基于PROTEUS的单片机多路温度采集系统的仿真设计

维普资讯 http://www.cqvip.com №．５　陕西科技大学学报　０Ｃｔ．２００７　・８４・　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＡＮＸＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．２５　文章编号：１０００—５８１１（２００７）ｏ５—００８４—０４　基于ＰＲｏＴＥＵＳ的单片机多路温度采集系统　的仿真设计　王红仓，张俊涛　（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安　７１００２１）　摘　要：介绍了ＰＲＯＴＥＵＳ软件以及基于ＰＲＯＴＥＵＳ进行单片机系统开发的过程，并在　ＰＲＯＴＥＵＳ环境下完成了基于ＤＳ１８Ｂ２０的多路温度采集系统的仿真设计．该系统可以完成温　度的测量和显示、向上位机传送数据以及限报警等多种功能．本研究证明，在ＰＲＯＴＥＵＳ环境　下可以完成单片机系统的硬件设计和软件调试，测试系统的性能，在实际应用中可以降低设计　成本，缩短开发周期，提高效率．　关键词：ＰＲＯＴＥＵＳ；ＤＳ１８Ｂ２０；单片机　中图分类号：ＴＰ２１２．１１　文献标识码：Ａ　０　引言　随着微电子技术的迅猛发展，单片机在汽车、通信、办公自动化、工业控制、高级玩具、家用电器等方　面都得到了广泛的应用．单片机作为嵌入式系统的核心器件，其系统设计包括硬件电路设计和程序设计　两个方面，调试过程一般分为软件调试、硬件测试、系统调试３个过程．软件调试一般比较容易进行，但如　果要进行硬件电路测试和系统调试则比较麻烦，因为要进行这两个过程必须在电路板制作完成、元器件　焊接完毕之后进行，而且电路板的制作、元器件的安装及焊接费时费力．如果将ＰＲＯＴＥＵＳ作为单片机系　统仿真工具，则不用制作电路板也能够完成以上工作．毫无疑问，在使用ＰＲＯＴＥＵＳ进行系统虚拟开发　成功之后再制作电路板，会缩短开发周期，提高设计效率，降低开发成本，这些因素对于产品设计是非常重　要的．　１　ＰＲＯＴＥＵＳ简介　ＰＲＯＴＥＵＳ是基于ＳＰＩＣＥ３Ｆ５仿真引擎的混合电路仿真软件，不仅能够仿真模拟、数字电路以及模数　混合电路，更具特色的是ＰＲＯＴＥＵＳ能够仿真基于单片机的电子系统．ＰＲＯＴＥＵＳ不但完全支持　ＭＣＳ一５１及其派生系列单片机的设计系统，另外也能仿真基于ＡＶＲ和ＰＩＣ系列的单片机系统．ＰＲＯ—　ＴＥＵＳ软件可提供的模拟和数字、交流和直流等元器件库多达３０多个，共计数千种元器件。此外，对于　元件库中没有的器件，使用者也可依照需要自己创建．在软件调试方面，ＰＲＯＴＥＵＳ自身只带汇编编译　器，不支持Ｃ语言，但可以与Ｋｅｉｌ　Ｃ５１集成开发环境连接，将用汇编和Ｃ语言编写的程序编译好之后，　可以立即进行软、硬件结合的系统仿真，像使用仿真器一样来调试程序　］．　２硬件方案设计　．　本设计中以ＤＳ１８Ｂ２０为传感器、ＡＴ８９Ｃ５１单片机为控制核心组成多点温度测试系统，如图１所示，　＋收稿日期：２００７—０４—２７　作者简介：王红仓（１９８１一），男，陕西省合阳县人，在读硕士生，研究方向：工业过程智能控制　维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期　王红仓等：基于ＰＲＯＴＥＵＳ的单片机多路温度采集系统的仿真设计　・８５・　该系统包括传感器电路、键盘与显示电路、串口通信电路等组成部分．　图１硬件仿真图　２．１传感器部分　ＤＳ１８Ｂ２０是一种数字化的温度传感器，数据输出９～１２位可以通过编程进行选择．当选用１２位输出　时，最大温度转换时间为７５０　ｍｓ．该器件采用单线通讯，可以允许在通讯总线上级联多个ＤＳ１８Ｂ２０器件，　所以很适合多点测温．在ＤＳ１８Ｂ２０片内设有报警单元，用户可以定义报警的上下限．在完成温度转换后，　与贮存在寄存器中的用户补码触发报警ＴＨ值和ＴＬ值进行比较而触发报警．为了适应不同场合的测温　要求，ＤＳ１８Ｂ２０采用３种封装形式，即ＴＯ－２９２、８脚ＳＯ、８脚ｇＳＯＰ．ＴＯ－２９２可用于远距离测温，后两种　可安装于仪器设备的内部，用于环境温度监测或室内温度监测等．该器件的供电也很灵活，可使用　ＤＣ３．０　Ｖ～５．５　Ｖ外部供电，也可以采用寄生取电模式供电，即把电源端和地端短路接地而在数据通讯　线上寄生取电．此外，ＤＳ１８Ｂ２０还有应用简单无需任何外围元件、测温范围广（一５５℃～＋１２５℃）、测温精　度高（一１０℃～＋８５℃范围内精度±０．５℃）等特点，可以应用于恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计　以及其他热敏感系统［２］。　ＤＳ１８Ｂ２０的内部结构如图２所　示，主要包括寄生电源电路、６４位只　ｌ７ｋ　寄生取电电路　●叫内存控制逻辑ＩＩ　－　ｌ　　‘　读存储器（ＲＯＭ）和单线接口、存储器　ＤＱ　ＲＯＭ中的６４　＋ｒ叫　壤发传锄Ｉ褥　ＧＮＤ　，　位序列号　温　和控制逻辑、存放中间数据的高速暂　内都ＶＤＤ　存存储器、温度传感器、报警上限寄存　占　上　ｊ　ｌ供电感ｆ　，　ＶＤＤ　单线接口　——１—１　ｔ．卜１－．＇１Ｉ温度上限报警ｒ（ＥＥＰＲＯＭ）　Ｌ　器ＴＨ、报警下限寄存器ＴＬ、配置寄　一Ｉ燮器ｌ　－．．　艘黼器　存器和８位ＣＲＣ（循环冗余校验码）发　（ＥＥＰＲＯＭ）生器．ＤＳ１８Ｂ２０的核心是其数字温度　传感器，精度可以通过用户编程配置　图２　ＤＳ１８Ｂ２０的内部结构图　为９、１０、ＩＩ和１２位，其分别对应于０．５℃、ｏ．２５℃、ｏ．１２５℃和０．０６２　５℃，可以满足各种不同的分辨率要　求．开始一次温度转换时，微处理器需要向ＤＳ１８Ｂ２０发出Ｃｏｎｖｅｒｔ　Ｔ指令．转换完成之后，该温度数据存　维普资讯 http://www.cqvip.com

・８６・　陕西科技大学学报　第２５卷　放在高速暂存存储器的温度寄存器中，占用２字节，并且ＤＳ１８Ｂ２０返回到空闲状态．当ＤＳ１８Ｂ２０采用外　部供电方式时，主机可以在发送温度转换指令后发起一次读时隙．若此时该ＤＳ１８Ｂ２０已经完成温度转换，　它将会返回“１”，否则返回“０”．　２．２　测温部分　本部分采用将ＤＳ１８Ｂ２０的Ｉ／Ｏ数据线与８９Ｃ５１单片机Ｐ３．３、Ｐ３．４、Ｐ３．５、Ｐ３．６口线相连，用４只　ＤＳ１８Ｂ２０同时测量４路温度（视实际需要还可扩展通道数）实现多点温度检测．ＤＳ１８Ｂ２０只有３个引脚，　其中两根是电源线ＶＤＤ和ＧＮＤ（本设计中采用外部电源供电方式），另外１根用作总线ＤＱ，其输出和　输入均是数字信号且与ＴＴＬ电平兼容，因此可以与微处理器直接进行接口［３］．主ＣＰＵ经过单线接口访　问ＤＳ１８Ｂ２０的工作流程为：对ＤＳ１８Ｂ２０进行初始化一Ｒ０Ｍ操作命令一存储器操作命令一数据处理．　主ＣＰＵ对ＲＯＭ操作完毕后即发出控制操作命令，使ＤＳ１８Ｂ２０完成温度测量并将测量结果存入高速暂　存器中，然后读出此结果．　２．３键盘与显示部分　本设计采用式键盘和液晶显示．键盘用来设置上限与下限的温度报警，字符液晶用来显示通道　号、该通道的温度和所设置的上下限温度．使用液晶显示更加形象，而且抗干扰能力强，便于以后扩展．当　运行ＰＲＯＴＥＵＳ软件时，从液晶屏可以清楚的看到所采集到的温度值、通道号和上下限报警．　２．４　串口通信　系统通过串口与上位及通信，可以实时向上位机传送温度值．实物中通过ＲＳ２３２总线与计算机连接，　接受数据界面由ＶＢ编写．当运行ＰＲＯＴＥＵＳ软件时，可以从虚拟终端看到上位机接收到的４个通道的　温度值循环．　系统仿真软件流程图如图３所示．　开始　调初始化予程序　瑟塞机传＼／　送数据／　　萄五　＋Ｙ　采集温度　键盘扫描予程序　数据正常否≥—二＼正　／多　　二二［　．二　Ｙ　调液晶显示予程序　—　＝一＿一　图３　系统仿真软件流程图　图４　虚拟终端接受窗口　３软件电路设计　单片机编程在开机之初，主程序先对系统进行初始化，然后采集４路温度信号，并在液晶屏上循环显　示，同时液晶屏还显示报警温度极限（上、下限），默认上限为１１０℃，下限为一２Ｏ℃．其中上下限温度可以　通过键盘来修改，按ＴＨ　键则上限报警加１，反之按ＴＨ一键上限报警减１；按ＴＬ　键下线报警加１，ＴＬ一　键下线报警则减１．测温过程是主机在测温时间把当前通道号发送给从机，从机采集好温度后把温度数据　发送回主机，主机接收到后在液晶屏上显示当前通道测温数据，并判别是否报警，如果报警则蜂鸣器给出　信号，同时把通道号、温度发送给上位机，完成一个通道的温度数据采集处理，然后进行下一个数据的采集　及处理，如此循环往复．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　３．１软硬联合调试　王红仓等：基于ＰＲＯＴＥＵＳ的单片机多路温度采集系统的仿真设计　・　８７　・　整个软件通过ｃ语言编程，先在Ｋｅｉｌ　Ｃ５１集成开发环境下将编好的程序进行编译、调试，调试通过后　会生成ＤＳ１８Ｂ２０．ＨＥＸ文件．运行ＰＲＯＴＥＵｓ模拟仿真软件，打开已绘制好的仿真电路原理图，选中单片　机ＡＴ８９Ｃ５１，左键点击ＡＴ８９Ｃ５１，出现对应的对话框，在Ｐｒｏｇｒａｍ　Ｆｉｌｅ中找到编译好的“ＤＳ１８Ｂ２０．ＨＥＸ”　文件，然后点击“ＯＫ”就可以进行仿真了．点击模拟调试按钮的运行按钮，进入调试状态，此时可以看到液　晶屏循环显示所采集到的温度值、通道号和上下限报警，同时在虚拟终端上也可以看到上位机接收到的数　据，图４为虚拟终端接受到的数据窗口＿４］．　４结束语　本文利用Ｐｒｏｔｅｕｓ与ＫＥＩＬ　Ｃ５１对单片机多点温度测量系统进行了仿真设计．从本文结果可以看出，　利用Ｐｒｏｔｅｕｓ进行单片机系统的仿真设计可以极大地简化单片机程序在目标硬件上的调试工作，大幅度　节省制作电路板的时间，对于提高产品的开发效率、降低开发成本等有重要作用．　参考文献　［１］沙春芳．ＰＲＯＴＥＵＳ　ＶＳＭ在单片机系统仿真中的应用［Ｊ］．现代电子技术，２００４，（２４）：６Ｏ一６３．　［２］赵红旗，王云景．ＤＳ１８Ｂ２０在１６路测温系统中的应用［Ｊ］．仪表技术，２００６，（１）：４９　５２．　［３］沙占友．智能化集成温度传感器原理与应用［Ｊ］．北京：机械工业出版社，２００２．　［４］刘映群．Ｐｒｏｔｅｕｓ与Ｋｅｉｌ整合构建单片机虚拟实验室［Ｊ］．中国现代教育装备，２００５，（８）：２１—２４　ＤＥＳＩＧＮ　ＯＦ　４－ＣＨＡＮＮＥＬ　ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ　ＡＣＱＵＳＩＴＩＯＮ　ＳＹＳＴＥＭ　ＢＡＳＥＤ　ｏＮ　ＰＲｏＴＥＵＳ　ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｃａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ—ｔａｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　８Ｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＭＣＵ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｓ．　Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉＳ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｕｓｅ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒｓ　ｔｏ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｈａｒｄｗａｒｅ．Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｃｈａｎｇｅｄ　ａｎｄ　ｒｅｔｅｓｔｅｄ　ｗｈｅｎ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｄｏ　ｎｏｔ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＰＲＯＴＥＵＳ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＭＣＵ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ，ｂｙ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｓｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｕｃｈ　ｍｏｒｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｙｃｌｅｓ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｈｏｒｔｅｄ　ｔｏｏ，ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｓ　ｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ＰＲＯＴＵＥＲ　ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　ｆｉｎｉｓｈｅｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　４－ｃｈａｎｎｅｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＲＯＴＵＥＳ，ｗｈｉｃｈ　ｔｅｓｔｅｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＭＣＵ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＲＯ—　ＴＵＥＳ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＲ０ＴＥＵＳ；ＤＳ１８Ｂ２０；ＭＣＵ