1、 2023.7电子产品世界设计应用Design&Application测试与仿真基于Proteus的多通路温度采集半物理仿真系统设计Proteus-based semi-physical simulation system design for multi-path temperature acquisition苏小祥1，冯 飞2，赵恒2，李国利2（1.上海积塔半导体有限公司，上海201306；2.金陵科技学院机电工程学院，南京211169）摘 要：提出了一种基于Proteus的多通路温度采集半物理仿真系统，详细介绍了基于Proteus的硬件在回路仿真技术的实现过程。该系统利用Proteus软
2、件中的电路仿真功能，将实际硬件电路与仿真电路相结合，实现了对多通路温度采集系统的仿真。经实验证明，该系统具有精度高、实时性好和易于远程分布式测量及定位的优势，提高了温度测量效率。该技术可以有效提高系统开发的效率和质量，简化设计流程，降低开发成本，同时缩短研发周期，增强软硬件之间的兼容性。此外，该系统还为后续相关系统的开发提供了一种新思路，具有较高的实用价值和应用前景。关键词：半物理仿真；Proteus；多通路温度采集；嵌入式基金项目：1.教育部产学合作协同育人项目，项目编号202102198008；2.金陵科技学院科教融合项目项目编号2022KJRH050 引言随着现代工业与科学技术的高速发展
3、,温度已然成为各领域中极为重要的参数之一。温度是反应物体冷热程度的物理量1,温度检测技术在海洋探测、智慧农业、石油化工、航天航空、冶炼金属、电力工业等领域中的应用十分广泛2-3。在各种环境下,温度的精确测量与研究对我们的生产与生活具有重要意义。近年来,各国科研人员在使用 DS18B20 传感器检测温度方面进行了大量的实验与研究4-8。但在开发相关嵌入式系统的过程中,常常会面临一些问题。例如：开发周期长、研发成本高、搭建与调试电路时硬件易损坏等,严重影响开发进度,同时增加了设备管理和维修成本。针对上述问题,本文设计了一种基于 Proteus 的多通路温度采集半物理仿真系统,该系统使用基于 Pro
4、teus的硬件在回路仿真技术,亦称基于 Proteus 的半物理仿真9。通过 PC 机的串口将实物电路与在 Proteus 里搭建的虚拟电路相连,并进行仿真,实现了实物电路与Proteus 虚拟电路之间的数据交换和信号传递。使用该技术,可以有效提高系统开发的效率和质量,简化设计流程,降低开发成本,同时缩短研发周期,增强软硬件之间的兼容性10。整个系统可实现对各点温度的测量和定位,提高了温度测量效率。此外,该系统还为后续相关系统的开发提供了一种新思路,具有较高的实用价值和应用前景。1 设计方案系统的整体结构如图 1 所示,使用 AT89C52 作为核心控制器,连接多路 DS18B20 温度传感器
5、模块,蜂鸣器报警电路,LCD1602 液晶显示模块及 LED 等外设。该系统由下位机和上位机两部分组成,下位机由实物电路构成,上位机由在 Proteus 中的虚拟仿真电路构成,94ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$电子产品世界Design设计应用&Application测试与仿真两者通过 RS232 串口相连,实现对目标温度的检测和报警功能。为了使上、下位机正常通讯,还需在电路中添加 MAX232 芯片,用以实现 TTL 电平与 RS232 电平的相互转换。2 电路设计2.1 下位机电路设计下位机电路如图 2 所示,其主要包括多路 DS18
6、B20温度传感器阵列、RS232 串口、AT89C52 核心控制模块、MAX232 电平转换模块、以及蜂鸣器报警电路等模块。该系统可以实现对目标物体或环境温度的分布式多点测量,将测量到的信息上传给上位机进行数据处理,并接收上位机处理分析好的数据,从而控制报警电路。2.2 上位机电路设计在Proteus中搭建上位机虚拟仿真电路如图3所示,使用 AT89C52 作为核心控制器、连接有 MAX232 电平转换模块、RS232 串口、LCD1602 液晶显示模块以及LED 报警模块。为了实现上位机与下位机之间的通信,上、下位机电路的晶振频率必须相同。当下位机采集到数据并将其传输到上位机时,上位机会接收
7、这些数据并开始进行处理和分析,通过控制 LCD1602 液晶显示器实时显示阵列的温度来反映数据变化。如果目标温度高于预设温度,红色指示灯闪烁,反之,长灭。3 系统软件设计3.1 多路DS18B20测温模块 DS18B20 是一种使用单总线半双工通信方式的高精度数字温度传感器。其内部结构如图 4 所示。可在一根总线上挂载多个 DS18B20 测温模块,实现分布式多点测量,具有成本低、易维护等特点。其工作流程图如图 5 所示。3.2 下位机软件设计下位机的主程序流程图如图 6 所示,系统上电初始化后,多路 DS18B20 温度检测模块开始测量目标温度,并将采集到的数据上传给上位机。上位机将处理好的
8、数据与预设温度值进行比较控制下位机报警电路。图1 系统总体框架示意图 2023.7电子产品世界设计应用Design&Application测试与仿真图2 下位机电路图图3 上位机电路图96ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$电子产品世界Design设计应用&Application测试与仿真图6 下位机主程序流程图3.3 上位机软件设计上位机的主程序流程图如图 7 所示。在上电后,系统会进行初始化操作,并接收下位机上传的数据。接着对这些数据进行处理,并将目标温度实时地显示在LCD1602 上。当目标温度高于设定温度时,红色 LED闪烁,并控制下
9、位机蜂鸣器报警。图4 DS18B20内部结构图图5 DS18B20工作流程图 2023.7电子产品世界设计应用Design&Application测试与仿真图7 上位机主程序流程图4 实验及结果分析基于 Proteus 的多通路温度采集半物理仿真系统如图 8 所示,上电后系统开始实时检测测量目标的温度变化情况,使用工业用热电偶传感器与系统测量的数据进行比较,测得数据如表 1 所示。从表 1 中可以看出测量误差小,结果较为准确。图8 半物理仿真系统运行图表1 测量数据处理表传感器编号系统检测温度值/热电偶检测温度值/121.321.3221.221.1321.121.0421.221.2521.
10、121.2621.121.1721.221.1821.121.15 结束语 本文提出了一种基于 Proteus 的多通路温度采集半物理仿真系统,并详细介绍了基于 Proteus 的硬件在回路仿真技术的实现过程。为传统的嵌入式系统开发流程中存在的开发周期长、研发成本高、搭建与调试电路时硬件易损坏等问题提供了一个新的解决思路。经实验证明,该系统具有精度高、实时性好和易于远程分布式测量及定位的优势,提高了温度测量效率。使用该技术,可以有效提高系统开发的效率和质量,简化设计流程,降低开发成本,同时缩短研发周期,增强软硬件之间的兼容性,具有较高的实用价值和应用前景。参考文献：1 张佳斌,贺庆,张青超.光
11、纤光栅传感器阵列在空间温度场测量中的应用J.激光与红外,2020,50(6):724-728.2 聂鹏程.热电偶对连铸坯表面温度测量的研究D.沈阳:东北大学,2015.3 刘明尧,刘亮,宋涵,等.基于FBG的结构表面温度测量方法研究J.武汉理工大学学报,2020,42(1):80-84.4 汤锴杰,栗灿,王迪,等.基于DS18B20的数字式温度采集报警系统设计J.传感器与微系统,2014,33(3):99-102.5 赵恒,李国利,冯飞,等.基于Proteus半物理仿真的太阳能追踪系统设计J.机电技术,2022(4):25-27.6 叶小乐.基于DS18B20的多点温度采集系统设计J.电子世界,2017(16):100-102.7 冯飞,李国利,赵恒,等.基于Proteus的温控超声波测距半物理仿真系统设计J.电子产品世界,2022,29(8):63-67.8 孔庆霞,朱全银.基于DS18B20的远距离分布式温度数据采集系统J.电子测量技术,2009,32(4):154-156+162.9 刘邹,丁青青.基于Proteus的硬件在回路仿真J.计算机仿真,2009,26(2):312-314+328.10 张劲松.基于Proteus的硬件在回路仿真J.科技信息,2013(25):36-37.
