宋志平，葉　柳，楊　名

(安徽大學(xué)，安徽 合肥　230601)

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燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)仿真設(shè)計與實驗

宋志平，葉柳，楊名

(安徽大學(xué)，安徽 合肥230601)

摘 要：給出以單片機為核心的燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)仿真設(shè)計與實驗的完整流程：包括設(shè)計要求、總體方案、Proteus環(huán)境下的原理圖設(shè)計及軟硬件仿真調(diào)試實驗等。可以為溫度、壓力、光強等其它常見物理量測量控制系統(tǒng)仿真設(shè)計與實驗提供參考。

關(guān)鍵詞：測量系統(tǒng)；仿真設(shè)計與實驗；單片機控制；Proteus仿真平臺

物理量自動測量與控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，小到日常的家用電器，大到航空航天遙感測量設(shè)備均能看到這類系統(tǒng)的應(yīng)用。這類系統(tǒng)通常以單片機等微控制器作為控制中心[1-4]，其電路和軟件設(shè)計流程具有一定的通用性，可以相互借鑒。本文以燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)為例，從系統(tǒng)的設(shè)計需求出發(fā)，給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，并在Proteus仿真軟件平臺上完成了電路原理圖設(shè)計、軟件設(shè)計及軟硬件仿真調(diào)試等全過程?？蔀閷崿F(xiàn)類似的物理量測量控制系統(tǒng)設(shè)計實驗提供有益參考。

1燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)設(shè)計

1.1設(shè)計要求

燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)可以實時監(jiān)測燃?xì)庑孤舛龋⒃谛孤舛瘸霭踩秶鷷r切斷氣源，給出警報信號，以確保用戶的用氣安全。燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)的具體設(shè)計要求如下：

※能實時監(jiān)測并顯示燃?xì)庑孤舛龋?/p>

※能準(zhǔn)確判斷燃?xì)庑孤舛仁欠癯瑯?biāo)；

※如果泄漏濃度超標(biāo)，能及時切斷氣源，并發(fā)出聲光報警信號。

1.2設(shè)計方案

根據(jù)燃?xì)庑孤﹫缶鞯脑O(shè)計要求，可采用圖1所示的設(shè)計方案。

圖1中的傳感器將泄漏的燃?xì)獍礉舛炔煌D(zhuǎn)換成不同大小的電信號。通常，傳感器輸出的電信號幅度較低，需經(jīng)過放大器放大至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)線性度較好的幅值范圍。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量，供單片機讀寫和進(jìn)一步處理。單片機是整個燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)的測量控制處理中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換處理、顯示及報警控制等功能。顯示器模塊可以實時顯示泄漏燃?xì)獾臐舛戎?。?dāng)測量得到的泄漏燃?xì)鉂舛戎蹈哂谠O(shè)定的安全濃度值時，單片機先切斷氣源開關(guān)，同時啟動聲光報警模塊工作，報警燈亮，揚聲器發(fā)出警報聲音。

2燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)仿真實驗

Proteus是目前可用來進(jìn)行軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試實驗的最先進(jìn)的虛擬電子實驗室軟件平臺[5-7]。利用Proteus仿真實驗室平臺軟件，我們開展了燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)電路和程序仿真設(shè)計實驗。包括電路原理圖仿真設(shè)計、測控程序的編寫及軟硬件聯(lián)調(diào)等幾方面工作。

2.1原理圖仿真設(shè)計

圖2是在Proteus仿真實驗室軟件環(huán)境下設(shè)計的燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)電路原理圖。

圖中利用滑動變阻器對5 V電源分壓模擬燃?xì)鉂舛葌鞲衅鳌roteus仿真軟件元件庫中，滑動變阻器模型的中間抽頭位置可調(diào)節(jié)，通過改變滑動變阻器中間抽頭的位置可改變中間抽頭與滑動變阻器兩端接線柱間的電阻值。因此，當(dāng)滑動變阻器中間抽頭的位置改變時，中間抽頭與地間的電壓值會隨之改變，其效果等效于燃?xì)庑孤舛炔煌瑫r，傳感器輸出不同的電壓值。

Proteus仿真軟件元件庫中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為理想器件，在整個測量電壓范圍內(nèi)，可以認(rèn)為具有良好的線性。因此仿真原理圖設(shè)計中可以省去放大器，將滑動變阻器中間抽頭直接連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。原理圖中使用的是8通道、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808，利用其中的任一個通道(本原理圖中使用的是IN0)，可將傳感器輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字量。單片機控制啟動ADC0808工作，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將結(jié)果送數(shù)碼管顯示。同時，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與預(yù)設(shè)的燃?xì)庑孤┌踩撝禎舛冗M(jìn)行比較，如果大于閾值濃度則切斷氣源開關(guān)，點亮紅色LED燈報警，揚聲器發(fā)出警報聲音。否則，綠色LED燈亮，表示泄漏燃?xì)鉂舛忍幱诎踩捣秶?/p>

2.2軟件流程

燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其全部功能均是由CPU執(zhí)行程序控制相關(guān)的硬件模塊實現(xiàn)的。仿真實驗時，軟件既可以用匯編語言也可以用C51編寫。其流程如下圖3所示。

2.3仿真調(diào)試實驗及結(jié)果

在Keil C環(huán)境下，完成燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)程序的編輯、編譯，生成HEX文件。在Proteus原理圖設(shè)計環(huán)境下，將生成的HEX文件加載到原理圖的CPU中，按下原理圖仿真運行按鈕，CPU開始執(zhí)行程序，燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)開始工作。調(diào)節(jié)滑動變阻器中間抽頭的位置， 模擬不同的燃?xì)庑孤舛?，分析判斷系統(tǒng)的所有功能模塊是否正常工作。如與設(shè)計的功能不符，可利用Proteus仿真實驗平臺提供的虛擬儀器(如萬用表、示波器等)對存在的問題跟蹤定位，

排除硬件和軟件設(shè)計中可能存在的錯誤。

(1)燃?xì)庑孤舛鹊陀谠O(shè)定的閾值；(2)燃?xì)庑孤┑臐舛雀哂谠O(shè)定的閾值

圖4是經(jīng)過軟件、硬件調(diào)試后的燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)仿真運行效果圖。

當(dāng)泄漏的燃?xì)鉂舛鹊陀谠O(shè)定的安全濃度閾值時(仿真調(diào)試時設(shè)計的安全濃度閾值為2.00)，綠色LED燈亮，表示處于安全狀態(tài)，藍(lán)色的LED燈亮表示燃?xì)夤艿篱y門是打開的。七段數(shù)碼管實時顯示當(dāng)前燃?xì)庑孤┑臐舛?由于仿真實驗，傳感器是模擬的，無法進(jìn)行燃?xì)鉂舛鹊臉?biāo)定，數(shù)碼管顯示的是滑動變阻器中間抽頭對地的電壓值)。系統(tǒng)仿真運行的效果如圖4(1)所示。當(dāng)泄漏的燃?xì)鉂舛雀哂陬A(yù)先設(shè)定的安全閾值時，首先CPU將控制切斷燃?xì)忾y門，繼電器斷開，藍(lán)色的LED燈熄滅，接著使紅色LED燈點亮，并通過揚聲器發(fā)出報警聲音，顯示器則顯示發(fā)現(xiàn)泄漏超閾值時刻的燃?xì)庑孤舛戎?同圖4(1)，實際顯示的是電壓值)。系統(tǒng)仿真運行的效果如圖4(2)所示。

3結(jié)論

根據(jù)燃?xì)庑孤秷缶到y(tǒng)的設(shè)計要求，在Proteus仿真軟件平臺上完成了燃?xì)庑孤秷缶到y(tǒng)的仿真設(shè)計與調(diào)試。最終的仿真調(diào)試結(jié)果表明燃?xì)庑孤秷缶到y(tǒng)的電路和軟件設(shè)計是正確的，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計要求。燃?xì)庑孤秷缶到y(tǒng)是典型的物理量測量控制系統(tǒng)，其仿真設(shè)計、調(diào)試及實驗過程對相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆文林，張永祥，張冠芬.智能化多功能物理量測量儀[J].物理實驗，2013，33(12)：9-12.

[2]韓雪，閻焜，袁振中,等.基于STC89C52單片機的測速計設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，2015，28(3)：66-69.

[3]潘勇，孟慶斌.基于DS18B20的多點溫度測量系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008，31(9)：91-94.

[4]黃興洲，薛德寬，劉雪林，等.基于單片機的自供電供暖溫度智能調(diào)控裝置[J].大學(xué)物理實驗，2015，28(2)：73-76.

[5]于博，楊曉慶.基于Keil C51與Proteus仿真聯(lián)合的單片機應(yīng)用研究[J].軟件工程師，2015，18(9)：51-52.

[6]聶茹.基于Proteus的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2012，8(4)：346-350.

[7]張明長.Proteus仿真軟件在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實驗，2012，25(5)：68-71.

Simulation Design and Experiment of Gas Leakage Alarm System

SONG Zhi-ping,YE Liu,YANG Ming

(Anhui University,Anhui Hefei 230601)

Key words：measuring system；simulation design and experiment；control based on SCM；Proteus software

Abstract：The whole process,including the design requirements,design scheme,schematic design and the hardware and software simulation debugging experiment on the Proteus environment,is prevented on the simulation design and experiment of the gas leakage alarm system which is cored by the SCM,which will provide a reference on simulation design and experiment to the other similar physical quantities measuring control system,such as temperature,pressure etc.

收稿日期：2016-01-27

基金項目：安徽大學(xué)2014年省級質(zhì)量工程項目(2014zy007，2014gxk008，2014xnzx002，2014tszy004)；安徽大學(xué)本科教育質(zhì)量提升計劃項目(xjyykc1402，xjtszy1401)

文章編號：1007-2934(2016)03-0027-05

中圖分類號：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.009