基于Proteus的溫度測(cè)控系統(tǒng)仿真研究

鐘珊，尹斌

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100）

溫度一直與人類的活動(dòng)息息相關(guān)。無論是日常生活中，還是工農(nóng)業(yè)控制過程中，溫度都是重要的被控對(duì)象之一，準(zhǔn)確的溫度測(cè)量和及時(shí)的溫度控制對(duì)人類的生存發(fā)展有著重要作用。然而，在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)溫度測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)溫電路的電磁環(huán)境非常惡劣，各種干擾產(chǎn)生的測(cè)量誤差嚴(yán)重影響了測(cè)量的精度。本文所提供的基于單片機(jī)的數(shù)字溫度測(cè)控系統(tǒng)可以很好的規(guī)避這些缺點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為系統(tǒng)開發(fā)的核心器件。單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，調(diào)試過程一般分為軟件調(diào)試、硬件測(cè)試、系統(tǒng)調(diào)試3個(gè)過程[1]。通常軟件調(diào)試一般比較容易進(jìn)行，但硬件測(cè)試和系統(tǒng)調(diào)試必須在電路板制作完成、元器件焊接完畢之后才能進(jìn)行，比較麻煩。本文設(shè)計(jì)了基于51單片機(jī)的實(shí)時(shí)溫度測(cè)控和顯示系統(tǒng)，應(yīng)用Keil C51和單片機(jī)系統(tǒng)仿真軟件Proteus結(jié)合來實(shí)現(xiàn)這三個(gè)過程，不用制作具體的電路板即可完成各模塊的調(diào)試工作，充分提高開發(fā)效率、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)速度。

1 Proteus簡(jiǎn)介

Proteus軟件是是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)[2]。它來自英國LabcenterElectronics公司，基于SPICE3F 5仿真引擎的混合電路仿真軟件，是一款含有大量的系統(tǒng)資源、豐富的硬件接口電路，具有強(qiáng)大的調(diào)試功能和軟硬件相結(jié)合的仿真系統(tǒng)。它很好地解決了硬件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試的問題，不僅能夠仿真模擬、數(shù)字電路以及模數(shù)混合電路，還能夠仿真基于單片機(jī)的電子系統(tǒng)。Proteus自身只帶匯編編譯器，不支持C語言，但可以與Keil C51集成開發(fā)環(huán)境連接，將用匯編和C語言編寫的程序編譯好之后，可以立即進(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真，像使用仿真器一樣來調(diào)試程序。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

基于PROTEUS，設(shè)計(jì)了一種用功能豐富的單片機(jī)數(shù)字溫度測(cè)控系統(tǒng)，如圖1所示，單片機(jī)通過時(shí)鐘模塊讀取當(dāng)前時(shí)間，通過P1.0、P1.1、P1.2 3個(gè)I/O口連接按鍵，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)間的調(diào)整和報(bào)警溫度的設(shè)定，主控模塊中單片機(jī)通過溫度測(cè)量模塊采集被控對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度，當(dāng)溫度大于設(shè)定的溫限時(shí)啟動(dòng)過溫報(bào)警功能，并使溫控模塊工作，并將當(dāng)前時(shí)間和實(shí)時(shí)溫度在液晶模塊上顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of system

在充分考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性的前提下，為實(shí)現(xiàn)低成本的目標(biāo)，本系統(tǒng)選擇了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的AT89C51單片機(jī)為控制核心，溫度測(cè)量模塊選擇美國Dallas公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它只有三根引腳，應(yīng)用比文獻(xiàn)[3]中的MAX6675更加方便。顯示模塊中，在文獻(xiàn)[4-5]中都是簡(jiǎn)單地使用數(shù)碼管顯示，本設(shè)計(jì)考慮到溫度的實(shí)時(shí)性，為將本系統(tǒng)便利的嵌入到其他的主系統(tǒng)中去，本設(shè)計(jì)中選擇了LM016L（2行×16列）顯示，分行顯示時(shí)間和溫度。溫度控制模塊由電機(jī)模擬，在Proteus中建立系統(tǒng)電路模型如圖2所示。

2.1 溫度測(cè)量模塊

本設(shè)計(jì)中在溫度測(cè)量模塊中使用的是DS18B20。它是美國Dallas公司繼DS1820之后推出的增強(qiáng)型單總線數(shù)字溫度傳感器，在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有很大的改進(jìn)。采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成的溫度測(cè)控系統(tǒng)，不僅可以克服傳統(tǒng)溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度低、外圍硬件電路復(fù)雜、可靠性較低等缺點(diǎn)，該模塊還具有測(cè)溫簡(jiǎn)單、精度高、連接方便[6]等優(yōu)點(diǎn)。選用DS18B20經(jīng)濟(jì)方便實(shí)用，為本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本高可靠性的目標(biāo)帶來了極大的方便。

DS18B20工作電壓為3-5 V，測(cè)量溫度范圍為－55～+125℃，用戶設(shè)置的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在芯片內(nèi)部EEPROM中，可掉電保護(hù)。DS18B20的使用十分簡(jiǎn)易，它只有3個(gè)引腳，其中兩根是電源線VDD和GND，另外1根用作總線DQ，其輸出和輸入均是數(shù)字信號(hào)且與TTL電平兼容，可以與微處理器直接進(jìn)行接口。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖Fig.2 The system of the circuit principle diagram

DS18B20的供電很靈活，可使用DC3.0-5.5 V外部供電，也可以采用寄生取電模式供電，即把電源端和地端短路接地而在數(shù)據(jù)通訊線上寄生取電[7]。當(dāng)采用外部電源供電方式時(shí)，GND腳接地，VCC腳接電源，DQ腳作為信號(hào)端接單片機(jī)I/O口，電源腳和DQ腳間還需要外接一個(gè)約4.7 kΩ的上拉電阻，保證總線閑置時(shí)其狀態(tài)為高電平。本設(shè)計(jì)中采用的是外電源供電方式。

在本系統(tǒng)中DS18B20將所采集到的溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過DQ直接傳送至單片機(jī)，單片機(jī)從而啟動(dòng)程序存儲(chǔ)器中的控制程序，驅(qū)動(dòng)LM016L顯示溫度值。

2.2 溫控模塊

在此模塊中，如圖2所示，將P1.4口接LED-RED，P3.5口接一個(gè)SOUNDER，P3.7口通過一個(gè)光耦三極管連接控溫電機(jī)，當(dāng)溫度大于設(shè)定值時(shí)，給各I/O口賦值，驅(qū)動(dòng)模擬控溫模塊的電機(jī)工作。

2.3 時(shí)鐘和顯示模塊

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中使用了DS1302串行時(shí)鐘電路，與單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7進(jìn)行通信。通過時(shí)鐘模塊，可以在液晶上顯示實(shí)時(shí)時(shí)間的溫度狀態(tài)，可以很好的嵌入到其他的主系統(tǒng)中去，增強(qiáng)了本系統(tǒng)的實(shí)用性。

系統(tǒng)采用LM016L液晶屏顯示，第一行顯示時(shí)間，設(shè)定格式為“time時(shí)：分：秒”，第二行顯示報(bào)警溫度和測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度，設(shè)定格式為“SET：溫限 T：實(shí)時(shí)溫度”。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電路是在程序的控制下，完成溫度測(cè)量、顯示和超限報(bào)警等功能的。軟件設(shè)計(jì)由主程序和這幾個(gè)子程序組成。溫度測(cè)量模塊中，單片機(jī)可以通過DS18B20的DQ接口直接進(jìn)行訪問，其工作流程為：對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化→ROM操作命令→存儲(chǔ)器操作命令→數(shù)據(jù)處理。主CPU對(duì)ROM操作完畢后即發(fā)出控制操作命令，使DS18B20完成溫度測(cè)量并將測(cè)量結(jié)果存入高速暫存器中，然后讀出此結(jié)果，顯示在液晶屏上，并與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，當(dāng)需要進(jìn)行溫度控制時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警與控溫模塊。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart of software

4 Proteus仿真結(jié)果

在Proteus建立模型如圖2所示，將Keil C51編譯無錯(cuò)誤的hex文件添加到AT89C51單片機(jī)中，在程序中設(shè)定溫限為15℃，從圖中可以清晰的看見液晶屏上分行顯示的時(shí)間和實(shí)時(shí)溫度。通過 DS18B20上的“＋”、“－”調(diào)節(jié)當(dāng) DS18B20傳送的溫度為15.6℃時(shí)，所設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)需要進(jìn)行溫度控制，液晶顯示模塊如圖4所示，燈光報(bào)警的紅色LED燈會(huì)被點(diǎn)亮，如圖5所示，仿真時(shí)能夠聽到聲音報(bào)警的SOUNDER的聲音。如圖6所示，控制電機(jī)的開關(guān)已經(jīng)從12 V電源RL1切換到220 V電源，系統(tǒng)處于溫度控制模式。

圖4 液晶顯示Fig.4 Liquid crystal display

圖5 燈光報(bào)警Fig.5 Light alarm

圖6 溫控模式Fig.6 Temperature control mode

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了以AT89C51為控制核心、DS18B20采集溫度，LM016L顯示的實(shí)時(shí)溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)，相對(duì)于常見的溫度測(cè)量系統(tǒng)，嵌入了時(shí)鐘顯示模塊，具有成本低、可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、具有很好的可擴(kuò)展性。通過Proteus聯(lián)合Keil C51仿真，得到了很好的效果，本系統(tǒng)完全可以嵌入電冰箱，空調(diào)，電飯鍋等常用家電上，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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