基于仿真軟件智能控制戶外晾衣架硬件模塊的設計

宋云 鄒成陽 張浩杰 查昶靖

摘要：基于Multisim和Proteus對多傳感智能控制戶外晾衣架的部分硬件功能進行簡單的仿真模擬。在Multisim和Proteus軟件上主要仿真模擬了控制系統硬件中的雨水傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，光照強度傳感器模塊和電機驅動模塊。通過仿真模擬的過程，了解相應傳感器模塊信號的產生與傳輸，加深對相應傳感器模塊的理解，達到減少實物操作的失誤和器件損耗的目的。

關鍵詞：Multisim;Proteus;傳感器

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0076-03

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1 引言

隨著軟件的發展與進步，現在各種仿真軟件的功能異常強大，幾乎可以滿足各種實驗和開發的仿真模擬需求。在現有的仿真模擬軟件中，各種電子元器件和實驗儀器可以從軟件界面上獲取，數量不限，并且仿真模擬實驗的器材與實物相差不大，因此仿真模擬具有易學易用，工具齊全的特點;同時，軟件中的電子元器件的數值修改方便，可以減少尋找器件和儀器的時間，提高實驗效率;并且，在仿真模擬的過程中，還可以模擬電子元器件的開路、短路、漏電等故障的功能[1]，提前知道相應故障的現象，可以在實物操作時提供一些發現錯誤的思路;除此之外，仿真模擬還具有精度高、無消耗的特點，因此在仿真模擬出需要的結果后，可以提前知道正確結果的表現形式和所需元器件的種類和數量，可以為后續的實物操作提供正確的方向和元器件購買思路，節約時間和經費。

本次模擬仿真用到的是Multisim和Proteus。其中Multisim是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的數字和模擬電路板的設計工作，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有強大的仿真分析能力[2]。通過Multisim和虛擬儀器技術，工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程[3]。

而Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA軟件工具。從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，Proteus真正實現了從概念到產品的完整設計，也是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺[4]。

2 仿真模擬雨水傳感器模塊

本模塊的模擬采用Multisim進行仿真模擬，仿真模擬電路如圖1所示。圖中電路由VCC進行5V供電，同時電路接地，電路中的LED1起到電源指示的作用，當通電時，LED1發光，當停止通電時，LED1熄滅;電阻R4模擬雨水感應部分，當R4感應到雨水時，其電阻減小，使得LM393同相輸入端的電壓下降，當同相輸入端的電壓低于反向輸入端的電壓，LM393輸出低電平，LED2發光，提示接觸到雨水，反之LM393輸出高電平，LED2熄滅;可變電阻R2起到調節電路靈敏度的作用，通過對R2的調節，使得當LM393的反相輸入端的電壓越與沒有雨水時的正向輸入端的電壓接近且不大于正向輸入端的電壓時，該電路對雨水的感應靈敏度越高。

在開始仿真模擬之后，通過調節R4的大小，可以得到示波器1的波形如圖2所示，其中高電平代表沒有雨水落下，LED2熄滅;低電平代表感應到雨水落下，LED2發光。由于電路的輸出只有高電平和低電平，因此當電路輸出端與單片機的I/O口相連時，通過if語句判斷相應I/O口電平的高低來判斷雨水的有無，當if語句判斷出雨水傳感器對應的I/O口的電平為高電平時，不執行電機正轉所在的函數，即電機不轉動;當if語句判斷出雨水傳感器對應的I/O口的電平為低電平時，執行電機所在的正轉函數，進而控制電機進行防雨材料的放出，起到保護衣物的作用。

3 仿真模擬溫濕度傳感器模塊

由于溫濕度傳感器模塊不像雨水傳感器模塊那樣，傳遞的信號只有0和1，溫濕度傳感器模塊需要采集到當前環境的溫濕度值并與事先設定的溫濕度值進行比較并做出判斷，因此本模塊采用Proteus進行仿真模擬，仿真模擬圖如圖3所示。

為了便于仿真模擬的進行，減少工作量，本次采用的控制單元是AT89C51，由于是在Proteus進行仿真模擬，AT89C51已經自帶晶振電路和復位電路，于是AT89C51外圍不再接晶振電路和復位電路;本電路中的DHT11即為溫濕度傳感器，是控制單元AT89C51的數據來源，在仿真模擬的過程中溫濕度數值的改變需要手動進行，通過改變濕度、溫度的模式和數值的加減，實現溫濕度數值的改變，由于DHT11是單總線結構，因此只需單片機AT89C51的一個I/O口即可實現數據的傳輸;LCD1602的作用就是顯示出當前溫濕度傳感器的溫濕度數值，D0-D7連接在單片機AT89C51的P0口，實現地址和數據的傳送，由于LCD1602只顯示單片機AT89C51傳遞給它的數據，而不向單片機傳送數據，因此RW始終接低電平即可，其中LCD1602的引腳功能如表1所示;按鍵S1、S2和S3用于設置進行比較的溫濕度數值;RP1是P0口的上拉電阻。

利用AT89C51讀取溫濕度傳感器DHT11的溫濕度值，并顯示在LCD1602顯示屏上，同時用if語句與事先用按鍵設定好的溫濕度數值進行比較，當濕度大于設定的濕度數值時，控制單元AT89C51執行電機所在的正轉函數，控制支架上相應電機的旋轉，達到防雨材料放出保護衣物的目的。

4 仿真模擬光照強度傳感器模塊

由于需要讀取支架左右和中間的光照強度的數值，因此需要三個光照傳感器，同時因為需要對讀取到的數值進行大小的比較，因此本模塊采用Proteus進行仿真模擬，仿真模擬圖如圖4所示。

由于Proteus軟件中沒有直接提供光照強度的模塊，因此在模擬電路中采用手動改變電阻大小的方式模擬光敏電阻受到光照后阻值的變化，進而帶來分壓大小的變化，通過分壓大小變化的不同，表明受到光照強度大小的不同;由于電阻大小的變化是模擬量，而單片機AT89C51處理數字量更為準確和方便，于是使用ADC0804來實現模擬量到數字量的轉化，其中ADC0804的引腳功能如表2所示;ADC0804左邊的固定電阻和電容的作用是產生A/D轉換時所需的時鐘，其中頻率=1/1.1RC，可變電阻則用來模擬光敏電阻。

在本仿真模擬電路中，可變電阻模擬量的變化通過ADC0804轉化為數字量，轉化后的數字量被單片機AT89C51所接收，在單片機AT89C51接收到三個光照強度的數據后，利用if語句對三個光照強度的數據進行比較判斷，得出光照強度最大的數值，并執行電機轉動函數控制電機旋轉，使得支架轉向光照強度最大的方向，達到快速晾曬衣物的目的。

5 仿真模擬電機驅動模塊

由于是在單片機處理數據之后才控制電機的轉動，于是電機驅動模塊采用Proteus進行仿真模擬[5]，仿真模擬電路如圖5所示。

圖5中有兩個電機和一個L298N，一個L298N剛好可以驅動兩個二相電機，L298N正常工作時需要給ENA和ENB提供高電平，在ENA和ENB為低電平時L298N無法工作;通過控制單片機I/O口電平的高低，可以控制L298N輸入口電平的高低，進而可以控制二相電機的正轉和反轉，電機正反轉和電平的關系如表3所示。

通過單片機對雨水傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，光照強度傳感器模塊數據的接收和處理，通過程序的設定，當雨水的有無，溫濕度的數值，光照強度的數值之間的比較滿足既定條件時，單片機便向電機驅動模塊發送相應的指令，驅動對應的電機進行轉動，完成既定的目標任務。

6 總結

通過使用軟件Multisim和Proteus對智能晾衣架的部分硬件進行仿真模擬，對各個模塊信息的產生與傳輸有了更好的理解，同時注意到了一開始沒有想到的問題，比如LCD1602的使用，可以將相應的單片機接收并處理過的數據顯示出來，讓使用者對當前的環境狀況有更加清楚的認知，有利于使用者正確做出下一步的判斷;同時通過仿真模擬，認識到了L298N能驅動兩個二相電機或者一個四相電機，因此在購買材料時，如果購買的是二相電機，則L298N購買的數量減半，如果購買的是四相電機，則L298N的數量要與四相電機的數量保持一致，為材料的購買提供了方向;同時通過解決仿真模擬時遇到的問題也為實物的操作打下了一些理論基礎，有利于后期實物操作的進行。

參考文獻：

[1] 陳躍華，向啟榮，杜明茜.網絡電子電路仿真實驗室的構建及其教學應用[J].中國現代教育裝備，2008（5）：27-29.

[2] 金有超.基于風力發電的超級電容智能充電及電量檢測設備研究[D].沈陽：東北大學，2011.

[3] 陸運華.電學仿真軟體的現狀與發展[J].電子測試，2007（10）：4-8.

[4] 王超，梁紅梅.虛擬仿真軟件在單片機設計性實驗中的應用[J].高師理科學刊，2015，35（12）：84-87.

[5] 岳東海，顏鵬.直流電機PWM無級調速控制系統設計[J].價值工程，2010，29（2）：135-136.

【通聯編輯：謝媛媛】