基于PROTEUS的數據采集系統的設計與仿真

渠麗巖

（天津理工大學 中環信息學院，天津 300380）

PROTEUS軟件是LabCenter Electronics公司開發的EDA工具軟件，它集成了高級原理圖設計、混合模式SPICE電路仿真及PCB設計[1]，最具特色的是它能夠仿真基于單片機的電子系統。PROTEUS不但支持MCS-51及其派生系列單片機的設計與仿真，還可以仿真基于AVR、ARM和PIC系列的嵌入式系統。

PROTEUS軟件可提供各類元器庫30多個，超過27 000多種元器件。此外，對于元件庫中沒有的器件，用戶可以依照需要自己創建。在軟件調試方面，其內部帶有8051、AVR、PIC的匯編編譯器，支持單片機匯編語言的編輯、編譯和源代碼級仿真，也可以與第三方集成編譯環境（如IAR、Keil和Hitech）結合，進行高級語言的源代碼級仿真和調試。PROTUES不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化，這是實物演示難以達到的效果[2]。

在計算機廣泛應用的今天，日益突顯數據采集的重要性，它是計算機與外部世界連接的橋梁。數據采集系統主要是將傳感器采集來的模擬信號經A/D轉換后形成數字信號，并通過接口電路送給處理器，然后再進行分析、傳輸、顯示和存儲等處理。

數據采集裝置在工業現場和科學研究中應用廣泛。在生產過程中，應用這一裝置可以對生產現場的各種參數進行采集、監控和記錄，為提高產品質量、降低成本、增加生產效率提供信息和手段；在科學研究中，數據采集裝置可獲得大量的動態信息，是各種研究領域的有力工具，也是破解科學奧秘的重要手段之一[3]。

1 數據采集系統的設計方案

1.1 硬件設計方案

本系統的核心部分電路采用ATMEL公司生產的AT89C51單片機。AT89C51單片機是一款低電壓、高性能的CMOS型8位微處理器，與工業標準的MCS-51單片機完全兼容。

AT89C51具有以下標準功能：4k字節FLASH閃速存儲器，128字節內部 RAM，32個 I/O口線，2個 16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0 Hz靜態邏輯操作，并支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，但允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷系統繼續工作；掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作，直到下一個硬件復位。AT89S51為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活高效且價廉的方案，因此在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用[4]。

本系統核心部分電路可與傳感器配合實現對電壓、電流、溫度、濕度、壓力等多種信號的采集與處理，可以處理8路信號；若需要采集的信號較多時，可配合使用可編程并行輸入/輸出接口芯片。采集處理后的信號可送往顯示器顯示并存儲。圖1數據采集系統結構框圖。

圖1 數據采集系統的結構框圖Fig.1 The structure diagram of data acquisition system

1.2 軟件設計方案

這里主要介紹A/D轉換程序設計。本系統的ACD采用的是ADC0808。ADC0808是采樣分辨率為8位的逐次逼近型模/數轉換器。其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，選通8路模擬輸入信號中的任意一個進行A/D轉換，并將轉換結果送入單片機進行處理。它作為簡單的數據采集系統，在多點巡回檢測、過程控制和運動控制中應用十分廣泛。

使用ADC0808時，首先通過單片機的P3.4～P3.6引腳設置 ADDC、ADDB、ADDA，從而選擇轉換通道；然后通過 P3.2鎖存地址信號，同時啟動A/D轉換[5]。

ADC0808內部沒有時鐘電路，PROTEUS軟件為系統仿真提供了各種形式的時鐘信號，本系統中ADC0808的時鐘信號頻率為500 kHz，其設置如圖2所示。單片機可以通過查詢或中斷的方式等待A/D轉換完畢，轉換數據保存在ADDR寄存器中。

圖2 ADC0808的時鐘信號設置Fig.2 ADC0808 clock signal settings

進行多通道AD轉換時，首先切換到通道0進行A/D轉換，并等待轉換結束，讀取轉換結果；然后切換到通道1進行轉換，操作過程與通道0相同；依次切換轉換通道，完成所有通道的轉換。A/D轉換程序的流程如圖3所示。

2 基于PROTEUS數據采集系統的仿真

在PROTEU軟件上仿真基于單片機的電子系統，實質是構建基于PROTEUS和Keil的AT89S51虛擬實驗平臺。

Keil C51是51系列兼容單片機軟件開發系統，可以編輯、編譯匯編語言和C語言編寫的單片機程序。Keil C51軟件提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，它生成的后綴為“.hex”的文件，即可以直接下載到硬件設備上運行，也可以添加到PROTEU軟件環境中進行仿真[6]。

基于PROTEU軟件的仿真過程如下：

1）在Keil C51中編寫源程序，并調試、編譯源程序，生成后綴為“.hex”的文件；

2）在PROTEUS軟件中設計電路原理圖，并設置相關參數；將“.hex”文件導入AT89C51芯片；

3）在PROTEUS軟件中運行，觀察仿真結果，并檢驗是否與設計要求一致。

圖4所示是數據采集系統的仿真結果。圖中只畫出了一路數據采集通道，使用的是溫度傳感器，調節溫度傳感器的滑動觸頭，可以觀測到所采集數據的變化情況。本圖中選擇通道IN0采集的信號進行演示。

圖3 A/D轉換流程圖Fig.3 A/D conversion process flow diagram

3 結束語

本系統在單極性參考電壓0～5 V范圍內，運行穩定可靠，采樣精度高；調節滑動觸頭，可觀測到輸出信號的變化情況。對于參考電壓 5 V，輸出值在0～255之間，其對應于0～99℃之間的溫度值。本系統能滿足多數測控系統的要求，因此基于PROTEUS和Keil C51的單片機數據采集系統的設計是切實可行的。本系統不僅可以實現系統的A/D轉換和顯示任務，通過簡單的擴展還可以實現串口通信、鍵盤監測等任務的仿真與調試。采用虛擬實驗的方式，不僅能夠降低開發成本，而且可以提高開發效率、提升開發速度，具有較高的推廣應用價值。

圖4 數據采集系統的仿真結果Fig.4 The simulation results of the data acquisition system

[1]周潤景，張麗娜，丁莉.基于PROTEUS的電路及單片機設計與仿真[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[2]董普松.Proteus在單片機系統設計中的應用 [J].現代電子技術，2008（14）：153-154．DONG Pu-song.Applicaion ofProteusin singlechip computer system design[J].Modern Electronic Technology，2008（14）:153-154.

[3]周鴻雁．ADuC845單片機和PTR2000的無線數據采集系統設計[J]．單片機與嵌入式系統應用，2012（2）：57-60．ZHOU Hong-yan.Wireless data acquistion system based on ADuC845 and PTR2000[J].Microcontroller&Embedded Systems，2012（2）:57-60.

[4]胡漢才．單片機原理及其接口技術[M]．3版．北京：清華大學出版社．

[5]康華光．電子技術基礎——數字部分[M]．4版．北京：高等教育出版社．

[6]李莉．基于Proteus的數據采集系統仿真設計[J]．電力學報，2009，24（3）：206-207．LI Li.Simulation design of data acquisition system based on proteus[J].Journal of Electric Power，2009，24（3）:206-207.