Proteus环境下硬件设计探析

摘要：介绍了在Proteus环境下硬件电路的设计过程，包括从硬件的功能原理及使用方法到电路的设计。完成了对系统主要模块，即单片机最小系统、测温点路、通信电路的硬件设计。实践证明：Proteus软件具有设计周期短、节约成本、设计效率高和产品竞争力高等特点，可以为电子产品设计变革提供了一定的帮助。

关键词：Proteus环境；硬件；设计

1Proteus开发环境简介

为了将电子产品制作及设计期间产生的问题结解，则需要采用一款具备该产品性能的软件仿真，而Proteus软件具有这一功能。英国公司Labcenter为EDA研发了一款新的软件，即Proteus软件，是由PCB设计、实时交互仿真及电子应用系统设计组成的最先进的平台。Proteus软件通过计算机实现了由电路设计及原理图设计、功能验证及系统测试、仿真与单片机代码级调试、仿真和电路分析，最终产生了完整的PCB制版图[1]。

2单片机最小系统设计

单片机具备最小系统，其指的是可以让单片机正常工作的最小硬件单元电路，有复位电路、电源及时钟电路等。其中，利用计算及USB口能够为最小系统中电源供电模块中的电源提供能量，同时也可以从外部稳定的5V电源为电源提供能量，复位电路包括手动复位和自动复位。本次设计中，将12MHz的高稳定无源晶体振荡器视为晶体振荡器，其组成成分包括AT89C51，晶体振荡器保证了CPU运行的稳定性，同时也为最小硬件单元电路提供了时钟信号。电容C1和C2具有微调频率的功效，选取5～30pF的电容值，本次研究电路的电容值为22pF。上电复位电路：上电复位电路由按钮及电容C3组成，电源为电容C5提供电能，CPU复位伴有高脉冲。仅要将高电平维持时间大于两个机器周期（24个振荡周期），CPU就可复位。自动复位电路：使用可重触发单稳态多谐振荡器74LS122及电阻电容构成自动复位电路。使用可重触发单稳态多谐振荡器74LS122产生周期性信号，即产生周期性方波，方波周期由电阻Rt和电容Ct决定。在该设备产生方波的低电平的半个周期内，利用单片机对其进行写操作，由于74LS122的可重触发性能，即又产生了低电平的信号，若系统正常，则周而复始进行此操作。当单片机死机或不能按时发送信号时，产生正常方波信号，该波形由低电平变为高电平，使得单片机自动复位[2]。

3多点测温电路设计

该设计的主要芯片为DS18B20。基于DS18B20构成的单线温度测量系统实际上是一种专用的现场总线分布式测量系统。由于该系统的硬件和软件相对简单，安装方便，因此在-55~+125℃的温度额量范围内相对于其他各种通用的现场总线分布式测量系统来讲，具有很明显的优势。随着DS18B20及其测量系统的发展，传统的多点测温巡检仪，由于其复杂的结构，必将面临淘汰。测量9~12位摄氏温度的过程中，通常采用DS18B20数字温度计，其是由高低电平处方及能够进行编程的不会因为电源的变化而发生改变的报警功能，也就是能够根据用户需求定义的一种非易失性温度报警设备。DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。它的测温范围为-55～＋125℃（-67～＋257°F），并且在-10～＋85℃精度为±0.5℃。除此之外，DS18B20能直接从单线通讯线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。其中，GND—地；DQ—数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平；VDD—可选电源电压脚，电源电压范围3～5.5V。工作于寄生电源时，此引脚应接地；NC—无连接，空引脚，悬空不使用。

4多点测温电路的实现

经过串联的全部DS18B20，其数据均与微处理器上的某个I/O端口连接，其中只与微处理器的一个端口连接是其主要特点。由于每个DS18B20内部均存在一个单独的64为序列号。所以，在安装系统及实施工作前，需要逐个与DS18B20连接，并将其各种序列号读出并保存。

5通信电路设计

1）RS-485总线设计。RS-485通讯标准属于一种半双工串行通讯方式，即数据信号可以双向传递，但不能同时传输。两线制采用了的是差分信号逻辑，即SA—SB端的电位差共同决定了信号逻辑电平，其中+2～+6V表示“1”，-6～-2V表示“0”。最大传输距离Lmax=1200m。波特率上限10Mbps。总线可挂负载数多大可达256个。由于其通讯特点，多用于多机通讯中的主从查询方式进行通讯，配合收发驱动可实现一定规模的网络。由于RS-485在报警系统中的应用，需要信号在一定距离上的传输具有较高的稳定性。为了保持一般使用的电缆建议采用屏蔽双绞线，外面采用屏蔽层屏蔽外部电磁干扰[3]。2）主要芯片MAX485。MAX485是一种普遍应用于RS-485通信的低功耗收发器，器件标准的工作电压5V，具有较高的抗干扰性能。MAX485芯片主要用于转换RS-485差分电平与TTL电平。短接RE引脚与DE引脚，并与单片机另一个I/O接口连接，其主要对数据流传输方向进行控制。如果RE=DE=1，MAX485则会转换TTL电平信号，使其以RS-485差分电平呈现出来，然后传送至总线上；若RE=DE=0，MAX485则会转换RS-485电平信号，使其以TTL电平呈现出来，然后上传至单片机，其中，RE、DE端为收发状态控制端。RO为接收通道，DI为发送通道。通过MAX485芯片将TTL电平转化为AB端的电位差，即RS-485通讯协议的电平电平标准。3）通信电路的实现。MODBUS是一个主从协议，在同一时刻只能有1个主节点联接在总线上，但允许多个（最多247个）从节点连在串行总线上。每一次MODBUS通信总是由主节点发起，在没有收到请求时从节点从不发送数据，从节点间不进行通信。主节点在同一时间内只能发起1个MODBUS事务。4）按键电路设计。在Proteus下选择KEYPAD键盘，KEYPAD即为一个4×4的矩阵键盘。KEY-PAD有7个引脚，本文中利用主机单片机的P1口进行控制，7个引脚分别接在P1.0~P1.6。该键盘节省空间且外观美观，因此使用KEYPAD作为按键控制硬件。5）显示电路设计。在Proteus中选用HDG12864F-1作为液晶显示屏，由于其密集的像素点，因此相对于数码管和LCD1602，能更好地显示文字，更加美观，呈现给用户直观的信息。其中SCI为时钟端；SI为数据端；CS为片选端，低电平有效；A0为命令数据选择端，高电平为数据，低电平为命令。

作者：常育新 李曼 郝刚 潘潺 单位：国网阜新供电公司