基于PROTEUS的数据采集系统的设计与仿真

渠丽岩

（天津理工大学 中环信息学院，天津 300380）

PROTEUS软件是LabCenter Electronics公司开发的EDA工具软件，它集成了高级原理图设计、混合模式SPICE电路仿真及PCB设计[1]，最具特色的是它能够仿真基于单片机的电子系统。PROTEUS不但支持MCS-51及其派生系列单片机的设计与仿真，还可以仿真基于AVR、ARM和PIC系列的嵌入式系统。

PROTEUS软件可提供各类元器库30多个，超过27 000多种元器件。此外，对于元件库中没有的器件，用户可以依照需要自己创建。在软件调试方面，其内部带有8051、AVR、PIC的汇编编译器，支持单片机汇编语言的编辑、编译和源代码级仿真，也可以与第三方集成编译环境（如IAR、Keil和Hitech）结合，进行高级语言的源代码级仿真和调试。PROTUES不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化，这是实物演示难以达到的效果[2]。

在计算机广泛应用的今天，日益突显数据采集的重要性，它是计算机与外部世界连接的桥梁。数据采集系统主要是将传感器采集来的模拟信号经A/D转换后形成数字信号，并通过接口电路送给处理器，然后再进行分析、传输、显示和存储等处理。

数据采集装置在工业现场和科学研究中应用广泛。在生产过程中，应用这一装置可以对生产现场的各种参数进行采集、监控和记录，为提高产品质量、降低成本、增加生产效率提供信息和手段；在科学研究中，数据采集装置可获得大量的动态信息，是各种研究领域的有力工具，也是破解科学奥秘的重要手段之一[3]。

1 数据采集系统的设计方案

1.1 硬件设计方案

本系统的核心部分电路采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机。AT89C51单片机是一款低电压、高性能的CMOS型8位微处理器，与工业标准的MCS-51单片机完全兼容。

AT89C51具有以下标准功能：4k字节FLASH闪速存储器，128字节内部 RAM，32个 I/O口线，2个 16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0 Hz静态逻辑操作，并支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，但允许RAM、定时器/计数器、串口、中断系统继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作，直到下一个硬件复位。AT89S51为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活高效且价廉的方案，因此在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用[4]。

本系统核心部分电路可与传感器配合实现对电压、电流、温度、湿度、压力等多种信号的采集与处理，可以处理8路信号；若需要采集的信号较多时，可配合使用可编程并行输入/输出接口芯片。采集处理后的信号可送往显示器显示并存储。图1数据采集系统结构框图。

图1 数据采集系统的结构框图Fig.1 The structure diagram of data acquisition system

1.2 软件设计方案

这里主要介绍A/D转换程序设计。本系统的ACD采用的是ADC0808。ADC0808是采样分辨率为8位的逐次逼近型模/数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，选通8路模拟输入信号中的任意一个进行A/D转换，并将转换结果送入单片机进行处理。它作为简单的数据采集系统，在多点巡回检测、过程控制和运动控制中应用十分广泛。

使用ADC0808时，首先通过单片机的P3.4～P3.6引脚设置 ADDC、ADDB、ADDA，从而选择转换通道；然后通过 P3.2锁存地址信号，同时启动A/D转换[5]。

ADC0808内部没有时钟电路，PROTEUS软件为系统仿真提供了各种形式的时钟信号，本系统中ADC0808的时钟信号频率为500 kHz，其设置如图2所示。单片机可以通过查询或中断的方式等待A/D转换完毕，转换数据保存在ADDR寄存器中。

图2 ADC0808的时钟信号设置Fig.2 ADC0808 clock signal settings

进行多通道AD转换时，首先切换到通道0进行A/D转换，并等待转换结束，读取转换结果；然后切换到通道1进行转换，操作过程与通道0相同；依次切换转换通道，完成所有通道的转换。A/D转换程序的流程如图3所示。

2 基于PROTEUS数据采集系统的仿真

在PROTEU软件上仿真基于单片机的电子系统，实质是构建基于PROTEUS和Keil的AT89S51虚拟实验平台。

Keil C51是51系列兼容单片机软件开发系统，可以编辑、编译汇编语言和C语言编写的单片机程序。Keil C51软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，它生成的后缀为“.hex”的文件，即可以直接下载到硬件设备上运行，也可以添加到PROTEU软件环境中进行仿真[6]。

基于PROTEU软件的仿真过程如下：

1）在Keil C51中编写源程序，并调试、编译源程序，生成后缀为“.hex”的文件；

2）在PROTEUS软件中设计电路原理图，并设置相关参数；将“.hex”文件导入AT89C51芯片；

3）在PROTEUS软件中运行，观察仿真结果，并检验是否与设计要求一致。

图4所示是数据采集系统的仿真结果。图中只画出了一路数据采集通道，使用的是温度传感器，调节温度传感器的滑动触头，可以观测到所采集数据的变化情况。本图中选择通道IN0采集的信号进行演示。

图3 A/D转换流程图Fig.3 A/D conversion process flow diagram

3 结束语

本系统在单极性参考电压0～5 V范围内，运行稳定可靠，采样精度高；调节滑动触头，可观测到输出信号的变化情况。对于参考电压 5 V，输出值在0～255之间，其对应于0～99℃之间的温度值。本系统能满足多数测控系统的要求，因此基于PROTEUS和Keil C51的单片机数据采集系统的设计是切实可行的。本系统不仅可以实现系统的A/D转换和显示任务，通过简单的扩展还可以实现串口通信、键盘监测等任务的仿真与调试。采用虚拟实验的方式，不仅能够降低开发成本，而且可以提高开发效率、提升开发速度，具有较高的推广应用价值。

图4 数据采集系统的仿真结果Fig.4 The simulation results of the data acquisition system

[1]周润景，张丽娜，丁莉.基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[2]董普松.Proteus在单片机系统设计中的应用 [J].现代电子技术，2008（14）：153-154．DONG Pu-song.Applicaion ofProteusin singlechip computer system design[J].Modern Electronic Technology，2008（14）:153-154.

[3]周鸿雁．ADuC845单片机和PTR2000的无线数据采集系统设计[J]．单片机与嵌入式系统应用，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]胡汉才．单片机原理及其接口技术[M]．3版．北京：清华大学出版社．

[5]康华光．电子技术基础——数字部分[M]．4版．北京：高等教育出版社．

[6]李莉．基于Proteus的数据采集系统仿真设计[J]．电力学报，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.