基于Proteus的溫控超聲波測距半物理仿真系統設計*

摘要：針對單片機開(kāi)發(fā)學(xué)習過(guò)程中實(shí)物硬件短缺或易損，以及仿真軟件庫中缺少元器件模型，實(shí)驗現象不明顯等問(wèn)題，提出了基于Proteus的半物理電路仿真的設想和方法，即由PC機上的Proteus仿真軟件作為上位機，實(shí)物硬件電路作為下位機，使其互相通訊完成預期的功能。并設計了基于Proteus的溫控超聲波測距半物理仿真系統，用以闡述具體的實(shí)現過(guò)程。設計過(guò)程中發(fā)現實(shí)物硬件與Proteus仿真電路之間可通過(guò)RS-232-C異步串行接口進(jìn)行通信。通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗，發(fā)現傳統的USB串行總線(xiàn)式接口也可實(shí)現通信功能。實(shí)驗表明，此方法能降低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高軟硬件的兼容性，為后續單片機學(xué)習與開(kāi)發(fā)提供了新的參考方向和思路。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；半物理仿真；Proteus；RS-232-C；單片機

*基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（202102198008）：基于建模與半物理仿真的電工電子系列課程實(shí)踐教學(xué)資源開(kāi)發(fā)。

0 引言

目前，在我國無(wú)論是開(kāi)展單片機教學(xué)活動(dòng)、單片機競賽、嵌入式開(kāi)發(fā)還是因為個(gè)人興趣學(xué)習單片機，大多使用市面上已經(jīng)集成好了的單片機開(kāi)發(fā)板或試驗箱進(jìn)行實(shí)驗學(xué)習，其硬件電路固定，存在限制學(xué)習人員進(jìn)行一些具有創(chuàng )新想法的實(shí)驗研究情況，且學(xué)習過(guò)程中會(huì )出現元器件短缺、較貴或易損壞等問(wèn)題。隨著(zhù)計算機科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，各行各業(yè)各領(lǐng)域內都出現了仿真技術(shù)。仿真技術(shù)的出現和發(fā)展極大的節省了開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期 ^[1]。Proteus 正是在這種大環(huán)境下產(chǎn)生并快速發(fā)展的仿真軟件 ^[2]。但 Proteus 仿真同樣存在一定問(wèn)題，例如有的元器件模型軟件庫里沒(méi)有，有的元器件使用麻煩且效果不明顯等。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗發(fā)現使用基于 Proteus 的半物理電路仿真技術(shù)可以解決上述問(wèn)題 , 所謂基于 Proteus 的半物理電路仿真，又稱(chēng)基于 Proteus 的硬件在回路仿真 ^[3]，就是 指通過(guò) PC 機的串口或并口使 Proteus 搭建的虛擬仿真電路和實(shí)際硬件電路進(jìn)行通訊的聯(lián)合仿真 ^[4]。此技術(shù)的最大特點(diǎn)就是將軟件仿真技術(shù)與硬件系統聯(lián)合起來(lái)，簡(jiǎn)化了設計過(guò)程?？梢杂行У募涌煜到y開(kāi)發(fā)的速度和質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，同時(shí)可以提高軟硬件的兼容性 ^[5]。

綜上所述，本文下面將以基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統為例，詳細說(shuō)明基于 Proteus 的半物理電路仿真的實(shí)現過(guò)程。

1 基本原理和設計方案

本文設計了一種基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統，采用超聲波脈沖回波法對目標物體進(jìn)行測量分析，系統整體框架結構如圖 1 所示，整個(gè)系統以 STC89C516 為控制核心，連接有 HC-SR04 超聲波模塊，LCD1602 液晶顯示模塊，無(wú)源蜂鳴器，DS18B20 溫度測量模塊以及發(fā)光二極管等外設。本系統分為由實(shí)物硬件電路組成的下位機和由 Proteus 虛擬仿真電路組成的上位機，兩部分通過(guò) RS-232-C 異步串行接口相連。雖然 51 系列單片機系統內部封裝有通用異步串行收發(fā)器，可以實(shí)現單片機系統與外界的串口通迅 ^[6]。但 TTL 串口電平標準為 +5 V，0 V，RS-232-C 的串口電平標 準為（-3 ~ -15）V,（+3 ~ +15）V^[7]。因此想要使用RS-232-C 異步串行接口將實(shí)物與仿真連接進(jìn)行通信，電路還需搭載 MAX232 電平轉換芯片。具體連接過(guò)程為下位機通過(guò) RS-232-C 異步串行接口與 PC 機接口相連，上位機中的 COMPIM 虛擬接口編號設置為與下位機相連的 PC 機的接口編號。整體系統通過(guò)上位機與下位機之間的相互通信，實(shí)現溫度檢測、超聲波測距及警報功能。

2 電路設計

2.1 下位機電路設計

由于 Proteus 中超聲波模塊和蜂鳴器模塊，與實(shí)物使用存在一定差別，為使實(shí)驗便于操作，實(shí)驗結果更加直觀(guān)，設計如圖 2 所示的下位機電路，該電路搭載有電源模塊、RS-232-C 異步串行接口、蜂鳴器模塊、單片機控制模塊、DS18B20 溫度傳感器、MAX232 電平轉換模塊以及 HC-SR04 超聲波測距模塊?？蓪?shí)現目標距離和環(huán)境溫度的測量，將測量到的信息上傳給上位機進(jìn)行數據處理，并將處理好的數據發(fā)回實(shí)物單片機上，控制警報系統。

2.2 上位機電路設計

在 Proteus 中搭建如圖 3 所示的上位機電路，該部分由 LCD1602 液晶顯示模塊、STC89C516 控制模塊、MAX232 電 平轉換模塊、RS-232-C 模塊以及 LED 狀態(tài)指示模塊組成。由于上位機與下位機通過(guò) RS-232-C 異步串行接口相連，上位機電路的晶振頻率應與實(shí)物電路的晶振頻率相同為 12 MHz。當下位機將測得的數據傳輸給上位機時(shí)，上位機開(kāi)始處理數據，并控制 LCD1602 實(shí)時(shí)顯示目標距離。如果目標距離小于20 cm, 紅色指示燈亮起，并將處理好的數據傳輸給下位機，使下位機發(fā)出警報，否則，綠燈亮起。

圖3 上位機電路圖

3 系統軟件設計

3.1 超聲波測距模塊原理

本實(shí)驗采用型號為 HC-SR04 的超聲波測距模塊，該模塊集成有超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路 , 具有性能高，精度高，盲區小等優(yōu)點(diǎn) ^[8]。其工作時(shí)序圖如圖 4 所示。

當單片機 I/O 口發(fā)送一個(gè)至少 10 μs 以上的高 電平至該模塊的 Trig 控制信號輸入引腳時(shí)，超聲波測距模塊內自動(dòng)發(fā)出 8 個(gè)方波信號，其周期為 40 kHz，同時(shí)檢測是否有返回信號。如果檢測到有信號返回，Echo 回響信號輸出引腳輸出高電平 ^[9]。所測的距離與回響信號的脈沖寬度成正比，因此通過(guò)計算高電平持續的時(shí)間可以計算目標距離。公式如（1）所示

3.2 DS18B20溫度補償模塊

由于環(huán)境溫度對聲速影響較大，聲波在大氣中傳播時(shí)，聲速隨環(huán)境溫度升高而增大，所以該系統在實(shí)際應用中，需要使用溫度補償的方式來(lái)提高測距的精度。本系統采用 DS18B20 測溫模塊檢測環(huán)境溫度。 DS18B20 是一種單總線(xiàn)數字溫度傳感器，主要由配置寄存器、64 位 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL 四個(gè)部分組成 ^[10]。具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強，精度高的特點(diǎn) ^[11]。系統搭載 DS18B20 模塊后可實(shí)時(shí)計算當前環(huán)境溫度下的聲速，以減小測量目標距離時(shí)的誤差。具體公式如（2）所示

3.3 下位機軟件設計

整體系統采用上位機與下位機分別編程的方法，開(kāi)發(fā)環(huán)境為 Keil uVision5，Proteus8.6 版本。下位機電路主程序流程圖如圖 5 所示，系統上電后，先進(jìn)行單片機，定時(shí)器初始化操作，然后啟動(dòng)超聲波模塊和 DS18B20 溫度模塊開(kāi)始測量目標距離及環(huán)境溫度，處理測量數據，將數據發(fā)送給上位機。其中超聲波模塊程序流程圖如圖 6 所示，該模塊上電后先進(jìn)行初始化操作，隨后 Trig 引腳發(fā)出高電平，當模塊接收到回波信號時(shí)，Echo 引腳發(fā)出回響高電平信號，系統開(kāi)始計算目標距離。如果目標距離小于 20 cm, 下位機電路中蜂鳴器響起。

3.4 上位機軟件設計

上位機電路主程序流程圖如圖 7 所示，系統上電后進(jìn)行初始化操作，然后接收下位機發(fā)送的數據，進(jìn)行處理并將目標距離實(shí)時(shí)顯示在 LCD1602 上，當目標距離小于 20 cm 時(shí)紅色 LED 亮起，反之綠色 LED 亮起。要使上位機和下位機之間可以相互通信，需設置相同的波特率，本實(shí)驗波特率為 4 800 bit/s，定時(shí)器工作模式為 16 位。

4 實(shí)驗及結果分析

基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統搭建好后如圖 8 所示，連接好 RS-232-C 異步串行接口后，將上位機與下位機上電啟動(dòng)系統。以 14 cm 為目標初始距離，每次增加 20 cm, 測量 6 組數據，到 114 cm 為止。記錄測量數據，與實(shí)際距離進(jìn)行比對分析，數據如表 1 所示。

從表 1 中可以看出，隨著(zhù)目標距離不斷增大，測量的誤差也在不斷增大，超聲波測距的誤差來(lái)源有很多，例如測量角度，溫度，代碼算法，電路等等。本文重點(diǎn)為介紹基于 Proteus 的半物理電路仿真技術(shù)，且礙于篇幅限制，對誤差不做過(guò)多的分析和探討。

5 結語(yǔ)

本文設計了基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統，介紹了基于 Proteus 的半物理電路仿真技術(shù)的實(shí)現過(guò)程，為后續單片機開(kāi)發(fā)學(xué)習過(guò)程中實(shí)物硬件短缺或易損，以及仿真軟件庫中缺少元器件模型，實(shí)驗現象不明顯等問(wèn)題提供了一個(gè)切實(shí)可行的解決方案。經(jīng)實(shí)驗證明，該技術(shù)簡(jiǎn)化了設計的過(guò)程，提了高軟硬件的兼容性，節約了成本，提高了開(kāi)發(fā)效率，為之后的學(xué)習、開(kāi)發(fā)提供了新思路。由此得出，本設計具有一定的參考和推廣價(jià)值。同時(shí)，實(shí)驗的過(guò)程中發(fā)現傳統 USB 串行總線(xiàn)式接口也可實(shí)現實(shí)物電路與虛擬仿真電路之間的通信。受限于篇幅和本人水平，該半物理仿真系統還存在數據誤差等問(wèn)題，后續可通過(guò)電路濾波，改進(jìn)算法或使用更為精密的超聲波模塊進(jìn)行改進(jìn)。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年8月期)