基于Proteus 的傳感器虛擬仿真實訓平臺設計

王國杰 薛 磊 趙 凱

(邯鄲職業技術學院 計算機系，河北 邯鄲 056005)

引言

Proteus 是Lab Center Electronics 公司開發的系統設計輔助軟件(EDA)，具有仿真嵌入式芯片及其外圍器件的功能，這使其受到廣大嵌入式開發應用者的青睞[1-2]。Proteus 可以幫助開發人員從電子原理圖設計、代碼調試到嵌入式芯片與外圍電路協同仿真，并可最終完成電路的PCB 板設計，從而實現了從概念到產品的完整開發。Proteus 同時也是世界上唯一將電路布圖、PCB 板設計和虛擬仿真三合一的EDA 工具軟件，支持ARM、8086和MSP430等多數嵌入式芯片仿真開發，同時也支持Keil、IAR 和CubeIDE 等多種編譯器[3-4]。

傳感器是一種能夠感受被測量的信息，并把該信息按一定規律變換成電信號或其他信息的測量裝置，按照其基本感知功能可分為熱敏元件、氣敏元件、光敏元件、力敏元件等幾大類。由于傳感器檢測技術是實踐性非常強的一門課程，學生學好這門課程的關鍵在于理論學習和實驗實訓要深度結合。常規的傳感器實訓室多采用電子硬件設備實訓平臺，這就造成了實驗設備的前期投入多、設計局限性大并且維護成本高等一系列問題，并且由于職業院校學生眾多，很難做到一人一臺設備。鑒于這種情況，我們采用了Proteus仿真軟件進行傳感器實訓平臺的研究開發，充分利用該仿真軟件的特點實現了理論教學與實驗實訓相結合的較好的解決方案。

1 系統架構設計

傳感器仿真實訓平臺主要用于對各種被測量的信息進行采集、處理、轉換、存儲和顯示等，其中包括了感知輸入、微處理器控制系統和顯示輸出三部分。感知輸入由各類傳感器、電橋、放大電路、濾波器和調理電路等組成，主要完成被測量信息的采集、放大、調理、轉換和數據輸入等功能；微處理器控制系統由按鍵、微處理器芯片及其外圍電路等組成，完成接口通訊、數據轉換、數據輸出等功能；顯示輸出則由LCD 液晶模塊及驅動電路等組成，用于各類傳感器數據的顯示。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包括傳感器電路和數據處理顯示兩部分，傳感器電路主要由溫度傳感器DS18B20、測距傳感器HCSR04及壓力傳感器MPX4115等8種不同類型傳感器組成，可完成不同類型的物理量采集；數據處理顯示由微處理器AT89C52、按鍵、LCD 屏顯AMPIRE128*64及外圍器件組成，用于完成功能選擇、數據處理和顯示等，其系統硬件仿真平臺如圖1所示。

圖1 傳感器實驗實訓虛擬仿真平臺原理圖

2.1 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是數字信號輸出類型的溫度傳感器，與微處理器采用一線(ONE-WIRE)總線連接，僅需要一條數據線即可完成雙向通訊。支持多點組網模式，最多8個DS18B20可以并聯在唯一的數據線上，從而可實現多點測溫。供電電壓為3.0 V～5.5 V，可通過編程設定分辨率為9～12位，也可根據用戶的需求設置溫度上下限報警值，具有體積小、精度高、功耗低、抗干擾能力強等特點[5-6]。其測溫范圍為-55℃～ +125℃，被廣泛用于工業恒溫控制、民用消費電子產品如溫度計或任何熱敏感系統等領域，硬件連接原理如圖2所示。

圖2 溫度傳感器硬件連接原理及顯示圖

2.2 測距傳感器HCSR04

HCSR04是一款可提供2cm～400cm 非接觸式距離感測功能的超聲波測距模塊，距離測量精度可達3mm。模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路三部分[7]。當超聲波碰到物體界面時會產生反射回波，如果碰到活動物體時能產生多普勒效應。本模塊具有兩個端口，當觸發(Trig)端口發一個10US 以上的高電平，發射器發出超聲波同時回聲(Echo)口輸出高電平，此時立刻打開定時器計時，當接收器接收到回波時回聲(Echo)口變為低電平停止計時，此時定時器的值除以2就為此次聲波通過該距離的時間，波速乘以時間就是與物體之間的距離值，硬件連接原理圖如圖3所示。

圖3 測距傳感器硬件連接原理及顯示圖

2.3 壓力傳感器MPX4115

MPX4115是美國Motorola Inc 生產的集成壓力傳感器，其融合了高水準的微電機技術，采用薄膜鍍金屬設計。MPX4115在測量范圍內可以輸出與所加氣壓呈良好線性關系的高精度模擬電壓值，內部帶有溫度自動補償電路，可以很好地克服半導體壓力敏感器件存在的溫度漂移問題，還能為高水準模擬輸出信號提供一個均衡壓力[8-9]。在 0℃～85℃的溫度下誤差不超過1.5%，溫度補償范圍是 -40℃～ +125℃。由于MPX4115 輸出的是模擬電壓值，因此必須進行 A/D 轉換成數字量后才能交由微處理器處理。

本設計A/D 芯片采用的是ADC0832，這是一種8位分辨率，具有雙通道A/D 轉換芯片，其與MPX4115可同時采用5V 電源供電。其內部電源與參考電壓復用，具有雙數據輸出作為數據校驗，轉換快且穩定性好。具有4條數據線與微處理器接口，分別是CS(片選)、CLK(時鐘)、DO(數據輸出)、DI(數據輸入)。由于DI 端與DO 端并非同時有效，并且與微處理器通信時為雙向接口，因此在電路設計時，DO和DI 可并聯在一起共用一根數據線。MPX4115模擬電壓輸出口連接到ADC0832通道CH0，其硬件連接原理如圖4所示。

圖4 壓力傳感器及A/D 硬件連接原理及顯示圖

2.4 熱電阻PT100

熱電阻PT100是一種電阻值隨溫度上升而近似線性升高的一次元件，其材料是鉑。PT100的工作溫度范圍-200 ℃～ +850 ℃，在該溫度范圍內，它的穩定性和線性相對較好，其原理為接觸溫度在0℃ 時PT100的阻值為100歐姆，當溫度升到100℃時其阻值約為138.5歐姆[10]。其溫度測量由兩部分組成，即熱電阻和信號轉換電路，轉換電路的作用主要是把PT100電阻值的變化轉換成可傳送的標準化輸出信號。

PT100熱電阻按其接線方式分為二線制、三線制和四線制三種。在熱電阻的兩端各用一根導線來把電阻信號引出來的方式稱為二線制，這種引線方法最為簡單，但由于在工業應用中引出的導線距離較遠，這時導線存在的電阻對于測量的結果影響較大，影響的大小主要取決于該導線的材質和長度等因素，二線制引線的方式由于不能消除導線電阻所產生的影響，因此只適合測量精度較低的場合。本仿真實訓平臺采用的就是二線制。三線制是在PT100的一端引出一根導線，另一端引出兩根導線，這種方式通常采用電橋電路，可以較好地消除引線電阻的影響，接線方式相比于四線制要簡單些，是目前工業應用領域中最常用的溫度測量方法，其消除導線電阻的前提是：三根導線材質、線徑和長度必須相同。在熱電阻的兩端各引出兩根導線的方式稱為四線制，這種測量方法能夠完全消除導線電阻的誤差，但由于引出導線較多，在測量中電路連接比較復雜，因此在工業應用中很少采用四線制測量方法，它主要用于高精度的溫度測量場合，如實驗室內進行精密測量。

熱電阻測量信號轉換電路最常用的就是電橋電路，主要包括直流和交流兩種，其作用是把由于溫度變化而產生的電阻變化率ΔR/R 轉換成電壓輸出，然后經過電路放大和調理后通過選擇開關SW1連接到ADC0832通道CH1進行測量。其優點在于可以測量被測物體的微弱變化、電路便于實現及測量精確等。本設計采用的是直流電橋，輸出方式為電壓型，其硬件電路連接原理如圖5所示。

圖5 熱電阻PT100及轉換電路原理圖

2.5 四路傳感器電路設計

本仿真實訓平臺還包括了溫濕度傳感器SHT11、光照傳感器APDS-9002、熱電偶TCK 和粉塵傳感器PPD42等[11]。SHT11是一款經過內部校準的數字信號輸出的溫、濕度傳感器，具有很高的可靠性、穩定性、抗干擾能力強和極低的功耗。SHT11與微處理器通過二線串行數字接口傳輸數據。硬件接口電路設計簡單原理如圖6所示。光照傳感器APDS-9002主要用于檢測光照強度，先將光照強度轉為電壓值，再經簡單的調理電路將該電壓值轉換為ADC0832所需值，通過選擇開關SW1連接到ADC0832通道CH1進行測量，主要用于農林業等溫室大棚對光照強度的檢測等，硬件連接原理如圖6所示。

熱電偶TCK 是工業領域里測量溫度最常用的元件，將溫度信號轉換成熱電動勢信號。特點是裝配簡單、更換方便、精度高及測量范圍廣。其兩端連接到MAX6675輸入端T+和T-， MAX6675是MAXIM 公司的具有線性校正、冷端補償、熱電偶斷線檢測的K 型A/D 轉換器，其溫度分辨能力為12位0.25℃，冷端補償范圍為-20～+80℃，具有低功耗特性，與微處理器接口采用兼容SPI 串口通信，硬件連接如圖6所示。粉塵傳感器PPD42基于光的散射原理，即粉塵在光的照射下會產生散射現象，通過光敏元件把散射的光信號轉換成電壓信號，電信號經過內部調理電路轉換成PWM 方式輸出，微處理器通過計算粉塵濃度值輸出顯示。它可以連續檢測空氣中的1微米以上的粉塵粒子，可廣泛用于空氣凈化器、空氣質量監控儀和清新機等，硬件連接如圖6所示。

圖6 四路傳感器硬件連接原理圖

3 系統軟件設計

仿真實訓平臺采用AT89C52作為微處理器，其開發編譯環境為Keil C51，軟件設計主要包括主程序和各個傳感器測量子程序模塊兩部分。其中主程序模塊完成系統初始化和測量子模塊的選擇功能，傳感器測量子程序模塊主要用于上述8種傳感器實驗參數采集、A/D 轉換、數據換算及顯示等。

3.1 主程序模塊

系統完成基本硬件初始化后，主程序進入到功能選擇界面，在該界面可通過 “上” 和 “下” 按鍵來選擇做何種傳感器測量實驗，字體反顯表示選中該實驗，此時按下 “確認” 按鈕則進入到該實驗子模塊程序中，其主程序流程和顯示界面如圖7所示。

圖7 主程序流程及顯示界面圖

3.2 傳感器測量子程序模塊

本仿真實訓平臺包含8個傳感器測量子程序，在所有子程序中按下 “返回” 按鈕直接返回到功能選擇界面，這樣可進行下一個傳感器測量實驗選擇。在這些子程序中包含了硬件初始化、參數采集、A/D 轉換、數據換算公式及數據輸出顯示等。子程序和A/D 轉換流程如圖8所示。

圖8 子程序和A/D 轉換流程圖

4 仿真效果測試

實驗效果測試是仿真實訓平臺設計的一個重要方面，本系統對該平臺的8個傳感器模塊進行了實驗測試，結果表明該平臺設計簡單實用，能滿足學生對傳感器實驗的要求?，F以壓力傳感器壓力MPX4115實際測量結果為例，記錄在表1中，該傳感器量程為15.3kPa～114.9kPa，分度值為0.1kPa，常溫下誤差不超過1.5%。對比測量值與實際壓力值可知，隨著壓力值降低，誤差相對變大但在量程范圍內，誤差基本滿足設計要求?？偨Y誤差原因大致有3點：1.ADC0832分辨率只有8位，電壓精度為19.53mV 即(5/256)V，相對較低；2.在測量范圍內，壓力與輸出電壓大致呈線性關系，有一定的非線性，其換算公式：電壓 = ((10.0 / 23.0) * ADC0832(0)) + 9.3；3.溫度補償也有一定的誤差。

表1 仿真誤差效果測試表

結論

設計并實現了基于Proteus 的傳感器虛擬仿真實訓平臺，其特點是成本低，沒有場地和器材等條件的限制，可重復操作，改變了以往傳統實驗的教學模式；安全性好，不會因操作不當而發生事故；效率高，可以使學生快速掌握實驗和達到具體目標和要求[12]。本設計通過對系統各個傳感器模塊進行實際測試，結果表明，該平臺設計簡單直觀，可以使學生按照自己的想法來實現傳感器電路的設計，對學生理解理論知識有很大的促進，極大地提高了學生學習的積極性和創造力。