Proteus環(huán)境下硬件設計探析

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摘要：介紹了在proteus環(huán)境下硬件電路的設計過程，包括從硬件的功能原理及使用方法到電路的設計。完成了對系統(tǒng)主要模塊，即單片機最小系統(tǒng)、測溫點路、通信電路的硬件設計。實踐證明：Proteus軟件具有設計周期短、節(jié)約成本、設計效率高和產(chǎn)品競爭力高等特點，可以為電子產(chǎn)品設計變革提供了一定的幫助。

關鍵詞：Proteus環(huán)境；硬件；設計

1Proteus開發(fā)環(huán)境簡介

為了將電子產(chǎn)品制作及設計期間產(chǎn)生的問題結解，則需要采用一款具備該產(chǎn)品性能的軟件仿真，而Proteus軟件具有這一功能。英國公司Labcenter為EDA研發(fā)了一款新的軟件，即Proteus軟件，是由PCB設計、實時交互仿真及電子應用系統(tǒng)設計組成的最先進的平臺。Proteus軟件通過計算機實現(xiàn)了由電路設計及原理圖設計、功能驗證及系統(tǒng)測試、仿真與單片機代碼級調試、仿真和電路分析，最終產(chǎn)生了完整的PCB制版圖[1]。

2單片機最小系統(tǒng)設計

單片機具備最小系統(tǒng)，其指的是可以讓單片機正常工作的最小硬件單元電路，有復位電路、電源及時鐘電路等。其中，利用計算及USB口能夠為最小系統(tǒng)中電源供電模塊中的電源提供能量，同時也可以從外部穩(wěn)定的5V電源為電源提供能量，復位電路包括手動復位和自動復位。本次設計中，將12MHz的高穩(wěn)定無源晶體振蕩器視為晶體振蕩器，其組成成分包括AT89C51，晶體振蕩器保證了CPU運行的穩(wěn)定性，同時也為最小硬件單元電路提供了時鐘信號。電容C1和C2具有微調頻率的功效，選取5～30pF的電容值，本次研究電路的電容值為22pF。上電復位電路：上電復位電路由按鈕及電容C3組成，電源為電容C5提供電能，CPU復位伴有高脈沖。僅要將高電平維持時間大于兩個機器周期（24個振蕩周期），CPU就可復位。自動復位電路：使用可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74LS122及電阻電容構成自動復位電路。使用可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74LS122產(chǎn)生周期性信號，即產(chǎn)生周期性方波，方波周期由電阻Rt和電容Ct決定。在該設備產(chǎn)生方波的低電平的半個周期內，利用單片機對其進行寫操作，由于74LS122的可重觸發(fā)性能，即又產(chǎn)生了低電平的信號，若系統(tǒng)正常，則周而復始進行此操作。當單片機死機或不能按時發(fā)送信號時，產(chǎn)生正常方波信號，該波形由低電平變?yōu)楦唠娖?，使得單片機自動復位[2]。

3多點測溫電路設計

該設計的主要芯片為DS18B20?；贒S18B20構成的單線溫度測量系統(tǒng)實際上是一種專用的現(xiàn)場總線分布式測量系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的硬件和軟件相對簡單，安裝方便，因此在-55~+125℃的溫度額量范圍內相對于其他各種通用的現(xiàn)場總線分布式測量系統(tǒng)來講，具有很明顯的優(yōu)勢。隨著DS18B20及其測量系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的多點測溫巡檢儀，由于其復雜的結構，必將面臨淘汰。測量9~12位攝氏溫度的過程中，通常采用DS18B20數(shù)字溫度計，其是由高低電平處方及能夠進行編程的不會因為電源的變化而發(fā)生改變的報警功能，也就是能夠根據(jù)用戶需求定義的一種非易失性溫度報警設備。DS18B20通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，因此在中央處理器和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。它的測溫范圍為-55～＋125℃（-67～＋257°F），并且在-10～＋85℃精度為±0.5℃。除此之外，DS18B20能直接從單線通訊線上汲取能量，除去了對外部電源的需求。其中，GND—地；DQ—數(shù)據(jù)輸入/輸出腳，漏極開路，常態(tài)下高電平；VDD—可選電源電壓腳，電源電壓范圍3～5.5V。工作于寄生電源時，此引腳應接地；NC—無連接，空引腳，懸空不使用。

4多點測溫電路的實現(xiàn)

經(jīng)過串聯(lián)的全部DS18B20，其數(shù)據(jù)均與微處理器上的某個I/O端口連接，其中只與微處理器的一個端口連接是其主要特點。由于每個DS18B20內部均存在一個單獨的64為序列號。所以，在安裝系統(tǒng)及實施工作前，需要逐個與DS18B20連接，并將其各種序列號讀出并保存。

5通信電路設計

1）RS-485總線設計。RS-485通訊標準屬于一種半雙工串行通訊方式，即數(shù)據(jù)信號可以雙向傳遞，但不能同時傳輸。兩線制采用了的是差分信號邏輯，即SA—SB端的電位差共同決定了信號邏輯電平，其中+2～+6V表示“1”，-6～-2V表示“0”。最大傳輸距離Lmax=1200m。波特率上限10Mbps?？偩€可掛負載數(shù)多大可達256個。由于其通訊特點，多用于多機通訊中的主從查詢方式進行通訊，配合收發(fā)驅動可實現(xiàn)一定規(guī)模的網(wǎng)絡。由于RS-485在報警系統(tǒng)中的應用，需要信號在一定距離上的傳輸具有較高的穩(wěn)定性。為了保持一般使用的電纜建議采用屏蔽雙絞線，外面采用屏蔽層屏蔽外部電磁干擾[3]。2）主要芯片MAX485。MAX485是一種普遍應用于RS-485通信的低功耗收發(fā)器，器件標準的工作電壓5V，具有較高的抗干擾性能。MAX485芯片主要用于轉換RS-485差分電平與TTL電平。短接RE引腳與DE引腳，并與單片機另一個I/O接口連接，其主要對數(shù)據(jù)流傳輸方向進行控制。如果RE=DE=1，MAX485則會轉換TTL電平信號，使其以RS-485差分電平呈現(xiàn)出來，然后傳送至總線上；若RE=DE=0，MAX485則會轉換RS-485電平信號，使其以TTL電平呈現(xiàn)出來，然后上傳至單片機，其中，RE、DE端為收發(fā)狀態(tài)控制端。RO為接收通道，DI為發(fā)送通道。通過MAX485芯片將TTL電平轉化為AB端的電位差，即RS-485通訊協(xié)議的電平電平標準。3）通信電路的實現(xiàn)。MODBUS是一個主從協(xié)議，在同一時刻只能有1個主節(jié)點聯(lián)接在總線上，但允許多個（最多247個）從節(jié)點連在串行總線上。每一次MODBUS通信總是由主節(jié)點發(fā)起，在沒有收到請求時從節(jié)點從不發(fā)送數(shù)據(jù)，從節(jié)點間不進行通信。主節(jié)點在同一時間內只能發(fā)起1個MODBUS事務。4）按鍵電路設計。在Proteus下選擇KEYPAD鍵盤，KEYPAD即為一個4×4的矩陣鍵盤。KEY-PAD有7個引腳，本文中利用主機單片機的P1口進行控制，7個引腳分別接在P1.0~P1.6。該鍵盤節(jié)省空間且外觀美觀，因此使用KEYPAD作為按鍵控制硬件。5）顯示電路設計。在Proteus中選用HDG12864F-1作為液晶顯示屏，由于其密集的像素點，因此相對于數(shù)碼管和LCD1602，能更好地顯示文字，更加美觀，呈現(xiàn)給用戶直觀的信息。其中SCI為時鐘端；SI為數(shù)據(jù)端；CS為片選端，低電平有效；A0為命令數(shù)據(jù)選擇端，高電平為數(shù)據(jù)，低電平為命令。

作者：常育新 李曼 郝剛 潘潺 單位：國網(wǎng)阜新供電公司