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        基于Proteus的多通路溫度采集半物理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2023-08-02 08:33:10蘇小祥趙恒等
        電子產(chǎn)品世界 2023年7期
        關(guān)鍵詞:嵌入式

        蘇小祥 馮 飛 趙恒等

        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(xì)介紹了基于Proteus的硬件在回路仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)利用Proteus軟件中的電路仿真功能,將實(shí)際硬件電路與仿真電路相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對多通路溫度采集系統(tǒng)的仿真。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性好和易于遠(yuǎn)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(jì)流程,降低開發(fā)成本,同時(shí)縮短研發(fā)周期,增強(qiáng)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(shí)用價(jià)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(xiàng)目:1.教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目,項(xiàng)目編號202102198008;2.金陵科技學(xué)院科教融合項(xiàng)目項(xiàng)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(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)硬件易損壞等,嚴(yán)重影響開發(fā)進(jìn)度,同時(shí)增加了設(shè)備管理和維修成本。

        針對上述問題,本文設(shè)計(jì)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(jī)的串口將實(shí)物電路與在Proteus 里搭建的虛擬電路相連,并進(jìn)行仿真,實(shí)現(xiàn)了實(shí)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(jì)流程,降低開發(fā)成本,同時(shí)縮短研發(fā)周期,增強(qiáng)軟硬件之間的兼容性[10]。整個(gè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對各點(diǎn)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(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

        1 設(shè)計(jì)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(bào)警電路,LCD1602 液晶顯示模塊及LED 等外設(shè)。

        該系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成,下位機(jī)由實(shí)物電路構(gòu)成,上位機(jī)由在Proteus 中的虛擬仿真電路構(gòu)成,兩者通過RS232 串口相連,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)溫度的檢測和報(bào)警功能。為了使上、下位機(jī)正常通訊,還需在電路中添加MAX232 芯片,用以實(shí)現(xiàn)TTL 電平與RS232 電平的相互轉(zhuǎn)換。

        2 電路設(shè)計(jì)

        2.1 下位機(jī)電路設(shè)計(jì)

        下位機(jī)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(bào)警電路等模塊。

        該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體或環(huán)境溫度的分布式多點(diǎn)測量,將測量到的信息上傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并接收上位機(jī)處理分析好的數(shù)據(jù),從而控制報(bào)警電路。

        2.2 上位機(jī)電路設(shè)計(jì)

        在Proteus 中搭建上位機(jī)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(bào)警模塊。為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信,上、下位機(jī)電路的晶振頻率必須相同。當(dāng)下位機(jī)采集到數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)時(shí),上位機(jī)會接收這些數(shù)據(jù)并開始進(jìn)行處理和分析,通過控制LCD1602 液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示陣列的溫度來反映數(shù)據(jù)變化。如果目標(biāo)溫度高于預(yù)設(shè)溫度,紅色指示燈閃爍,反之,長滅。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        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。可在一根總線上掛載多個(gè)DS18B20 測溫模塊,實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)測量,具有成本低、易維護(hù)等特點(diǎn)。其工作流程圖如圖5 所示。

        3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

        下位機(jī)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(biāo)溫度,并將采集到的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。上位機(jī)將處理好的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度值進(jìn)行比較控制下位機(jī)報(bào)警電路。

        3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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

        4 實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)檢測測量目標(biāo)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(jìn)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(zhǔn)確。

        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(xì)介紹了基于Proteus 的硬件在回路仿真技術(shù)的實(shí)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(shí)硬件易損壞等問題提供了一個(gè)新的解決思路。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)具有精度高、實(shí)時(shí)性好和易于遠(yuǎn)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(jì)流程,降低開發(fā)成本,同時(shí)縮短研發(fā)周期,增強(qiáng)軟硬件之間的兼容性,具有較高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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