基于Proteus的多通路温度采集半物理仿真系统设计

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2022KJRH05

0 引言

随着现代工业与科学技术的高速发展，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Proteus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，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。

图1 系统总体框架示意图

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DS18B20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。

图2 下位机电路图

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。

图3 上位机电路图

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。

图4 DS18B20内部结构图

图5 DS18B20工作流程图

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。上位机将处理好的数据与预设温度值进行比较控制下位机报警电路。

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，并控制下位机蜂鸣器报警。

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

5 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.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年7月期）