Proteus软件的单片机仿真(ATM)

摘要

基于Proteus软件的单片机自动取款机（ATM）仿真系统设计，硬件电路需要单片机开发板和12864液晶显示器，能够实现自动取款的全部功能。通过在在计算机上用C语言编程来将生成文件下载到单片机控制其它外围器件工作。但是在EDA新技术的引入使得系统的开发成本降低而且灵活性增强，在Proteus软件中都可以找到上述硬件元件，通过电路图连接完全可以实现仿真功能。在Keil软件环境下通过C语言编程，编译调试后生成单片机下载的HEX（十六进制）文件，硬件电路图是在Proteus 软件中进行建模。通过Proteus和Keil结合建立的虚拟系统实现联合仿真，单片机实时控制12864LCD实现汉字的显示，扫描键盘从而达到用户与ATM的信息交换，使得ATM系统设计变为现实。

ATM系统，是一个有数据库组成的应用系统。用户的初始信息通过E2PROM存放，这样免去了掉电丢失数据的弊端。系统功能有用户在ATM上提取现金、查询账户余额、修改密码、账户冻结、密码保护、自动存款及转账功能。可以仿真实现最基本的银行服务。

关键词：ATM；51单片机；Proteus；Keil；12864LCD；E2PROM；虚拟仿真

Abstract

Automatic Teller Machine system is based on Proteus 51-microcontroller.Hardware circuit includes microcontroller developer board and 12864LCD display. All features of ATM can be well worked on it. Programming on PC then download created file to 51-microcontroller to control outer circuit. However, with the introduction of EDA, new technology, which lower the cost of system exploration and enhance flexibility. Programing with C language, compiling and debugging under the environment of Keil software,creating a HEX file which will be downloaded by microcontroller later. Hardware schematic diagrams are established with Proteus software. According to the combination of Proteus and Keil , making a virtual system , successfully achieve united simulation. Microcontroller controls 12864LCD to display Chinese words, scans keyboard to exchange information between customer and ATM, which makes virtual ATM system becoming reality.

ATM system includes databases, which are used for the storage of customers’ initial information, leading to emerge from the disadvantage of data lost when power cuts. The functions of ATM are as follows: withdraw cash, search client and remaining modify password, client freezed, password protection, automatic deposit and transfer client. This system simulates to realize the bank’s fundamental services.

Keywords:ATM;51microcontroller;Proteus;Keil;12864LCD;E2PROM;virtual simulation

目录

引言 (1)

第一章 Proteus软件的单片机ATM系统 (3)

1.1 Proteus软件的ATM概述 (3)

1.2 Proteus软件的ATM安全性分析 (3)

1.3 Proteus软件的ATM稳定性分析 (3)

1.4 Proteus软件的ATM主要功能分析 (3)

第二章 Proteus软件仿真的硬件系统设计 (5)

2.1 MCS-51系列单片机 (5)

2.1.1 AT89C51单片机 (5)

2.1.2 单片机应用系统硬件设计 (5)

2.2 串行传输 (5)

2.3 I2C串行总线 (6)

2.4 E2PROM (8)

2.5 12864液晶显示模块 (10)

2.5.1引脚功能 (10)

2.5.2 12864DDRAM存储器 (10)

2.5.3 显示控制控制方法 (11)

2.6 蜂鸣器 (12)

2.7 键盘 (12)

2.7.1 键的识别 (12)

2.7.2 键盘扫描流程图 (13)

2.8 ATM硬件原理图 (13)

第三章 Proteus单片机仿真软件系统设计 (15)

3.1 C-51简介 (15)

3.1.1 C-51具有特点 (15)

3.1.2 C-51具有优点 (15)

3.1.3 C-51独特地方 (15)

3.2 ATM自动取款机系统流程 (16)

3.3 程序介绍 (16)

3.4 PCtoLCD2002扫描软件 (17)

3.5 Proteus软件 (19)

3.5.1 Proteus概述 (19)

3.5.2 Proteus具有特点 (19)

3.5.3虚拟工具箱 (20)

3.6 Keil软件 (21)

3.6.1概述 (21)

3.6.2创建工程 (22)

第四章 Proteus软件仿真结果 (23)

第五章结论 (25)

参考文献 (26)

附录 (27)

谢辞 (34)

引言

随着大规模集成电路的发展，组成微型计算机的各个功能部件：中央处理器、RAM、ROM、EPROM、并行串行输入输出I/O接口电路、定时器/计数器集、中断控制等部件成到一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机[8]。由于它具有功能强、体积小、功耗低、价格便宜、工作可靠、使用方便灵活等特点，因此特别适合工业控制或控制类有关的数据处理系统，愈来愈广泛的应用到自动控制、智能化仪表以及家用电器等各个领域。由于其结构及应用特点，不同于通用的微型计算机，它的执行命令时间是可以计算出时间。

目前生产单片机的厂商很多Intel、Motorola、Philips等公司，产品达上百种，虽然其名称各异但原理大同小异。单片机在智能仪表方面的应用有，利用单片机改造原有的测量控制仪表，促进仪表像数字化、智能化方向发展。A/D转换器的集成，通过单片机软件的编写程序来控制温度、压力、流量、浓度等的测量显示。而且还具有复杂运算、误差修正、线性化、零点漂移处理、数字滤波等功能。其实具有很强的灵活性和实践性。

Proteus就是一款很好的单片机仿真软件，通过学习这款软件不仅能够掌握一些硬件电路还能更深刻的理解单片机，从而达到理论与实践相结合。增强感性认识，在仿真的同时培养动手能力，创新能力和综合知识运用。而且仿真技术的发展带来很大的经济效益。例如在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20%。现代仿真技术应用于各个工程领域，对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。

而51单片机又是最基础的所以要扎实掌握原理，加上EDA软件的鼎力相助，使得学习单片机变得更有意思。Keil软件可以实现汇编和C语言的编程，刚学单片机学的是汇编语言，感受是命令比较多而且很接近硬件，可移植性差。单片机C语言相比汇编语言是高级语言，很大提高编程速度而且对硬件了解不是很高。编程环境接近Visual C++ 6.0，不同就是需要建立工程然后添加C文件，可以进行软件仿真，断点设置，全速运行，单步运行，程序中的延时函数是通过软件仿真调试成功。

仿真ATM自动取款机，要实现的功能是就像银行那里的功能，基本功能有存款，修改密码，查询余额，转帐和自动存款。程序思想就是源于校园的自动取款机的流程而设计。插卡后输入密码然后进行一系列业务处理最后退卡完成交易。硬件电路设计有12864LCD对汉字进行显示，并且掌握了汉字编码原理，用软件生成见后边软件介

绍。IIC总线对E2PROM的数据，指令的写入和读出程序编写。键盘扫描程序用的是C语言实现的。总之都是利用C语言进行控制，程序设计比较大时流程图的作用就显得十分重要，将每个函数写成块这样就可以轻松调用不至于乱，例如显示子函数，键盘扫描子函数等。

51单片机掌握好有助于以后的PIC，DSP，ARM，FPGA，CPLD和嵌入式系统的学习，目前来看单片机在自动控制领域应用是非常广泛的，单片机的前景是十分光明。

第一章Proteus软件的单片机ATM系统

1.1 Proteus软件的ATM概述

Proteus软件仿真ATM系统，ATM是由CPU控制的持卡人自我服务型的金融专用设备。该系统是一个较典型的银行存取款模拟系统，并采用软件仿真其效果，使用者被假定为银行信用卡用户，系统应该具有安全、稳定、功能齐全的特点。满足银行自动取款机一般功能和服务。ATM自动取款机系统，是一个有终端机，ATM系统，数据库组成的应用系统。系统功能有用户在ATM上提取现金、查询账户余额、修改密码及转账功能。

ATM自动取款机系统向用户提供一个方便、简单、及时、随时随地可以随心所欲存取款的互联的现代计算机化的网络系统。可以大大减少工作人员，节约人力资源的开销，同时由于手续程序减少也可以减轻业务员的工作负担，有效地提高了整体的工作效率和精确度。减少了用户办理业务的等待时间，用户可以随时随地可以随心所欲存取款，并且操作简单易懂。当今信息时代，时间就是金钱，提高了用户的办理效率。

1.2 Proteus软件的ATM安全性分析

银行存取款机的数据涉及到取款机内储存的三名用户，数据量较大且对保密性的需求很高，所以要通过设置密码等手段确保数据在用户未用正确密码登录时不能被随意的删减和修改。并用单片机定时器设置用户交易是的时间，如果超过50s则自动退到输入密码页面。

1.3 Proteus软件的ATM稳定性分析

系统用单片机实现对键盘、LCD、E2PROM、蜂鸣器实时控制，功能比较健全，硬件系统的单片机采用12MHZ晶振，LCD刷新频率也很高。软件系统虽然庞大但经过严格的分块编写并长时间调试程序，当然少不了老师的指导，完全符合设计思想。只要是用户的合理操作软件系统，系统都应给出合理正确的回应，并满足用户的愿望，而不是出现令用户感到意外的系统错误或系统崩溃。

1.4 Proteus软件的ATM主要功能分析

开机时显示“中国农业银行请输入插入磁卡”，当用户将磁卡插入时（低电平有效）屏幕显示“请输入密码”。卡一密码为“123456”；卡二密码为“654321”，卡三

密码为“111111”全部初始化到外部存储器中。初始密码当然可以在程序中由串行数据来修改。用户密码存放到E2PROM中，仿真开始后用户可以自己随便设置六位数字号码，但是只要Proteus软件仿真结束后，密码又变为初始化时的密码。输入密码通过和读取E2PROM中密码对比一致时才能登录成功。允许用户选择业务、修改密码，查询，对用户由于疏忽录入的非法数据，能够及时提示并更正，倘若密码错误次数大于三次则该用户将被冻结。

登陆成功界面以后共有四个个选项，查询、改密、取款、取款分别对应P12、P10、P13、P11按键。分别按下相应的按键则选择相应的功能或者进入该键下的子菜单。每一屏都有退出按键可以返回到上一层目录中。

查询子菜单中有如下功能键，余额查询，转账，和自动存款，选定P12后，进入查询界面，用户输入查询条件，系统规则地在界面显示查询结果，且显示的数据尽量全面。如果使用自动存款，可以选择的金额与取款额度一样为100￥，200￥，300￥。使用转账业务是需用先选择要转入的用户，不可给自己转帐，然后选择金额。

取款时选定P10键后，进入取款界面，用户可以取面值100￥，200￥，300￥，若取款金额大于存款金额则会提示“余额不足”，若小于则会在原余额上扣除取款金额。本次给三个用户分别存入1000￥，2000￥，3000￥。

退出时选定P11后，进入退出界面，系统会延迟5毫秒重新跳回登陆界面，供其他用户使用。

第二章Proteus软件仿真的硬件系统设计

2.1 MCS-51系列单片机

2.1.1 AT89C51单片机

AT89C51单片机[16]，集成8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。

最小系统能够运行起来必须包括电源、晶振、复位电路。输出时一般用低电平这是因为防止噪声干扰，因为噪声一般都为高电平。

单片机对外设备控制或对单片机控制其实就是通过对I/O口的控制。51系列单片机共有4个I/O口P0、P1、P2、P3 四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。其中P0口为准双向I/O口，其它三个为双向I/O口。P0中每一位为OD门输出，所以不能用作高电平驱动外围电路，所以用P0驱动电路时必须加上拉电阻这样才能输出高电平；如果作为输入，必须先向相应的锁存器写“1”，才不会影响输入电平。P3口还具有第二功能特点。

2.1.2 单片机应用系统硬件设计

若单片机无片内程序存储器或存储容量不够时需要外部扩展程序存储器。数据存储器利用RAM构成，存储容量满足的情况下尽可能减少芯片的扩展。I/O接口是最复杂的部分，因为单片机与外围电路接口各不相同。译码电路使用时要尽可能简单除了可利用常规的门电路、译码器实现外还可以利用只读存储器与可编程门阵列来实现。如果单片机外部扩展的器件较多负载太大，总线驱动是必须考虑的。

2.2 串行传输

图2-1 串行传输

随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈

显得重要。计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送，其特点为传输线少，且可以利用电话网等现成设备，相比并行传输要复杂一些。

2.3 I2C串行总线

I2C串行总线是由Philips公司推出的一种串行总线，具有多主机系统所需的包括总线裁决和高低速同步的高性能串行总线。I2C总线有俩根双向信号线，即SCL和SDA，分别为串行时钟信号和串行数据输入\输出。和电路连接时要通过上拉电阻接高电平，串行总线空闲时都是高电平，各器件的SCL、SDA都接成线与的关系，既有一根线为低电平则整条线被拉为低电平。

每个器件接到I2C总线上都有唯一的地址，就像这次我做的课题80C51单片机为发送装置，FM24C02为接收装置。进行数据传输时，时钟信号为高电平期间数据信号线必须保持稳定，当时钟信号变为低电平时，数据信号才可以变化。一次完整的传输要有起始信号和终止信号，都是由单片机发出的。SCL线为高电平期间，SDA 线由高电平向低电平的变化表示起始信号；SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。起始信号产生后总线处于被占用状态，终止信号产生时总线处于闲置状态。数据传输时是一个字节，一个字节传输，每一字节8位最高位到最低位传送，最后还需带一个应答位，所以一共9位为一帧。应答信号为低电平代表从机应答，否则为“非应答”。从机不应答时则主机需向从机发送终止信号，结束数据传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。然后从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

总线上的信号既包括地址信号又包括数据信号，产生起始信号后需要发送一个地址信号，与从机地址进行匹配。地址信号为8位最后一位代表传输方向，“0”表示主机发送数据，“1”表示主机接收数据。

I2C总线寻址采用7位的寻址字节，即起始信号后的第一个字节。D7～D1位组成从机的地址。D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机输出数据，为“1”时表示主机由从机读数据。主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。从机的地址由固定部分和可编程部分组成。在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数

目。比方说一个从机的7位地址有4位是固定位，那么3位是可编程位，由排列组合可知，这时仅能寻址8个同样的器件。典型程序如下：

起始信号终止信号

void I2CStart(void) void I2CStop(void)

{ sda = 1; { sda = 0;

delay(5); delay(5);

scl= 1; scl = 1;

delay(5); delay(5);

sda = 0; sda = 1;

delay(5); delay(5);

} }

I2C应答信号

void respons()

{ uchar i;

scl=1;

delay_2();

while((sda==1)&&(i<250))i++;

scl=0;

delay_2();} I2C初始化

void ic_init() { scl=1;

delay_2();

sda=1;

delay_2(); }

向I2C写单个数据

void write_byte(uchar date) { uchar i,temp;

temp=date;

for(i=0;i<8;i++)

{ temp=temp<<1;

scl=0;

delay_2();

sda=CY;

delay_2();

scl=1;

delay_2(); }

scl=0; delay_2(); sda=1; delay_2(); }

I2C读单个数据uchar read_byte() { uchar i,k;

scl=0;

delay_2();

sda=1;

delay_2(); for(i=0;i<8;i++) { scl=1;

delay_2();

k=(k<<1)|sda;

scl=0;

delay_2();

} return k; }

向I2C固定地址写数据

void write_add(uchar address,uchar date) { start();

write_byte(0xa0);

respons();

write_byte(address);

respons();

write_byte(date);

respons();

stop();

} I2C固定地址读数据uchar read_add(uchar addr) { uchar date;

start();

write_byte(0xa0);

respons();

write_byte(addr);

respons();

start();

write_byte(0xa1);

respons();

date=read_byte();

stop();

return date;

}

2.4 E2PROM

表2-1 FM24C02引脚定义

FM24C02是2048位的串行电可擦除ROM，内部组织为256个字节，每个字节8位，该芯片被广泛应用于低电压及低功耗的工商业领域。产品特点，工作电压：2.2V～5.5V ，内部结构: 256×8 (2K) ，有二线串行接口，输入引脚经施密特触发器滤波抑制噪声满足双向数据传输协议，并且兼容100KHz(2.2V)和400KHz(5V)操作支持硬件写保护。支持8字节(02)，16字节(04、08、06) 页写模式，支持部分页写，写周期内部定时(小于5 ms)。高可靠性，可以写次数为1000000 次，数据保存为100 年，封装为DIP8封装。

FM24C02总线时序图：

图2-2 FM24C02总线时序图

数据传送格式，字节传送与应答，每一个字节必须保证是8位长度。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。如果一段时间内没有收到从机的应答信号，则自动认为从机已正确接收到数据。

读写周期时序：

图2-3FM24C02写周期时序

FM24C02为当前电路中的地址选择线，三根线可选择8个芯片同时连接在电路中，当要与哪个芯片通信时传送相应的地址即可与该芯片建立连接，Proteus仿真图中三根地址线都为0。最后一位R/W为告诉从机下一字节数据是要读还是写，0为写入，1为读出。然后，再发一个字节的要读出器件的存储区的首地址，收到应答后，单片机要重复一次起始信号并发出器件地址和读方向位（“1”），收到器件应答后就可以读出数据字节，每读出一个字节，单片机都要回复应答信号。当最后一个字节数据读完后，单片机应返回以“非应答”（高电平），并发出终止信号以结束读出操作。

2.5 12864液晶显示模块

2.5.1引脚功能

表2-2 12864液晶引脚介绍

2.5.2 12864DDRAM存储器

本次选用的AMPIRE12864液晶为不带字库[12]，因此所有汉字都需要编码。12864液晶屏横向有128个点，纵向64个点，由两个64×64半屏组成。DDRAM与各个点一一对应，采用自动扫描将输入的内容显示到屏幕上。CS1=1时控制左半屏，CS2=1时控制右半屏。

显示每一个汉字需要12864LCD中的16×16个点阵，显示时首先输入汉字的上半部分16个数据，再输入汉字的下半部分16个数据。例如“中”字，前两行数据代码代表“中”字的上半部分，后两行数据代码代表“中”字的下半部分。

DB 0x00,0xF8,0x08,0x08,0x08,0x08,0xFF,0x08,

DB 0x08,0x08,0x08,0xFC,0x08,0x00,0x00,0x00,

DB 0x00,0x01,0x01,0x01,0x01,0x01,0x3F,0x01,

DB 0x01,0x01,0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00，

2.5.3 显示控制控制方法

表2-3 读状态表

如果BUSY=1则表示系统忙不能操作读，只有在BUSY=0才允许操作读。

表2-4 写指令表

表2-5 写数据表

表2-6 显示开关表

当D=1时，开显示，其控制字为0X3F，那么关显示的控制字为0X3E。

表2-7 起始行表

表2-8 页起始表

页面地址是DDRAM的行地址。8行为一页，所以共8页。

表2-9 列起始表

列地址计数器在每一次读写数据后将自动加1，在每次操作后明确起始列的地址。

根据上述LCD设置可以编写左边的写指令程序和左边的写数据程序，右边写指令和写数据与此类似。E在一个高脉冲下进行写指令和数据。CS1，CS2来选通左右两屏。

void write_lcom(uchar date) {

E=1;

RW=1;

RS=0;

RW=0;

CS2=1;

CS1=0;

P0=date;

E=0;

} void write_ldate(uchar date) { E=1;

RW=1;

RS=0;

RW=0;

RS=1;

CS2=1;

CS1=0;

P0=date;

E=0;

}

2.6 蜂鸣器

PNP三极管主要是做驱动用的，因为单片机的IO口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，所以通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，如果单片机I/O 口输出低电平，三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，如果输出高电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音。

程序控制时将，与单片机相连的PNP基极定义为beep，要让单片机发出声音，先将beep置为‘0’，延时100毫秒后将beep置为‘1’，实现蜂鸣器的驱动程序。

2.7 键盘

键盘实际是由排列成矩阵形式的开关组成，它是单片机系统中最最常用的人机联系的一种设备。用户通过键盘可以向单片机CPU输入数据、地址、指令。键盘按其结构型式可分为编码式键盘和非编码式键盘。本次使用的是非编码键盘。它由产生被按键的编码，结构简单，但使用起来不如编码式键盘方便。

2.7.1 键的识别

本次使用的是程序扫描法来识别按键，采用行扫描方法。即通过行线发出低电平信号，如果该行所连接的按键没有按下的话，则列线所连接的输出端口得到的全是高电平信号；如果有按键按下的话，则得到的是非全高电平信号。找到闭合按键后，通过所对应的行值和列值来确定该键的特征值。

2.7.2 键盘扫描流程图

图2-4键盘扫描流程

2.8 ATM硬件原理图

控制部件是单片机的神经中枢，它以主振频率为基准发出CPU的时序，用来协调单片机内部各功能部件之间的数据传输，数据运算等操作。

单片机的定时控制功能采用内部时钟方式，有12MHz晶振和电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。

复位电路采用上电复位。EA引脚接高电平单片机访问片内程序存储器8KB，构成单片机最小系统。

P0口为准双向口所以需要加上拉电阻，为了方便应用1KΩ排阻然后再接电源。FM24C02为E2ROM，用于存储初始化信息。键盘为4×3键盘,12864LCD，蜂鸣器，构成整个系统。

图3-6 ATM系统原理图

第三章Proteus单片机仿真软件系统设计

3.1C-51简介

C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。目前使用C语言进行程序设计已经成为软件开发的一个主流。用C语言开发系统可以大大缩短开发周期，明显增强程序的可读性，便于改进扩充和移植。而针对8051的C语言日趋成熟，成为了专业化的实用高级语言[1]。

3.1.1 C-51具有特点

C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，很多硬件开发都用C语言编程，如各种单片机、DSP、ARM等。

C语言程序本身不依赖于机器硬件系统，基本上不作修改就可将程序从不同的单片机中移植过来。

C提供了很多数学函数并支持浮点运算，开发效率高，故可缩短开发时间，增加程序可读性和可维护性。

3.1.2 C-51具有优点

对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对8051 的存贮器结构有初步了解。寄存器分配，不同存贮器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理。程序有规范的结构，可分成不同的函数，这种方式可使程序结构化。提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力。由于具有方便的模块化编程技术，使已编好程序可容易地移植。

3.1.3 C-51独特地方

sfr：特殊功能寄存器声明；sfr16：sfr的16位数据声明；sbit：特殊功能位声明；bit：位变量声明；C-51[2]常用的头文件有reg51.h、reg52.h、math.h、ctype.h、stdio.h、stdlib.h、absacc.h；

中断服务程序写法：

函数名（）interrupt n

{函数内部实现}

n代表0、1、2、3、4即外部中断1、定时/计数器1、外部中断2、定时/计数器2、串口。函数写在主函数后边不需要声明。本次使用定时器1的方式1每次定时为50ms，