基于Proteus的多通路溫度采集半物理仿真系統設計

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，詳細介紹了基于Proteus的硬件在回路仿真技術的實現過程。該系統利用Proteus軟件中的電路仿真功能，將實際硬件電路與仿真電路相結合，實現了對多通路溫度采集系統的仿真。經實驗證明，該系統具有精度高、實時性好和易于遠程分布式測量及定位的優勢，提高了溫度測量效率。該技術可以有效提高系統開發的效率和質量，簡化設計流程，降低開發成本，同時縮短研發周期，增強軟硬件之間的兼容性。此外，該系統還為后續相關系統的開發提供了一種新思路，具有較高的實用價值和應用前景。

關鍵詞：半物理仿真；Proteus；多通路溫度采集；嵌入式

基金項目：1.教育部產學合作協同育人項目，項目編號202102198008；

                  2.金陵科技學院科教融合項目項目編號2022KJRH05

0 引言

隨著現代工業與科學技術的高速發展，溫度已然成為各領域中極為重要的參數之一。溫度是反應物體冷熱程度的物理量^[1]，溫度檢測技術在海洋探測、智慧農業、石油化工、航天航空、冶煉金屬、電力工業等領域中的應用十分廣泛^[2-3]。在各種環境下，溫度的精確測量與研究對我們的生產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行了大量的實驗與研究^[4-8]。但在開發相關嵌入式系統的過程中，常常會面臨一些問題。例如：開發周期長、研發成本高、搭建與調試電路時硬件易損壞等，嚴重影響開發進度，同時增加了設備管理和維修成本。

針對上述問題，本文設計了一種基于Proteus 的多通路溫度采集半物理仿真系統，該系統使用基于Proteus的硬件在回路仿真技術，亦稱基于Proteus 的半物理仿真^[9]。通過PC 機的串口將實物電路與在Proteus 里搭建的虛擬電路相連，并進行仿真，實現了實物電路與Proteus虛擬電路之間的數據交換和信號傳遞。使用該技術，可以有效提高系統開發的效率和質量，簡化設計流程，降低開發成本，同時縮短研發周期，增強軟硬件之間的兼容性^[10]。整個系統可實現對各點溫度的測量和定位，提高了溫度測量效率。此外，該系統還為后續相關系統的開發提供了一種新思路，具有較高的實用價值和應用前景。

1 設計方案

系統的整體結構如圖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，蜂鳴器報警電路，LCD1602液晶顯示模塊及LED等外設。該系統由下位機和上位機兩部分組成，下位機由實物電路構成，上位機由在Proteus 中的虛擬仿真電路構成，兩者通過RS232 串口相連，實現對目標溫度的檢測和報警功能。為了使上、下位機正常通訊，還需在電路中添加MAX232 芯片，用以實現TTL 電平與RS232 電平的相互轉換。

圖1 系統總體框架示意圖

2 電路設計

2.1 下位機電路設計

下位機電路如圖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電平轉換模塊、以及蜂鳴器報警電路等模塊。該系統可以實現對目標物體或環境溫度的分布式多點測量，將測量到的信息上傳給上位機進行數據處理，并接收上位機處理分析好的數據，從而控制報警電路。

圖2 下位機電路圖

2.2 上位機電路設計

在Proteus 中搭建上位機虛擬仿真電路如圖3 所示，使用AT89C52 作為核心控制器、連接有MAX232 電平轉換模塊、RS232串口、LCD1602液晶顯示模塊以及LED報警模塊。為了實現上位機與下位機之間的通信，上、下位機電路的晶振頻率必須相同。當下位機采集到數據并將其傳輸到上位機時，上位機會接收這些數據并開始進行處理和分析，通過控制LCD1602 液晶顯示器實時顯示陣列的溫度來反映數據變化。如果目標溫度高于預設溫度，紅色指示燈閃爍，反之，長滅。

圖3 上位機電路圖

3 系統軟件設計

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字溫度傳感器。其內部結構如圖4所示。可在一根總線上掛載多個DS18B20測溫模塊，實現分布式多點測量，具有成本低、易維護等特點。其工作流程圖如圖5所示。

圖4 DS18B20內部結構圖

圖5 DS18B20工作流程圖

3.2 下位機軟件設計

下位機的主程序流程圖如圖6所示，系統上電初始化后，多路DS18B20 溫度檢測模塊開始測量目標溫度，并將采集到的數據上傳給上位機。上位機將處理好的數據與預設溫度值進行比較控制下位機報警電路。

圖6 下位機主程序流程圖

3.3 上位機軟件設計

上位機的主程序流程圖如圖7所示。在上電后，系統會進行初始化操作，并接收下位機上傳的數據。接著對這些數據進行處理，并將目標溫度實時地顯示在LCD1602上。當目標溫度高于設定溫度時，紅色LED閃爍，并控制下位機蜂鳴器報警。

圖7 上位機主程序流程圖

4 實驗及結果分析

基于Proteus的多通路溫度采集半物理仿真系統如圖8所示，上電后系統開始實時檢測測量目標的溫度變化情況，使用工業用熱電偶傳感器與系統測量的數據進行比較，測得數據如表1所示。從表1中可以看出測量誤差小，結果較為準確。

圖8 半物理仿真系統運行圖

表1 測量數據處理表

5 結束語

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，并詳細介紹了基于Proteus 的硬件在回路仿真技術的實現過程。為傳統的嵌入式系統開發流程中存在的開發周期長、研發成本高、搭建與調試電路時硬件易損壞等問題提供了一個新的解決思路。經實驗證明，該系統具有精度高、實時性好和易于遠程分布式測量及定位的優勢，提高了溫度測量效率。使用該技術，可以有效提高系統開發的效率和質量，簡化設計流程，降低開發成本，同時縮短研發周期，增強軟硬件之間的兼容性，具有較高的實用價值和應用前景。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）