基于Proteus的液晶溫度顯示器仿真設(shè)計(jì)

摘要：給出了一種基于Proteus7．5仿真實(shí)現(xiàn)的液晶溫度顯示器設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件電路采用AT89C52單片機(jī)、DS18B20數(shù)字溫度傳感器和LM016L液晶顯示器等主要元件。采用Keil uVision3設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的C51源程序并調(diào)試。在Proteus 7．5平臺(tái)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)的測(cè)量和顯示精度達(dá)到了0．1℃。通過Proteus對(duì)液晶溫度顯示器的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬，以檢驗(yàn)和評(píng)估設(shè)計(jì)的可行性，縮短了實(shí)際系統(tǒng)開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，是一種有效可行的仿真方法。
關(guān)鍵詞：Proteus；液晶溫度顯示器；DS18B20；LM016L

    隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展和傳統(tǒng)工業(yè)改造的逐步實(shí)現(xiàn)，能夠獨(dú)立工作的溫度檢測(cè)和顯示系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)和顯示是基于模擬傳感器和LED顯示技術(shù)的。傳感器輸出的模擬信號(hào)易受干擾，在一些溫度范圍內(nèi)線性不好，需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償或引線補(bǔ)償。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由單片集成電路構(gòu)成的溫度傳感器的種類越來越多，測(cè)量的精度越來越高，數(shù)字溫度傳感器具有價(jià)格低、精度高，適于微型封裝、能工作在寬溫度范圍內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)，在很多應(yīng)用中，數(shù)字溫度傳感器正開始替代傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器。另外，液晶顯示器體積小，便于攜帶、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在儀器儀表和控制系統(tǒng)中。
    現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)手段的發(fā)展，已由傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)階段發(fā)展到了EDA階段，再到虛擬設(shè)計(jì)階段，Proteus軟件就是在這大背景下應(yīng)運(yùn)而生的。Proteus軟件是英國(guó)Labcenterelectronics公司研發(fā)的EDA工具軟件，是目前最流行的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)，它能完全脫離硬件平臺(tái)進(jìn)行嵌入式虛擬開發(fā)，通過各虛擬儀器構(gòu)建硬件電路，調(diào)試Keil、ADS等集成開發(fā)環(huán)境中生成的軟件程序，達(dá)到虛擬硬件調(diào)試系統(tǒng)程序的目的，為后續(xù)實(shí)際軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供實(shí)踐理論依據(jù)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    液晶溫度顯示器的硬件主要有以下部分：溫度檢測(cè)部分、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路和鍵盤電路，如圖1所示。

    單片機(jī)采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS的MCS-51系列單片機(jī)AT89C52，它片內(nèi)含8 K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器和256字節(jié)的RAM，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器空間能滿足本系統(tǒng)程序存儲(chǔ)之需要，可省去片外EPROM程序存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔。時(shí)鐘電路中的晶振頻率采用12 MHz，系統(tǒng)復(fù)位采用上電復(fù)位方式。系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

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    溫度傳感器采用美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的單總線(1-wire)數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它的測(cè)量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度可達(dá)±0．5℃，通過編程可以選擇9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0．062 5℃。DS18B20耐磨耐碰，體積小，使用方便，適用于各種狹小空間。它只有3個(gè)引腳，2腳DQ是數(shù)字信息輸入／輸出端，3腳VCC是外部電源輸入端，1腳GND是電源地?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，可以提高系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20的電源供電方式有2種：外部供電方式和寄生電源方式。工作于寄生電源方式時(shí)，VDD和GND均接地，它在需要遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)和空間受限的場(chǎng)合特別有用，但是需要強(qiáng)上拉電路，軟件控制變得復(fù)雜，同時(shí)芯片的性能也有所降低。因此，在本設(shè)計(jì)中，采用外接電源供方式，將DQ與P3．2相連接。
    LM016L是16x2數(shù)碼液晶顯示器，每行可顯示16個(gè)字符，共2行。LM016L的控制器為HD44780，與液晶屏集成在一起。HD44780的控制端有3個(gè)，分別是RS、讀寫控制端RW和使能信號(hào)E。RS=0時(shí)，配合RW實(shí)現(xiàn)命令讀寫；RS=1時(shí)，配合RW實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的讀寫。本系統(tǒng)中，單片機(jī)的P0口作為數(shù)據(jù)口，與LM016L的D0～D7連接，為保證電路能正常顯示，在P0口與D0～D7之間分別連接8個(gè)上拉電阻。P2口作為L(zhǎng)CD的控制線，P2．0～P2．2分別連接LM016L的RS、RW和E，VDD、VSS和VEE分別接電源和地。
    本顯示器設(shè)置了一個(gè)檢測(cè)控制開關(guān)SW1，它的高低電平信息通過P2．3傳遞給單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位后，若SW1為ON，DS18B20檢測(cè)溫度信息，經(jīng)過單片機(jī)處理后送LM016L顯示，工作指示燈LED1亮；若SW1為OFF，則系統(tǒng)暫停工作，工作指示燈LED1滅。當(dāng)溫度傳感器DS18B20有故障無法復(fù)位時(shí)，工作指示燈LED1閃爍。

2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)在Keil uVision3集成開發(fā)環(huán)境編寫C51程序進(jìn)行軟件開發(fā)，采用模塊化編程方式。在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)DS18B20和LM016L的工作原理，軟件設(shè)計(jì)主要完成以下任務(wù)：初始化DS18B20，讀／寫DS18B20，讀取DS18B20轉(zhuǎn)換后的溫度值并轉(zhuǎn)換，初始化LMOl6L，LM016L顯示溫度值等。以上各個(gè)子任務(wù)分別用相應(yīng)的子程序來實(shí)現(xiàn)，在主程序中有序的調(diào)用各個(gè)子程序模塊，程序流程圖如圖3所示。

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    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一是傳感器輸出信號(hào)的讀取和轉(zhuǎn)換。單片機(jī)從DS18B20中讀到的溫度值是16位的數(shù)字信息，其中高5位是表示溫度正負(fù)的符號(hào)位。數(shù)字溫度值的讀取并轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度十進(jìn)制值的子程序流程圖如圖4所示。

    溫度轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)如下：



    在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照DS18B20和LM016L的工作時(shí)序，設(shè)置好延時(shí)時(shí)間，否則會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，即出現(xiàn)溫度顯示輸出變化滯后溫度輸入的變化。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)仿真
    在Keil uVision3中，采用C51編寫源程序，在新建項(xiàng)目中選擇AT89C52單片機(jī)作為CPU，再將編寫好的C語(yǔ)言源程序加載到新建項(xiàng)目中。在“Project”下拉菜單中，選擇“Options forTarget”對(duì)話框，在對(duì)話框中選中“Output”選項(xiàng)卡的“Create HEX File”選項(xiàng)，最后點(diǎn)擊“Itebuild all Target Files”，編譯成功后生成的“*．Hex”文件。在Proteus ISIS7．5中，雙擊AT89C52，將可執(zhí)行程序裝載到單片機(jī)中，如圖5所示。

    程序?qū)隤roteus后，點(diǎn)擊仿真運(yùn)行控制按鈕后，進(jìn)入仿真調(diào)試狀態(tài)，點(diǎn)擊中的Play鍵，進(jìn)行軟、硬件交互仿真，如圖6所示。圖6(a)表明，假如DS18B20檢測(cè)到的當(dāng)前溫度是123．9℃，則經(jīng)過單片機(jī)處理后，LM016L顯示出當(dāng)前的溫度值123．9℃，工作指示燈亮。通過調(diào)節(jié)DS18B20模型上的上下標(biāo)，可設(shè)定低于零度的溫度輸入，仿真顯示結(jié)果如圖6(b)所示。在Proteus仿真狀態(tài)下，調(diào)節(jié)DS18B20模塊的上下標(biāo)改變溫度的輸入值(-55.0～+125.0 ℃)，LM016L的輸出溫度值實(shí)時(shí)跟隨變化。仿真結(jié)果表明，該溫度顯示器能準(zhǔn)確的測(cè)量并顯示溫度，測(cè)量精度到0．1℃，仿真效果與系統(tǒng)預(yù)期要實(shí)現(xiàn)的一致。

4 結(jié)束語(yǔ)
    利用功能強(qiáng)大的Proteus軟件提供的元件庫(kù)設(shè)計(jì)硬件電路及軟硬件仿真，實(shí)現(xiàn)了液晶溫度顯示器的仿真設(shè)計(jì)。該顯示器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可靠性高，成本低。通過Proteus的前期仿真提高了液晶溫度顯示器的設(shè)計(jì)效率，縮短了開發(fā)周期，降低了設(shè)計(jì)成本，保證了設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。