基于Proteus的多通路溫度采集半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計

摘要：提出了一種基于Proteus的多通路溫度采集半物理仿真系統(tǒng)，詳細介紹了基于Proteus的硬件在回路仿真技術(shù)的實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)利用Proteus軟件中的電路仿真功能，將實際硬件電路與仿真電路相結(jié)合，實現(xiàn)了對多通路溫度采集系統(tǒng)的仿真。經(jīng)實驗證明，該系統(tǒng)具有精度高、實時性好和易于遠程分布式測量及定位的優(yōu)勢，提高了溫度測量效率。該技術(shù)可以有效提高系統(tǒng)開發(fā)的效率和質(zhì)量，簡化設(shè)計流程，降低開發(fā)成本，同時縮短研發(fā)周期，增強軟硬件之間的兼容性。此外，該系統(tǒng)還為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種新思路，具有較高的實用價值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：半物理仿真；Proteus；多通路溫度采集；嵌入式

基金項目：1.教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，項目編號202102198008；

                  2.金陵科技學(xué)院科教融合項目項目編號2022KJRH05

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，溫度已然成為各領(lǐng)域中極為重要的參數(shù)之一。溫度是反應(yīng)物體冷熱程度的物理量^[1]，溫度檢測技術(shù)在海洋探測、智慧農(nóng)業(yè)、石油化工、航天航空、冶煉金屬、電力工業(yè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛^[2-3]。在各種環(huán)境下，溫度的精確測量與研究對我們的生產(chǎn)與生活具有重要意義。

近年來，各國科研人員在使用DS18B20傳感器檢測溫度方面進行了大量的實驗與研究^[4-8]。但在開發(fā)相關(guān)嵌入式系統(tǒng)的過程中，常常會面臨一些問題。例如：開發(fā)周期長、研發(fā)成本高、搭建與調(diào)試電路時硬件易損壞等，嚴重影響開發(fā)進度，同時增加了設(shè)備管理和維修成本。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于Proteus 的多通路溫度采集半物理仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用基于Proteus的硬件在回路仿真技術(shù)，亦稱基于Proteus 的半物理仿真^[9]。通過PC 機的串口將實物電路與在Proteus 里搭建的虛擬電路相連，并進行仿真，實現(xiàn)了實物電路與Proteus虛擬電路之間的數(shù)據(jù)交換和信號傳遞。使用該技術(shù)，可以有效提高系統(tǒng)開發(fā)的效率和質(zhì)量，簡化設(shè)計流程，降低開發(fā)成本，同時縮短研發(fā)周期，增強軟硬件之間的兼容性^[10]。整個系統(tǒng)可實現(xiàn)對各點溫度的測量和定位，提高了溫度測量效率。此外，該系統(tǒng)還為后續(xù)相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種新思路，具有較高的實用價值和應(yīng)用前景。

1 設(shè)計方案

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，使用AT89C52 作為核心控制器，連接多路DS18B20 溫度傳感器模塊，蜂鳴器報警電路，LCD1602液晶顯示模塊及LED等外設(shè)。該系統(tǒng)由下位機和上位機兩部分組成，下位機由實物電路構(gòu)成，上位機由在Proteus 中的虛擬仿真電路構(gòu)成，兩者通過RS232 串口相連，實現(xiàn)對目標溫度的檢測和報警功能。為了使上、下位機正常通訊，還需在電路中添加MAX232 芯片，用以實現(xiàn)TTL 電平與RS232 電平的相互轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)總體框架示意圖

2 電路設(shè)計

2.1 下位機電路設(shè)計

下位機電路如圖2 所示，其主要包括多路DS18B20溫度傳感器陣列、RS232 串口、AT89C52 核心控制模塊、MAX232電平轉(zhuǎn)換模塊、以及蜂鳴器報警電路等模塊。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對目標物體或環(huán)境溫度的分布式多點測量，將測量到的信息上傳給上位機進行數(shù)據(jù)處理，并接收上位機處理分析好的數(shù)據(jù)，從而控制報警電路。

圖2 下位機電路圖

2.2 上位機電路設(shè)計

在Proteus 中搭建上位機虛擬仿真電路如圖3 所示，使用AT89C52 作為核心控制器、連接有MAX232 電平轉(zhuǎn)換模塊、RS232串口、LCD1602液晶顯示模塊以及LED報警模塊。為了實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信，上、下位機電路的晶振頻率必須相同。當(dāng)下位機采集到數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)缴衔粰C時，上位機會接收這些數(shù)據(jù)并開始進行處理和分析，通過控制LCD1602 液晶顯示器實時顯示陣列的溫度來反映數(shù)據(jù)變化。如果目標溫度高于預(yù)設(shè)溫度，紅色指示燈閃爍，反之，長滅。

圖3 上位機電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 多路DS18B20測溫模塊

DS18B20是一種使用單總線半雙工通信方式的高精度數(shù)字溫度傳感器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示?？稍谝桓偩€上掛載多個DS18B20測溫模塊，實現(xiàn)分布式多點測量，具有成本低、易維護等特點。其工作流程圖如圖5所示。

圖4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5 DS18B20工作流程圖

3.2 下位機軟件設(shè)計

下位機的主程序流程圖如圖6所示，系統(tǒng)上電初始化后，多路DS18B20 溫度檢測模塊開始測量目標溫度，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機。上位機將處理好的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度值進行比較控制下位機報警電路。

圖6 下位機主程序流程圖

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機的主程序流程圖如圖7所示。在上電后，系統(tǒng)會進行初始化操作，并接收下位機上傳的數(shù)據(jù)。接著對這些數(shù)據(jù)進行處理，并將目標溫度實時地顯示在LCD1602上。當(dāng)目標溫度高于設(shè)定溫度時，紅色LED閃爍，并控制下位機蜂鳴器報警。

圖7 上位機主程序流程圖

4 實驗及結(jié)果分析

基于Proteus的多通路溫度采集半物理仿真系統(tǒng)如圖8所示，上電后系統(tǒng)開始實時檢測測量目標的溫度變化情況，使用工業(yè)用熱電偶傳感器與系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)進行比較，測得數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中可以看出測量誤差小，結(jié)果較為準確。

圖8 半物理仿真系統(tǒng)運行圖

表1 測量數(shù)據(jù)處理表

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于Proteus 的多通路溫度采集半物理仿真系統(tǒng)，并詳細介紹了基于Proteus 的硬件在回路仿真技術(shù)的實現(xiàn)過程。為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程中存在的開發(fā)周期長、研發(fā)成本高、搭建與調(diào)試電路時硬件易損壞等問題提供了一個新的解決思路。經(jīng)實驗證明，該系統(tǒng)具有精度高、實時性好和易于遠程分布式測量及定位的優(yōu)勢，提高了溫度測量效率。使用該技術(shù)，可以有效提高系統(tǒng)開發(fā)的效率和質(zhì)量，簡化設(shè)計流程，降低開發(fā)成本，同時縮短研發(fā)周期，增強軟硬件之間的兼容性，具有較高的實用價值和應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] 張佳斌,賀慶,張青超.光纖光柵傳感器陣列在空間溫度場測量中的應(yīng)用[J].激光與紅外,2020,50(6):724-728.

[2] 聶鵬程. 熱電偶對連鑄坯表面溫度測量的研究[D].沈陽:東北大學(xué),2015.

[3] 劉明堯,劉亮,宋涵,等.基于FBG的結(jié)構(gòu)表面溫度測量方法研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2020,42(1):80-84.

[4] 湯鍇杰,栗燦,王迪,等.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報警系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(3):99-102.

[5] 趙恒,李國利,馮飛,等.基于Proteus半物理仿真的太陽能追蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].機電技術(shù),2022(4):25-27.

[6] 葉小樂.基于DS18B20的多點溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界,2017(16):100-102.

[7] 馮飛,李國利,趙恒,等.基于Proteus的溫控超聲波測距半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].電子產(chǎn)品世界,2022,29(8):63-67.

[8] 孔慶霞,朱全銀.基于DS18B20的遠距離分布式溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子測量技術(shù),2009,32(4):154-156+162.

[9] 劉鄒,丁青青.基于Proteus的硬件在回路仿真[J].計算機仿真,2009,26(2):312-314+328.

[10] 張勁松.基于Proteus的硬件在回路仿真[J].科技信息,2013(25):36-37.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）