基于 Proteus 的单片机出租车计价器的设计 Design of MCU Taximeter Based on Proteus （武汉科技大学）杨世品 陈林 YANG,Shipin CHEN,Lin 摘要：本文以出租车模拟计价器设计的实例，详细介绍了 Proteus 的特点、使用方法以及 Proteus 在单片 机系统硬、软件开发与仿真的应用，它能有效提高工作效率，对于单片机应用系统、电子电路的开发和教 学等都有较大的实用价值。整个设计过程表明了该软件在实际系统开发中的有效性和实用性。 关键字：Proteus；单片机系统；开发；仿真 文献标识码：B 中图分类号：TP368.1 (College of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, 430081, Hubei, China) Abstract: In this paper, a design of simulative taximeter based on Proteus is described. The trait and applications methods of Proteus are introduced. The hardware and program of the MCU taximeter are exploited and simulated, and the efficiency is improved effectively by using Proteus. The practicability of Proteus applied in MCU system design, circuitry exploitation and teaching is shown. The validity of the design based on Proteus is verified by the experiment. Keywords: Proteus; MCU system; exploitation; Simulation 1 引言 随着单片机性能不断提高而价格却不断下降，单片机控制在越来越多的领域得以应用。 按照传统的模式，在整个项目开发过程中，先根据控制系统要求设计原理图，PCB 电路图 绘制，电路板制作，元器件的焊接，然后进行软件编程，通过仿真器对系统硬件和软件调试， 最后将调试成功的程序固化到单片机中。这一过程中的主要问题是，应用程序需要在硬件完 成的情况下才能进行调试。虽然有的软件可以进行模拟调试，但是对于一些复杂的程序如人 机交互程序，在没有硬件的时候，没有界面的真实感，给调试带来困难。在软硬件的配合中 如需要修改硬件，要重新制板，在时间和投入上带来很大的麻烦。纵观整个过程，无论是从 硬件成本上，还是从调试周期上，传统开发模式的效率有待提高。能否只使用一种开发工具 兼顾仿真，调试，制板，以及最大限度的软件模拟来作为单片机的开发平台，用它取代编程 器、仿真器、成品前的硬件测试等工作是广大单片机开发者的梦想。 英国 Labcenter Electronics 公司推出的 Proteus 6 ISIS，是专用于开发单片机的集成软件， 用户可以在该软件上简洁、高效的设计出各种模拟电路、数字系统、专用 IC 及各种芯片， 并在仿真过程中给我们以最大程度上的视觉感受，它为电子产品的开发和电子系统工程提供 了一种全新的手段和便捷的途径。本文用上述软件设计了模拟 TAXI 的计价器和计时器电路 板，通过软件进行了设计和仿真，并通过实验验证了设计的硬件和软件。 —————————————————— 杨世品：硕士研究生 湖北省教育厅自然科学基金资助项目 基金号：D200611002 

2 PROTEUS 软件介绍 为了更加直观具体地说明 Proteus 软 件的实用价值，本文以一具体的 TAXI 的 计价器和计时器电路板的设计过程为例。 其电路板要实现的功能是：㈠计时功能（相 当于时钟）；㈡里程计价功能：两公里以内 价格为 4 元，以后每一公里加 0.7 元，不 足一公里取整（如 10.3 公里取 11 公里）； ㈢通过键盘输入里程，模拟计算里程费，实现 Y= (X-2)*0.7+4 的简单计算。基于上述功能， 选用 ATMEL 公司生产的通用芯片 AT89C51 单片机构成应用系统。AT89C51 是内含 8 位 4K 程序存储器，128B 数据存储器，2 个定时器/计数器的通用芯片 ]1[ 。系统开发环境采用 Proteus ISIS 6。 2.1 计价器模拟系统硬件构成 系统主要由一个 AT89C51 单片机、74LS373、74LS240、矩阵键盘、4 位 7 段数码管等 组成。通用 AT89C51 单片机芯片作为整个电路的核心部分、74LS373 作为 LED 段选控制、 74LS240 四路反相器则为 4 位共阴极 7 段数码管提供位选通信号、矩阵键盘输入控制信号。 2.2 Proteus 软件环境 Proteus 中包含了大量的电子元器件库，如各种芯片、按键、显示器，示波器等，可供 用户采用。Proteus 对原理图输入、PCB 设计、单步调试、实时仿真等几种功能作了集成。 在 Proteus 环境中，可首先对电路的原理图进行设计，针对系统功能设计的程序，可“装入” 原理图的单片机中，进行单步、断点和连续运行等多种调试方式。程序运行的状态在原理图 中相关期间实时显示出来，模拟了实际电路的运行状况。设计的电路原理图，可生成相应的 网络表，并在 PCB 设计中被调用。调试后的程序可直接写入 EPROM，装入单片机硬件系 统即可运行 ]2[ 。本系统的硬件原理图如图 1 所示，采用 4 位 7 段数码管动态显示和 4╳4 的 矩阵键盘构成人机交互的界面，两条总线与显示器相连，矩阵键盘通过线端子标号向 P1 口 输入控制信号。Proteus 环境中，键盘和 LED 显示和实际电路操作和显示一样，仿真实验结 果直观、明确。 程序的装入非常简便。AT89C51 为核心部分，选中 AT89C51，左键进入属性设置窗口, 就可以装载 HEX 文件及设置工作频率和封装，右端键盘矩阵通过接线标号与 AT89C51 单片 机的 P1 口相连，红色亮点表示高电平，蓝色亮点表示低电平，这样更加有利于信号分析， 运行以后，整个页面电路等同于实际电路处于动态过程，通过鼠标单击键盘按钮，就可执行 键盘输入及中断操作。 3 基于 Proteus ISIS 6 的单片机开发与仿真 电路原理图的设计如同在 ISIS 6 软件环境上制作“实物电路板”。 运行 Proteus 的 ISIS 6 进入其主界面如图 2，点状栅格区为绘图工作区，左上方为概览区，左下方为元器件备用区： 

如图中鼠标所指：单击 键选择元器件，进入选件框，就可以选择所需元器件：双击所选择 元器件名，即将所选元器件添加到备用区如图 3 中： 图 2 Proteus 的 ISIS 6 主界面 图 3 添加元器件到备用区 并同理添加 BUTTON（按键）、74LS373、74LS240、CAP（电容）、MINRSE1K（1K 电 阻）等所必须元器件，单击选中备用库中的电子元器件，可以在 键上方的预览区看到所选 择元件，并将其放置在绘图工作区。然后将上述各元器件进行电气连接，连完后的电路图如 图 1 所示。接下来就是要为电路写入程序了，实际电路中是把编译好的可烧录文件烧录到单 片机中，而在此 Protues 软件中，只需将单片机与相应的烧录文件连接起来就可以了。把可 烧录文件“烧录”到单片机中，方便快捷，不用担心硬件的故障，且它是可以无限次数擦写。 接 下 来 ， 就 可 以 运 行 工 作 区 的 “ 实 物 ” 电 路 了 ， 在 工 作 区 左 下 角 ， 可 以 看 到 共 4 个图标，它们分别表示全速运行、单步执行（或称“点动”）、暂停、 停止。点击 ，电路进入仿真环境，如下图 1 所示。 从图 1 的 4 个 7 段共阴极数码管动态显示可以更加直观地看到仿真运行结果，这更加提 高了研发人员监测电路的效率。例中的电路要实现的功能是：㈠具有计时功能；㈡里程计价 功能。通过键盘程序的设计与 LED 配合模拟出租车计价器的功能。 图 1 中矩阵键盘的各键功能可以在下图中表示： 从第一行起，各键依次功能为：增加键（+）、存储键（S）、确认键（OK）、 打印键（P）、选位键（>）、数字键（1~9、0、.）。人机交互方式如下： 3.1 计时功能：当选择计时功能时，通过 和 来调整四位 (hh:mm) 的初始时间，如 08:21：如图 4（a）显示：按确认键 ，8 分钟后，可以看 到 7 段数码管动态显示如下图 4（b），计时为 08：29。 图 4 计时效果图 3.2 里程计价功能：TAXI 计价器的思想是：两公里以内价格为 4 元，以后每公里加 0.7 元，不足一公里取整（如 35.3 公里取 36 公里）程序比较简单。当选择计价功能时, 通过数 字键输入 TAXI 行驶里程，如图 4（c）显示，按确认键 ，就计算出价格 Y=（36-2）*0.7+4=27.80 元，如图 4（d）显示。 

Protues 软件提供了类似于仿真器的功能，界面与现有的仿真器非常相似，软件的编写 及调试非常方便。此外，Proteus 与 Keil C51 集成开发环境的联调也是它的特色之一。 对汇编语言的调试可在主窗口中选择 Debug 下拉菜单中的 Statr/Restart Debugging ,系统 进入调试状态，再选择 Debug 下拉菜单中的 8051 CPU Registers – U1(寄存器状态)和 8051 CPU SFR Memory – U1(存储器状态)，就会出现图 7 所示两个窗口：左下边窗口显示 PC、 ACC、B、DPTR、SP、R0~R7、P0~P3 以及各状态字；右下边窗口显示地址为 08H~0FCH 各存储单元的状态 ]2[ 。 图 5 单步调试窗口 即可单步执行，通过逐步观察各寄存器及存储器状态变化情况，就可很快地查出 点击 程序的错误，也可连续运行调试程序。 电路设计及程序调试完毕，表明系统硬件和程序通过了模拟 [3] ，接下来就可以生成电 路印刷板。如图 2 所示，在工具栏的最右边，可以看到 三个工具按钮，点击 可 以生成不同格式的材料清单，点击 进行电气规则检查并生成网络表，当无电气连接错误时， 就可以按 生成电路板。在弹出的选项框中进行各元器件的封装设置 [4] ，进行完线的属性 设置，就可快捷生成双面板 PCB 图 [5] 。 为检验设计的电路和程序，将调试的程序固化到制作的实物电路板单片机中，得到的实 物运行实验结果与 Proteus 的仿真结果完全一致。 4 结束语 本文以计价器为例，简单介绍了 Proteus 在单片机的软件开发与仿真中的应用，其功能 强大，集调试、制板、仿真于一体，提供了一种虚拟的直观的硬件和软件设计环境，有利于 节省系统设计时间和设计成本。本文的创新点是在出租车计价器的设计中，利用 Proteus 软 件极大地提高了工作效率，这对于单片机应用系统、电子电路的开发和教学等都有较大的实 用价值。 参考文献: [1]李广弟，朱月秀，王秀山．单片机基础[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2001.7 [2]陈丽芳．单片机原理与控制技术[M]．南京：东南大学出版社，2003.1 [3]谢子殿. 朱秀. 基于单片机控制的智能化路灯节能装置的设计[J]. 北京：微计算机信息,2005;21(3):80~82 [4]侯继红．Protel 99SE 实用技术[M]．北京：中国电力出版社，2004.9 [5]范翠丽，逯富广．电路设计与制版 [M]．北京：清华大学出版社 2005.09 作者简介：杨世品（1984-），男（汉），硕士研究生，主要研究方向：计算机应用；陈林（1963-），男（汉）， 副教授，硕士生导师，主要研究方向：电力电子与电机控制. Author brief introduction: Yang Shipin (1984-), male, Han national，postgraduate. The main research areas: Application of Computer; Chen Lin (1963-), male, Han national，Associate professor，supervisor of graduate students, The main research areas: Power Electrics and Electrical machine drives.