Proteus環(huán)境下硬件設(shè)計(jì)探析
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摘要：介紹了在proteus環(huán)境下硬件電路的設(shè)計(jì)過程，包括從硬件的功能原理及使用方法到電路的設(shè)計(jì)。完成了對(duì)系統(tǒng)主要模塊，即單片機(jī)最小系統(tǒng)、測(cè)溫點(diǎn)路、通信電路的硬件設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明：Proteus軟件具有設(shè)計(jì)周期短、節(jié)約成本、設(shè)計(jì)效率高和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力高等特點(diǎn)，可以為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)變革提供了一定的幫助。
關(guān)鍵詞：Proteus環(huán)境；硬件；設(shè)計(jì)
1Proteus開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介
為了將電子產(chǎn)品制作及設(shè)計(jì)期間產(chǎn)生的問題結(jié)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(guó)公司Labcenter為EDA研發(fā)了一款新的軟件，即Proteus軟件，是由PCB設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)交互仿真及電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成的最先進(jìn)的平臺(tái)。Proteus軟件通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了由電路設(shè)計(jì)及原理圖設(shè)計(jì)、功能驗(yàn)證及系統(tǒng)測(cè)試、仿真與單片機(jī)代碼級(jí)調(diào)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(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)
單片機(jī)具備最小系統(tǒng)，其指的是可以讓單片機(jī)正常工作的最小硬件單元電路，有復(fù)位電路、電源及時(shí)鐘電路等。其中，利用計(jì)算及USB口能夠?yàn)樽钚∠到y(tǒng)中電源供電模塊中的電源提供能量，同時(shí)也可以從外部穩(wěn)定的5V電源為電源提供能量，復(fù)位電路包括手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位。本次設(shè)計(jì)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(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也為最小硬件單元電路提供了時(shí)鐘信號(hào)。電容C1和C2具有微調(diào)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(fù)位電路：上電復(fù)位電路由按鈕及電容C3組成，電源為電容C5提供電能，CPU復(fù)位伴有高脈沖。僅要將高電平維持時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期），CPU就可復(fù)位。自動(dòng)復(fù)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(gòu)成自動(dòng)復(fù)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(hào)，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(shè)備產(chǎn)生方波的低電平的半個(gè)周期內(nèi)，利用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)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(hào)，若系統(tǒng)正常，則周而復(fù)始進(jìn)行此操作。當(dāng)單片機(jī)死機(jī)或不能按時(shí)發(fā)送信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生正常方波信號(hào)，該波形由低電平變?yōu)楦唠娖剑沟脝纹瑱C(jī)自動(dòng)復(fù)位[2]。
3多點(diǎn)測(cè)溫電路設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)的主要芯片為DS18B20。基于DS18B20構(gòu)成的單線溫度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際上是一種專用的現(xiàn)場(chǎng)總線分布式測(cè)量系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的硬件和軟件相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝方便，因此在-55~+125℃的溫度額量范圍內(nèi)相對(duì)于其他各種通用的現(xiàn)場(chǎng)總線分布式測(cè)量系統(tǒng)來講，具有很明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著DS18B20及其測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)的多點(diǎn)測(cè)溫巡檢儀，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，必將面臨淘汰。測(cè)量9~12位攝氏溫度的過程中，通常采用DS18B20數(shù)字溫度計(jì)，其是由高低電平處方及能夠進(jìn)行編程的不會(huì)因?yàn)殡娫吹淖兓l(fā)生改變的報(bào)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(bào)警設(shè)備。DS18B20通過一個(gè)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(cè)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(duì)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(shí)，此引腳應(yīng)接地；NC—無連接，空引腳，懸空不使用。
4多點(diǎn)測(cè)溫電路的實(shí)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(gè)I/O端口連接，其中只與微處理器的一個(gè)端口連接是其主要特點(diǎn)。由于每個(gè)DS18B20內(nèi)部均存在一個(gè)單獨(dú)的64為序列號(hào)。所以，在安裝系統(tǒng)及實(shí)施工作前，需要逐個(gè)與DS18B20連接，并將其各種序列號(hào)讀出并保存。
5通信電路設(shè)計(jì)
1）RS-485總線設(shè)計(jì)。RS-485通訊標(biāo)準(zhǔn)屬于一種半雙工串行通訊方式，即數(shù)據(jù)信號(hào)可以雙向傳遞，但不能同時(shí)傳輸。兩線制采用了的是差分信號(hào)邏輯，即SA—SB端的電位差共同決定了信號(hào)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。總線可掛負(fù)載數(shù)多大可達(dá)256個(gè)。由于其通訊特點(diǎn)，多用于多機(jī)通訊中的主從查詢方式進(jìn)行通訊，配合收發(fā)驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。由于RS-485在報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，需要信號(hào)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(yīng)用于RS-485通信的低功耗收發(fā)器，器件標(biāo)準(zhǔn)的工作電壓5V，具有較高的抗干擾性能。MAX485芯片主要用于轉(zhuǎn)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(jī)另一個(gè)I/O接口連接，其主要對(duì)數(shù)據(jù)流傳輸方向進(jìn)行控制。如果RE=DE=1，MAX485則會(huì)轉(zhuǎn)換TTL電平信號(hào)，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(huì)轉(zhuǎn)換RS-485電平信號(hào)，使其以TTL電平呈現(xiàn)出來，然后上傳至單片機(jī)，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(zhuǎn)化為AB端的電位差，即RS-485通訊協(xié)議的電平電平標(biāo)準(zhǔn)。3）通信電路的實(shí)現(xiàn)。MODBUS是一個(gè)主從協(xié)議，在同一時(shí)刻只能有1個(gè)主節(jié)點(diǎn)聯(lián)接在總線上，但允許多個(gè)（最多247個(gè)）從節(jié)點(diǎn)連在串行總線上。每一次MODBUS通信總是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起，在沒有收到請(qǐng)求時(shí)從節(jié)點(diǎn)從不發(fā)送數(shù)據(jù)，從節(jié)點(diǎn)間不進(jìn)行通信。主節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)只能發(fā)起1個(gè)MODBUS事務(wù)。4）按鍵電路設(shè)計(jì)。在Proteus下選擇KEYPAD鍵盤，KEYPAD即為一個(gè)4×4的矩陣鍵盤。KEY-PAD有7個(gè)引腳，本文中利用主機(jī)單片機(jī)的P1口進(jìn)行控制，7個(gè)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(shè)計(jì)。在Proteus中選用HDG12864F-1作為液晶顯示屏，由于其密集的像素點(diǎn)，因此相對(duì)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(shí)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(guó)網(wǎng)阜新供電公司