單片機溫度采集電路的設計與虛擬仿真

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數。其中，溫度控制也越來(lái)越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對各類(lèi)加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制。采用單片機對溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數量。因此，單片機對溫度的控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì )遇到的控制問(wèn)題。

目前應用的溫度檢測系統大多采用由模擬溫度傳感器、多路模擬開(kāi)關(guān)、A／D轉換器及單片機等組成的傳輸系統。這種溫度采集系統需要大量的測溫電纜，才能把現場(chǎng)傳感器的信號送到采集卡上．安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時(shí)線(xiàn)路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也比較大，不利于控制者根據溫度變化及時(shí)做出決定。針對這種情況，本文提出一種采用數字化單總線(xiàn)技術(shù)的溫度采集系統，并利用Proteus和KeilμVision 3軟件對設計電路進(jìn)行綜合虛擬仿真，實(shí)現了溫度實(shí)時(shí)測量和顯示。

1 方案論證

1．1 DS18B20簡(jiǎn)介

DS18B20是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種數字化單總線(xiàn)器件，屬于新一代適配微處理器的改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現9～12位的數字值讀數方式?？梢苑謩e在93．75 ms和750 ms內完成9位和12位的數字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫(xiě)入DS18B20的信息僅需要一根口線(xiàn)(單線(xiàn)接口)讀寫(xiě)，溫度變換功率來(lái)源于數據總線(xiàn)，總線(xiàn)本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。同時(shí)其“一線(xiàn)總線(xiàn)”獨特而且經(jīng)濟的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò )，為測量系統的構建引入了全新的概念。DS18B20“一線(xiàn)總線(xiàn)”數字化溫度傳感器支持“一線(xiàn)總線(xiàn)”接口，測量溫度范圍為-55℃～125℃，在-10～+85℃范圍內，精度為±0．5℃?，F場(chǎng)溫度直接以“一線(xiàn)總線(xiàn)”的數字方式傳輸，用符號擴展的16位數字量方式串行輸出，大大提高了系統的抗干擾性。因此，數字化單總線(xiàn)器件DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現場(chǎng)溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過(guò)程控制、測溫類(lèi)消費電子產(chǎn)品等。它在測溫精度、轉換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面都有了很大的改進(jìn)，給用戶(hù)帶來(lái)了更方便和更令人滿(mǎn)意的效果?？蓮V泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統和大型設備中。

1．2 Proteus和KeilμVision 3簡(jiǎn)介

Proteus是英國Labeenter electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件。Proteus不僅是模擬電路、數字電路、模／數混合電路的設計與仿真平臺，更是目前世界最先進(jìn)、最完整的多種型號微控制器系統的設計與仿真平臺。它真正實(shí)現了在計算機上完成從原理圖設計、電路分析與仿真、單片機代碼級調試與仿真、系統測試與功能驗證到形成PCB的完整電子設計與研發(fā)過(guò)程。Proteus產(chǎn)品系列也包含了革命性的VSM技術(shù)，可以對基于微控制器的設計連同所有的外圍電子器件一起仿真。

KeilμVision 2是Keil公司關(guān)于8051系列MCU的開(kāi)發(fā)工具，可以用來(lái)編譯C源碼、匯編源程序、連接和重定位目標文件和庫文件、創(chuàng )建HEX文件、調試目標程序等，是一種集成化的文件管理編譯環(huán)境。它集成了文件編輯處理、編譯連接、項目管理、窗口、工具引用和軟件仿真調試等多種功能，是相當強大的開(kāi)發(fā)工具。

1．3 Proteus與Keil的連接設置
(1)檢測TCP／IP。
(2)復制Proteus安裝目錄下的MODELS文件夾里的vdm51．dll到keilc／C51／bin目錄。
(3)修改Keil安裝目錄下的tools．ini，添加TDRV4=BIN＼VDM51．DLL。
(4)在Proteus中畫(huà)好原理圖，在“Debug”菜單中選擇“Use Remote Debug Monitor”。
(5)在Keil中打開(kāi)一個(gè)工程，右擊Target1，選擇Op-tions for Target‘Target 1’。在打開(kāi)的對話(huà)框中選擇“De-bug”選項卡，選擇使用Proteus VSM Emulator仿真(如圖1所示)，單擊“Ok”完成Debug設置。

這樣Proteus和Keil就連接好了，仿真結果可以在Pro-teus或者Keil中看到。

2 電路仿真

該電路系統采用“一線(xiàn)總線(xiàn)”數字傳感器DS18B20實(shí)現溫度的采集，采用LM016L液晶顯示器進(jìn)行數據顯示。首先啟動(dòng)Proteus并從Proteus元件庫中選擇需要的元件繪制電路圖并設置相應元件的參數值，接口電路原理圖如圖2所示。

電路繪制完成以后，打開(kāi)KeilμVision 2新建一個(gè)項目，命名為cewen．uv2。選擇Project菜單下的Select Device forTarget選擇AT89C51。然后單擊Project菜單下的Optionfor Target‘Target1’項，選擇Debug，使用Proteus VSM Em-ulator仿真。然后新建一個(gè)源文件cewen．c，寫(xiě)入源程序(只給出讀取溫度函數)：

最后將該源程序文件加入到當前工程項目中進(jìn)行編譯，編譯通過(guò)后單擊Debug菜單下的Start／Stop Debug Ses-sion，這時(shí)切換至Proteus界面會(huì )發(fā)現電路已經(jīng)啟動(dòng)仿真，并可以看到仿真結果。圖3，圖4分別是對溫度傳感器進(jìn)行示波器顯示的接口電路和顯示結果。

3 結論

本文設計了一種新的溫度采集系統，該系統能通過(guò)擴展對多點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢，各個(gè)測試模塊能各自實(shí)現自己的功能。同時(shí)采用Proteus和Keil結合仿真的方法對設計的單片機測溫系統進(jìn)行了虛擬仿真和性能檢測，得到了比較好的仿真結果和分析結果。結果證明采用Proteus和Keil結合仿真的可以大大簡(jiǎn)化硬件電路的設計過(guò)程，可以降低單片機系統的開(kāi)發(fā)成本、提高效率和開(kāi)發(fā)速度，具有很好的實(shí)際應用和指導意義。