项目 1 基于 MEGA16 的霓虹灯设计与制作
项目概述：用 8 位不同颜色发光二极管，模拟 4 种不同的闪烁方式，分别是从左到右顺序
闪烁、从右到左顺序闪烁、从中间到两边闪烁、从两边到中间闪烁。设置 8 个按键，前 4
个按键分别控制 4 种不同的闪烁方式，第 5 个按键功能是前 4 种闪烁方式的组合。
项目要求：先设计系统功能框图，再设计系统原理图，用 PROTEUS 仿真软件实现基本功
能后，在 PROTEL 中设计 PCB 版图，最后焊接装配出系统样机一套。
项目扩展：自己利用剩余的 3 个按键对系统进行功能扩展，可以对闪烁方式扩展，也可以
对按键功能进行扩展。
技能目标：会用 PROTEUS 仿真软件对电路仿真、会使用 PROTEL 软件进行 PCB 版图设计、
会使用 ICC AVR 及 ICC STUDIO 开发环境进行编程与调试程序、焊接与装配技能。
知识目标：ATMEGA16 的 I/O 口寄存器使用、C 语言编程规范、专业外语文献查阅。
行动导向一 系统功能框图设计
系统的功能框图设计是任何电子产品设计的第一步骤，从功能框图可以看出系统的设
计思想及系统的各个模块的功能。本系统的功能框图如图 1 所示。
行动导向二 原理图设计
CPU
MEGA16
4 位
按键
8 位发光
二极管
图 1 系统框图
图 2 系统原理图
知识链接一 Proteus ISIS 的原理图设计
Proteus 具有和其他 EDA 工具一样的原理图编辑、印刷电路板(PCB)设计及电路仿真功
能，最大的特色是其电路仿真的交互化和可视化，通过 Proteus 软件的 VSM(虚拟仿真模式)，
用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路、单片机及外围元器件等电子线路进行系
统仿真。
Proteus 软件由 ISIS 和 ARES 两部分构成，其中 ISIS 是一款便捷的电子系统原理设计和
仿真平台软件，ARES 是一款高级的 PCB 布线编辑软件。
Proteus ISIS 是一种操作简便而又功能强大的原理图编辑工具，它运行于 Windows 操作
系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点有：
● 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真的结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、
单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和
LCD 系统仿真等功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
● 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有 68000 系列、8051 系列、
AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11 系列以及各种外围芯
片。
● 提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同
时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些
功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 Keil C51 uVision2 等软件。
● 具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的电路设计和仿真软件，功能极其
强大。
Proteus ISIS 编辑环境
Proteus ISIS 编辑环境简介
Proteus ISIS 运行于 Windows 98/2000/XP 环境，对 PC 的配置要求不高，一般的配置就
能满足要求。运行 Proteus ISIS 的执行程序后，即进入 Proteus ISIS 编辑环境。
1. Proteus ISIS 各窗口
点状的栅格区域为编辑窗口，左上方为预览窗口，左下方为元器件列表区，即对象选
择器。
编辑窗口用于放置元器件，进行连线，绘制原理图。预览窗口可以显示全部原理图。
在预览窗口中，有两个框，蓝框表示当前页的边界，绿框表示当前编辑窗口显示的区域。
当从对象选择器中选中一个新的对象时，预览窗口可以预览选中的对象。在预览窗口上单
击，Proteus ISIS 将会以单击位置为中心刷新编辑窗口。其他情况下，预览窗口显示将要放
置的对象。
这种放置预览特性在下列情况下被激活：
● 当使用旋转或镜像按钮时；
● 当一个对象在对象选择器中被选中时；
● 当为一个可以设定方向的对象选择类型图标时(如 Component 图标、Device Pin 图标
等)。
点击观看 在 PROTEUS 中画电路原理
图
图 3 Proteus ISIS 的编辑环境
当放置对象或执行其他非上述操作时，放置预览会自动消除。
2. 工具箱
选择相应的工具箱图标按钮，系统将提供不同的操作工具。对象选择器根据选择不同
的工具箱图标按钮决定当前状态显示的内容。显示对象的类型包括元器件、终端、引脚、
图形符号、标注和图表等。
工具箱中各图标按钮对应的操作如下。
● Selection Mode 按钮：选择模式。
● Component Mode 按钮：拾取元器件。
● Junction Dot Mode 按钮：放置节点。
● Wire Lable Mode 按钮：标注线段或网络名。
● Text Script Mode 按钮：输入文本。
● Buses Mode 按钮：绘制总线。
● Subcircuit Mode 按钮：绘制子电路块。
● Terminals Mode 按钮：在对象选择器中列出各种终端(输入、输出、电源和地等)。
● Device Pins Mode 按钮：在对象选择器中列出各种引脚(如普通引脚、时钟引脚、反
电压引脚和短接引脚等)。
● Graph Mode 按钮：在对象选择器中列出各种仿真分析所需的图表(如模拟图表、数字
图表、混合图表和噪声图表等)。
● Tape Recorder Mode 按钮：当对设计电路分割仿真时采用此模式。
● Generator Mode 按钮：在对象选择器中列出各种激励源(如正弦激励源、脉冲激励源、
指数激励源和 FILE 激励源等)。
● Voltage Probe Mode 按钮：可在原理图中添加电压探针。电路进行仿真时可显示各探
针处的电压值。
● Current Probe Mode 按钮：可在原理图中添加电流探针。电路进行仿真时可显示各探
针处的电流值。
● Virtual Instruments Mode 按钮：在对象选择器中列出各种虚拟仪器(如示波器、逻辑
分析仪、定时/计数器和模式发生器等)。
除上述图标按钮外，系统还提供了 2D 图形模式图标按钮。
对于具有方向性的对象，系统还提供了各种旋转图标按钮：
● Rotate Clockwise 按钮：顺时针方向旋转按钮，以 90°偏置改变元器件的放置方向。
● Rotate Anti-clockwise 按钮：逆时针方向旋转按钮，以 90°偏置改变元器件的放置方
向。
● X-mirror 按钮 ：水平镜像旋转按钮，以 Y 轴为对称轴，按 180°偏置旋转元器件。
● Y-mirror 按钮 ：垂直镜像旋转按钮，以 X 轴为对称轴，按 180°偏置旋转元器件。
另外，在某些状态下，对象选择器有一个“Pick”切换按钮，单击该按钮可以弹出 Pick
Devices、Pick Port、Pick Terminals、Pick Pins 或 Pick Symbols 窗体。通过不同窗体，可以
分别添加元器件端口、终端、引脚等到对象选择器中，以便在今后的绘图中使用。
3. 主菜单
Proteus ISIS 的 主 菜 单 栏 包 括 File( 文 件 ) 、 View( 视 图 ) 、 Edit( 编 辑 ) 、 Library( 库 ) 、
Tools( 工具)、Design(设计 )、Graph(图形)、Source(源)、Debug( 调试)、Template(模板)、
System(系统)和 Help(帮助)，如图 2-3 所示。单击任一菜单后都将弹出其子菜单项。
● File 菜单：包括常用的文件功能，如新建设计、打开设计、保存设计、导入 /导出文
件，也可打印、显示设计文档，以及退出 Proteus ISIS 系统等。
● View 菜单：包括是否显示网格、设置格点间距、缩放电路图及显示与隐藏各种工具
栏等。
● Edit 菜单：包括撤销/恢复操作、查找与编辑元器件、剪切、复制、粘贴对象，以及
设置多个对象的层叠关系等。
● Library 菜单：库操作菜单。它具有选择元器件及符号、制作元器件及符号、设置封
装工具、分解元件、编译库、自动放置库、校验封装和调用库管理器等功能。
● Tools 菜单：工具菜单。它包括实时注解、自动布线、查找并标记、属性分配工具、
全局注解、导入文本数据、元器件清单、电气规则检查、编译网络标号、编译模型、将网
络标号导入 PCB 以及从 PCB 返回原理设计等工具栏。
● Design 菜单：工程设计菜单。它具有编辑设计属性，编辑原理图属性，编辑设计说
明，配置电源，新建，删除原理图，在层次原理图中总图与子图以及各子图之间互相跳转
和设计目录管理等功能。
● Graph 菜单：图形菜单。它具有编辑仿真图形，添加仿真曲线、仿真图形，查看日
志，导出数据，清除数据和一致性分析等功能。
● Source 菜单：源文件菜单。它具有添加/删除源文件，定义代码生成工具，设置外部
文本编辑器和编译等功能。
● Debug 菜单：调试菜单。包括启动调试、执行仿真、单步运行、断点设置和重新排
布弹出窗口等功能。
● Template 菜单：模板菜单。包括设置图形格式、文本格式、设计颜色以及连接点和
图形等。
● System 菜单：系统设置菜单。包括设置系统环境、路径、图纸尺寸、标注字体、热
键以及仿真参数和模式等。
● Help 菜单：帮助菜单。包括版权信息、Proteus ISIS 学习教程和示例等。
4. 主工具栏
Proteus ISIS 的主工具栏位于主菜单下面两行，以图标形式给出，包括 File 工具栏、
View 工具栏、Edit 工具栏和 Design 工具栏四个部分。工具栏中每一个按钮，都对应一个具
体的菜单命令，主要目的是为了快捷而方便地使用命令。
原理图的具体设计步骤如下：
(1) 新建设计文档。在进入原理图设计之前，首先要构思好原理图，即必须知道所设计
的项目需要哪些电路来完成，用何种模板；然后在 Proteus ISIS 编辑环境中画出电路原理图。
(2) 设置工作环境。根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小等。在电路图设计的整
个过程中，图纸的大小可以不断地调整。设置合适的图纸大小是完成原理图设计的第一步。
(3) 放置元器件。首先从添加元器件对话框中选取需要添加的元器件，将其布置到图纸
的合适位置，并对元器件的名称、标注进行设定；再根据元器件之间的走线等联系对元器
件在工作平面上的位置进行调整和修改，使得原理图美观、易懂。
(4) 对原理图进行布线。根据实际电路的需要，利用 Proteus ISIS 编辑环境所提供的各
种工具、命令进行布线，将工作平面上的元器件用导线连接起来，构成一幅完整的电路原
理图。
(5) 建立网络表。在完成上述步骤之后，即可看到一张完整的电路图，但要完成印制版
电路的设计，还需要生成一个网络表文件。网络表是印制版电路与电路原理图之间的纽带
(6) 原理图的电气规则检查。当完成原理图布线后，利用 Proteus ISIS 编辑环境所提供
的电气规则检查命令对设计进行检查，并根据系统提示的错误检查报告修改原理图。
(7) 调整。如果原理图已通过电气规则检查，那么原理图的设计就完成了，但是对于一
般电路设计而言，尤其是较大的项目，通常需要对电路进行多次修改才能通过电气规则检
查。
(8) 存盘和输出报表。Proteus ISIS 提供了多种报表输出格式，同时可以对设计好的原
理图和报表进行存盘和输出打印。
2.4.2 电路原理图的设计方法和步骤
下面以图 2 所示的简单电路为例，直观地介绍电路原理图的设计方法和步骤。
1. 创建一个新的设计文件
首先进入 Proteus ISIS 编辑环境。
选择【File】→【New Design】菜单项，在弹出的模板对话框中选择 DEFAULT 模板，
并将新建的设计保存在 E 盘根目录下，保存文件名为“按键控制 8 位 LED 显示”。
2. 拾取元器件
Proteus ISIS 库提供了大量元器件的原理图符号，在绘制原理图之前，必须知道元器件
对应的库。
利用 Proteus ISIS 提供的强大的搜索功能来完成元器件的查找。查找元器件的操作步骤
如下：
(1) 选择【Library】→【Pick Device/Symbol】菜单项，出现如图 4 所示对话框。
