Words”复选框，如图II.3所示。在“Results”区中获得与RES完全匹配的搜索结果。双击“RES”项，将“RES”（电阻）添加至元器件列表区中。依照表II.1的元器件清单，将所要用到的元器件添加到元器件列表区中，单击“OK”按钮，结束对象选择。

图II.3 电阻的选取

④ 单击元器件列表区中的元器件，它将会在导航窗口中显示出来，如图II.4所示。

图II.4 导航窗口显示所要用到的元器件

2.将元器件放置在原理图编辑窗口中

① 单击选取元器件

单击选取元器件列表区中的元器件放置在原理图编辑窗口中。若对象位置需要移动，将鼠标指针移到该对象上，单击，如果该对象的颜色变为红色，就表明该对象已被选中，按住左键拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开左键，完成移动操作。

② 修改元器件的属性

要改变元器件的参数，可以双击该元器件，或从右键快捷菜单中选择“Edit Properties”命令，打开元器件的编辑对话框。如图II.5所示，是电阻属性对话框，可以修改元器件的参考号，也可以修改元器件的值。

图II.5 元器件编辑对话框

③ 块操作

很多元器件的参数值相同（如本实例中的电阻、LED），可以选择要复制的元器件或电路模块，单击“块复制”按钮，在原理图中单击，就能快速进行粘贴，也可以进行块移动、块旋转、块删除，操作基本与块复制相似。

图II.6 右键快捷菜单

④ 添加电源和接地引脚

单击工具箱中的按钮，选择POWER和GROUND，为电路添加电源和地。

⑤ 旋转元器件

右击元器件，将会弹出快捷菜单，可以选择如何旋转元器件，如图II.6所示。也可以用快捷键：“+”、“-”，旋转元器件。在放置元器件之前，可以使用工具箱中的“旋转”按钮，在导航窗口中进行旋转。如果原理图中要旋转的元器件较多，使用工具箱中的“旋转”按钮可以减少很多劳动量。

⑥ 添加文字标注

单击工具箱中的按钮，在原理图编辑窗口中添加文字标注。

将所有的元器件按理想位置摆好，如图II.7所示。

图II.7 连线前的原理图

3.进行元器件的连线，完成原理图的绘制

① 在原理图绘制过程中，有时连线上会出现交叉点，若出现的是实心小黑圆点，则表明导线连通，否则表明导线无连通关系。要让两根交叉线接通，也可以通过工具箱中的“连接点”按钮进行连接。

② Proteus ISIS具有自动连线功能。只要选择一根连线的起始端点和末端点，它将会自动寻找合适路径进行连接。使用上方工具栏中的“自动连线”按钮，可以实现自动连线功能的开启和关闭。

③ Proteus ISIS具有自动布线功能，当要连接的多组元器件的位置平行时，只要连接一组元器件，然后双击元器件组的起始端点，它将会自动连接末端点。例如，连接了图II.7中的R1与D8之后，只要双击R2、R3等，就会自动连接D7、D6等。连接分支与总线时，用此方法会很方便。

④ 如果一根线连接错误，可以在连线上右击，在快捷菜单（如图II.8所示）中选择“Delete Wire”。也可以右键双击，取消此连线。当然，也可以选择该连线，按“Delete”键。

图II.8 删除错误连线

完成各个对象间的连线后，就完成了原理图的绘制。

4.参考程序

5.在μVision 3中运行该程序

在μVision 3中建立工程，并添加参考程序，然后进行相应的设置（见第I章中相关内容），编译链接。如果程序没有错误的话，结果如图II.9所示。

图II.9 μVision 3的编译链接结果

6.修改AT89C52属性，并加载程序文件

双击仿真电路中U1，弹出AT89C52的编辑对话框，如图II.10所示，可以选择HEX文件的路径和晶振频率。

图II.10 AT89C52的编辑对话框

7.调试运行

可采用下面两种方法之一调试程序。

① 直接在Proteus ISIS环境中单击“运行”按钮，可以看到元器件的两边会出现两个小点，表示元器件两边电平的变化，红色表示高电平，蓝色表示低电平，灰色表示未接入信号或者为高阻态。其运行状态的窗口如图II.11所示。由于AT89C52单片机的P1、P2、P3口在内部上拉，当软件没有控制其输出时，引脚显示红色表示为高电平，P0口为开路输出，故显示灰色表示高阻态。

图II.11 实例1仿真效果

② 直接在μVision 3 IDE中单击按钮，也可打开Proteus ISIS仿真电路，此时可使用μVision 3IDE的各种调试手段。其调试功能远比Proteus ISIS强大。

二、实例2：总线和虚拟仪器的使用

本例运用Proteus ISIS中脉冲发生器产生的1HZ方波，输入单片机AT89C52中，由AT89C52将脉冲发生器产生的方波的个数通过LED显示出来；同时，AT89C52将脉冲发生器产生的方波转化为0.5Hz的方波，0.5Hz方波的个数通过虚拟终端显示出来。本实例还用到示波器，将两种方波进行对比，如图II.12所示。所用的元器件清单见表II.2。

图II.12 实例2原理图

表II.2 实例2原理图元器件清单

1.将所需元器件添加在元器件列表中

将用到的元器件添加到元器件列表区中，注意：本实例用到的AT89C52是总线型的，所以这次选取元器件时选择AT89C52.BUS。

2.总线的画法

① 放置总线

从工具箱中选择“总线”按钮，在要画总线的一端单击，然后拖动鼠标，在总线需要拐点的地方右击，改变总线的走向，在总线的终点处双击，结束总线的放置，如图II.13所示。

② 放置总线分支

总线分支就是总线的各个引线，引线用于连接元器件的各个引脚。当连接各个元器件的引脚时，粗线会自动变成细线。

连接方法为：单击“自动布线器”按钮使之处于选中状态（为画斜线做准备），然后单击元器件的一个引脚，拖动鼠标，在距总线一个背景栅格时，按住“Ctrl”键的同时单击，在与原来方向垂直的方向上移动鼠标，移动一个背景栅格，可以将细线画成与总线成45°的斜线，单击，完成了一条总线分支的绘制。画其他分支时，因为路径相似，可以运用Proteus的自动布线功能，只要在每个引脚上双击，Proteus就会自动完成其余总线分支的绘制。绘制结果如图II.14所示。

图II.13 总线的放置

图II.14 总线分支的绘制结果

③ 添加总线终端

为了保证总线的电气导通，一般要添加一个总线终端，总线终端可以从终端模式中找到。进入终端模式，选择最后一项“BUS”，然后在原理图编辑窗口中画出一个总线终端，与总线相连。

双击总线终端，进入终端编辑对话框，如图II.15所示，在“String”框中填入P2[0..7]，中间的两点表示从0到7。总线终端的命名可以与单片机的总线名相同，也可以不同。

图II.15 终端编辑对话框

④ 添加网络标签

添加网络标签是为了实现总线分支的电气识别。从工具箱中找到网络标签的图标，把鼠标指针指向要放置标签的总线分支上，在鼠标指针处将会出现一个“×”号，单击，将会出现标签编辑对话框，如图II.16所示。在“String”下拉列表中可以看到P20、P21等标号，这是因为已经添加了总线终端。选择

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