基于Proteus 的传感器虚拟仿真实训平台设计

王国杰 薛 磊 赵 凯

(邯郸职业技术学院 计算机系，河北 邯郸 056005)

引言

Proteus 是Lab Center Electronics 公司开发的系统设计辅助软件(EDA)，具有仿真嵌入式芯片及其外围器件的功能，这使其受到广大嵌入式开发应用者的青睐[1-2]。Proteus 可以帮助开发人员从电子原理图设计、代码调试到嵌入式芯片与外围电路协同仿真，并可最终完成电路的PCB 板设计，从而实现了从概念到产品的完整开发。Proteus 同时也是世界上唯一将电路布图、PCB 板设计和虚拟仿真三合一的EDA 工具软件，支持ARM、8086和MSP430等多数嵌入式芯片仿真开发，同时也支持Keil、IAR 和CubeIDE 等多种编译器[3-4]。

传感器是一种能够感受被测量的信息，并把该信息按一定规律变换成电信号或其他信息的测量装置，按照其基本感知功能可分为热敏元件、气敏元件、光敏元件、力敏元件等几大类。由于传感器检测技术是实践性非常强的一门课程，学生学好这门课程的关键在于理论学习和实验实训要深度结合。常规的传感器实训室多采用电子硬件设备实训平台，这就造成了实验设备的前期投入多、设计局限性大并且维护成本高等一系列问题，并且由于职业院校学生众多，很难做到一人一台设备。鉴于这种情况，我们采用了Proteus仿真软件进行传感器实训平台的研究开发，充分利用该仿真软件的特点实现了理论教学与实验实训相结合的较好的解决方案。

1 系统架构设计

传感器仿真实训平台主要用于对各种被测量的信息进行采集、处理、转换、存储和显示等，其中包括了感知输入、微处理器控制系统和显示输出三部分。感知输入由各类传感器、电桥、放大电路、滤波器和调理电路等组成，主要完成被测量信息的采集、放大、调理、转换和数据输入等功能；微处理器控制系统由按键、微处理器芯片及其外围电路等组成，完成接口通讯、数据转换、数据输出等功能；显示输出则由LCD 液晶模块及驱动电路等组成，用于各类传感器数据的显示。

2 系统硬件设计

系统硬件主要包括传感器电路和数据处理显示两部分，传感器电路主要由温度传感器DS18B20、测距传感器HCSR04及压力传感器MPX4115等8种不同类型传感器组成，可完成不同类型的物理量采集；数据处理显示由微处理器AT89C52、按键、LCD 屏显AMPIRE128*64及外围器件组成，用于完成功能选择、数据处理和显示等，其系统硬件仿真平台如图1所示。

图1 传感器实验实训虚拟仿真平台原理图

2.1 温度传感器DS18B20

DS18B20是数字信号输出类型的温度传感器，与微处理器采用一线(ONE-WIRE)总线连接，仅需要一条数据线即可完成双向通讯。支持多点组网模式，最多8个DS18B20可以并联在唯一的数据线上，从而可实现多点测温。供电电压为3.0 V～5.5 V，可通过编程设定分辨率为9～12位，也可根据用户的需求设置温度上下限报警值，具有体积小、精度高、功耗低、抗干扰能力强等特点[5-6]。其测温范围为-55℃～ +125℃，被广泛用于工业恒温控制、民用消费电子产品如温度计或任何热敏感系统等领域，硬件连接原理如图2所示。

图2 温度传感器硬件连接原理及显示图

2.2 测距传感器HCSR04

HCSR04是一款可提供2cm～400cm 非接触式距离感测功能的超声波测距模块，距离测量精度可达3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路三部分[7]。当超声波碰到物体界面时会产生反射回波，如果碰到活动物体时能产生多普勒效应。本模块具有两个端口，当触发(Trig)端口发一个10US 以上的高电平，发射器发出超声波同时回声(Echo)口输出高电平，此时立刻打开定时器计时，当接收器接收到回波时回声(Echo)口变为低电平停止计时，此时定时器的值除以2就为此次声波通过该距离的时间，波速乘以时间就是与物体之间的距离值，硬件连接原理图如图3所示。

图3 测距传感器硬件连接原理及显示图

2.3 压力传感器MPX4115

MPX4115是美国Motorola Inc 生产的集成压力传感器，其融合了高水准的微电机技术，采用薄膜镀金属设计。MPX4115在测量范围内可以输出与所加气压呈良好线性关系的高精度模拟电压值，内部带有温度自动补偿电路，可以很好地克服半导体压力敏感器件存在的温度漂移问题，还能为高水准模拟输出信号提供一个均衡压力[8-9]。在 0℃～85℃的温度下误差不超过1.5%，温度补偿范围是 -40℃～ +125℃。由于MPX4115 输出的是模拟电压值，因此必须进行 A/D 转换成数字量后才能交由微处理器处理。

本设计A/D 芯片采用的是ADC0832，这是一种8位分辨率，具有双通道A/D 转换芯片，其与MPX4115可同时采用5V 电源供电。其内部电源与参考电压复用，具有双数据输出作为数据校验，转换快且稳定性好。具有4条数据线与微处理器接口，分别是CS(片选)、CLK(时钟)、DO(数据输出)、DI(数据输入)。由于DI 端与DO 端并非同时有效，并且与微处理器通信时为双向接口，因此在电路设计时，DO和DI 可并联在一起共用一根数据线。MPX4115模拟电压输出口连接到ADC0832通道CH0，其硬件连接原理如图4所示。

图4 压力传感器及A/D 硬件连接原理及显示图

2.4 热电阻PT100

热电阻PT100是一种电阻值随温度上升而近似线性升高的一次元件，其材料是铂。PT100的工作温度范围-200 ℃～ +850 ℃，在该温度范围内，它的稳定性和线性相对较好，其原理为接触温度在0℃ 时PT100的阻值为100欧姆，当温度升到100℃时其阻值约为138.5欧姆[10]。其温度测量由两部分组成，即热电阻和信号转换电路，转换电路的作用主要是把PT100电阻值的变化转换成可传送的标准化输出信号。

PT100热电阻按其接线方式分为二线制、三线制和四线制三种。在热电阻的两端各用一根导线来把电阻信号引出来的方式称为二线制，这种引线方法最为简单，但由于在工业应用中引出的导线距离较远，这时导线存在的电阻对于测量的结果影响较大，影响的大小主要取决于该导线的材质和长度等因素，二线制引线的方式由于不能消除导线电阻所产生的影响，因此只适合测量精度较低的场合。本仿真实训平台采用的就是二线制。三线制是在PT100的一端引出一根导线，另一端引出两根导线，这种方式通常采用电桥电路，可以较好地消除引线电阻的影响，接线方式相比于四线制要简单些，是目前工业应用领域中最常用的温度测量方法，其消除导线电阻的前提是：三根导线材质、线径和长度必须相同。在热电阻的两端各引出两根导线的方式称为四线制，这种测量方法能够完全消除导线电阻的误差，但由于引出导线较多，在测量中电路连接比较复杂，因此在工业应用中很少采用四线制测量方法，它主要用于高精度的温度测量场合，如实验室内进行精密测量。

热电阻测量信号转换电路最常用的就是电桥电路，主要包括直流和交流两种，其作用是把由于温度变化而产生的电阻变化率ΔR/R 转换成电压输出，然后经过电路放大和调理后通过选择开关SW1连接到ADC0832通道CH1进行测量。其优点在于可以测量被测物体的微弱变化、电路便于实现及测量精确等。本设计采用的是直流电桥，输出方式为电压型，其硬件电路连接原理如图5所示。

图5 热电阻PT100及转换电路原理图

2.5 四路传感器电路设计

本仿真实训平台还包括了温湿度传感器SHT11、光照传感器APDS-9002、热电偶TCK 和粉尘传感器PPD42等[11]。SHT11是一款经过内部校准的数字信号输出的温、湿度传感器，具有很高的可靠性、稳定性、抗干扰能力强和极低的功耗。SHT11与微处理器通过二线串行数字接口传输数据。硬件接口电路设计简单原理如图6所示。光照传感器APDS-9002主要用于检测光照强度，先将光照强度转为电压值，再经简单的调理电路将该电压值转换为ADC0832所需值，通过选择开关SW1连接到ADC0832通道CH1进行测量，主要用于农林业等温室大棚对光照强度的检测等，硬件连接原理如图6所示。

热电偶TCK 是工业领域里测量温度最常用的元件，将温度信号转换成热电动势信号。特点是装配简单、更换方便、精度高及测量范围广。其两端连接到MAX6675输入端T+和T-， MAX6675是MAXIM 公司的具有线性校正、冷端补偿、热电偶断线检测的K 型A/D 转换器，其温度分辨能力为12位0.25℃，冷端补偿范围为-20～+80℃，具有低功耗特性，与微处理器接口采用兼容SPI 串口通信，硬件连接如图6所示。粉尘传感器PPD42基于光的散射原理，即粉尘在光的照射下会产生散射现象，通过光敏元件把散射的光信号转换成电压信号，电信号经过内部调理电路转换成PWM 方式输出，微处理器通过计算粉尘浓度值输出显示。它可以连续检测空气中的1微米以上的粉尘粒子，可广泛用于空气净化器、空气质量监控仪和清新机等，硬件连接如图6所示。

图6 四路传感器硬件连接原理图

3 系统软件设计

仿真实训平台采用AT89C52作为微处理器，其开发编译环境为Keil C51，软件设计主要包括主程序和各个传感器测量子程序模块两部分。其中主程序模块完成系统初始化和测量子模块的选择功能，传感器测量子程序模块主要用于上述8种传感器实验参数采集、A/D 转换、数据换算及显示等。

3.1 主程序模块

系统完成基本硬件初始化后，主程序进入到功能选择界面，在该界面可通过 “上” 和 “下” 按键来选择做何种传感器测量实验，字体反显表示选中该实验，此时按下 “确认” 按钮则进入到该实验子模块程序中，其主程序流程和显示界面如图7所示。

图7 主程序流程及显示界面图

3.2 传感器测量子程序模块

本仿真实训平台包含8个传感器测量子程序，在所有子程序中按下 “返回” 按钮直接返回到功能选择界面，这样可进行下一个传感器测量实验选择。在这些子程序中包含了硬件初始化、参数采集、A/D 转换、数据换算公式及数据输出显示等。子程序和A/D 转换流程如图8所示。

图8 子程序和A/D 转换流程图

4 仿真效果测试

实验效果测试是仿真实训平台设计的一个重要方面，本系统对该平台的8个传感器模块进行了实验测试，结果表明该平台设计简单实用，能满足学生对传感器实验的要求。现以压力传感器压力MPX4115实际测量结果为例，记录在表1中，该传感器量程为15.3kPa～114.9kPa，分度值为0.1kPa，常温下误差不超过1.5%。对比测量值与实际压力值可知，随着压力值降低，误差相对变大但在量程范围内，误差基本满足设计要求。总结误差原因大致有3点：1.ADC0832分辨率只有8位，电压精度为19.53mV 即(5/256)V，相对较低；2.在测量范围内，压力与输出电压大致呈线性关系，有一定的非线性，其换算公式：电压 = ((10.0 / 23.0) * ADC0832(0)) + 9.3；3.温度补偿也有一定的误差。

表1 仿真误差效果测试表

结论

设计并实现了基于Proteus 的传感器虚拟仿真实训平台，其特点是成本低，没有场地和器材等条件的限制，可重复操作，改变了以往传统实验的教学模式；安全性好，不会因操作不当而发生事故；效率高，可以使学生快速掌握实验和达到具体目标和要求[12]。本设计通过对系统各个传感器模块进行实际测试，结果表明，该平台设计简单直观，可以使学生按照自己的想法来实现传感器电路的设计，对学生理解理论知识有很大的促进，极大地提高了学生学习的积极性和创造力。