單片機溫度采集電路的設計與虛擬仿真

0 引言

在工業(yè)生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制也越來越重要。在工業(yè)生產的很多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而大大提高產品的質量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是工業(yè)生產中經常會遇到的控制問題。

目前應用的溫度檢測系統(tǒng)大多采用由模擬溫度傳感器、多路模擬開關、A／D轉換器及單片機等組成的傳輸系統(tǒng)。這種溫度采集系統(tǒng)需要大量的測溫電纜，才能把現(xiàn)場傳感器的信號送到采集卡上．安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時線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(jù)溫度變化及時做出決定。針對這種情況，本文提出一種采用數(shù)字化單總線技術的溫度采集系統(tǒng)，并利用Proteus和KeilμVision 3軟件對設計電路進行綜合虛擬仿真，實現(xiàn)了溫度實時測量和顯示。

1 方案論證

1．1 DS18B20簡介

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

1．2 Proteus和KeilμVision 3簡介

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(shù)字電路、模／數(shù)混合電路的設計與仿真平臺，更是目前世界最先進、最完整的多種型號微控制器系統(tǒng)的設計與仿真平臺。它真正實現(xiàn)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(tǒng)測試與功能驗證到形成PCB的完整電子設計與研發(fā)過程。Proteus產品系列也包含了革命性的VSM技術，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公司關于8051系列MCU的開發(fā)工具，可以用來編譯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中畫好原理圖，在“Debug”菜單中選擇“Use Remote Debug Monitor”。
(5)在Keil中打開一個工程，右擊Target1，選擇Op-tions for Target‘Target 1’。在打開的對話框中選擇“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(tǒng)采用“一線總線”數(shù)字傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度的采集，采用LM016L液晶顯示器進行數(shù)據(jù)顯示。首先啟動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(shù)值，接口電路原理圖如圖2所示。

電路繪制完成以后，打開KeilμVision 2新建一個項目，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。然后新建一個源文件cewen．c，寫入源程序(只給出讀取溫度函數(shù))：

最后將該源程序文件加入到當前工程項目中進行編譯，編譯通過后單擊Debug菜單下的Start／Stop Debug Ses-sion，這時切換至Proteus界面會發(fā)現(xiàn)電路已經啟動仿真，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(tǒng)，該系統(tǒng)能通過擴展對多點溫度進行實時巡檢，各個測試模塊能各自實現(xiàn)自己的功能。同時采用Proteus和Keil結合仿真的方法對設計的單片機測溫系統(tǒng)進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化硬件電路的設計過程，可以降低單片機系統(tǒng)的開發(fā)成本、提高效率和開發(fā)速度，具有很好的實際應用和指導意義。