基于Proteus的温室温度自动控制系统的设计与仿真

２０１２年第５期　总第２４３期　中国农机化　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｎｏ．５，２０１２　Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．２４３　基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的温室温度自动控制系统的设计与仿真冰　胡景华，童淑敏，毕玉革，武佩　ｆ内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特市，０１００１８）　摘要：介绍了Ｐｒｏｔｅｕ　软件以及在温室中进行温度控制所需的相关硬件，并在ＰｒｏｔｅＵＳ环境下完成了温度的自动控制系统　的设计与仿真。本系统可以完成温度的测量、显示、报警，以及控制通风电机的启停等多项功能。本研究证明，在Ｐｒｏ．　ｔｅｕｓ环境中可以完成以单片机为核心的控制系统的设计和调试，并测试整个系统的性能。在实际应用中，用ＰｒｏｔｅＵＳ软　件进行设计与仿真．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；温度　中图分类号：ＴＰ２７４．１　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９（ｉ．ｉｓｓｎ．１００６—７２０５．２０１２．０５．０３８　胡景华，童淑敏，毕玉革，武佩．基于Ｐｒ０ｔｅｕｓ的温室温度自动控制系统的设计与仿真『Ｊ］．中国农机化，２０１２，（５）：１３３～１３６　ＨＵ　Ｊｉｎｇ－ｈｕａ，ＴＯＮＧ　Ｓｈｕ－ｍｉｎｇ，ＢＩ　Ｙｕ—ｇｅ，ＷＵ　Ｐｅｉ．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｇｒｅｅｎ—　ｈｏｕｓｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｏｔｅｕｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１２，（５）：１３３￣１３６　０引言　随着微电子技术的迅猛发展．单片机在农业工程　领域得到了广泛的应用．单片机作为嵌入式系统的核　心器件．其应用系统的设计包括硬件设计和软件设计　两个部分。软件调试一般较为容易．但如果要进行硬　件电路测试和系统调试则必须在电路板制作完成之后　２　系统的总体设计　本设计以ＡＴ８９Ｃ５　１单片机为控制核心　首先．温度　传感器ＤＳ１８Ｂ２０对温度进行测量．并将测量值传到单片　机．单片机将温度值进行处理，并将数据在液晶显示器　ＬＣＤ１６０２上进行显示　系统运行时．首先通过键盘按键　对温度的上、下限值进行设定，若所测温度值超过软件　设定的上限值．则控制温度上限值指示灯和蜂鸣器报警．　并启动通风电机．使温室内外通风．进行降温：若温度　方可进行，不仅费时费力且难度较大【１］。若能首先利用　Ｐｒｏｔｅｕｓ等软件对整个设计进行硬件和软件设计．并　进行实时仿真．则可从原理上对整个设计进行验证．　低于下限值．就控制温度下限值指示灯和蜂鸣器报警．　并停止通风电机　如果温度值处于正常范围．则不采取　任何动作。该系统支持串行通信．通过串口能将现场采集　从而大大提高产品的开发效率．降低开发风险。　１　Ｐｒｏｔｅｕｓ软件的介绍　Ｐｒｏｔｅｕｓ是英国Ｌａｂｃｅｎｔｅｒ公司开发的电路及单片　到的数据传到上位计算机。硬件的结构原理图如图１所示。　机系统设计与仿真软件．它是目前国际上唯一真正实　现了在没有目标原形时能对各种处理器进行实时仿　真、调试与测试的ＥＤＡ工具。Ｐｒｏｔｅｕｓ拥有一个功能　非常强大的元件库．几乎包含了进行单片机设计所需　要的所有外围部件．而且它支持第三方编译器嘲．在工　程实际中．通常用Ｐｒｏｔｅｕｓ进行硬件仿真．用Ｋｅｉｌ进　行软件仿真．将Ｐｒｏｔｅｕｓ和ｋｅｉｌ进行联调．实际上就　构成了一个虚拟的单片机实验室　收稿日期：２０１１年ｌ０月１７　１３　修回日期：２０ｌ１年１１月２８日　图１　硬件结构原理图　基金项目：内蒙古数字化农牧业建设示范项目（［２００８１　１７１５号）；中国农业大学一内蒙古农业大学科研合作基金项目（ＺＮ　２０１０　１２）　胡景华，男，１９８５年生．湖北黄冈人，内蒙古农业大学机电工程学院硕士研究生；研究方向为农业电气化与自动化。　童淑敏ｆ通讯作者），女，１９５８年生，呼和浩特市人，内蒙古农业大学机电工程学院教授，硕士生导师；研究方向为测试与控制技术。　毕玉革，女，１９７４年生．内蒙古呼伦贝尔人，内蒙古农业大学讲师；研究方向为农业信息化。　武佩，男．１９６３年生，内蒙古化德县人，内蒙古农业大学博士生导师，研究方向为农业工程测试控制。　中国农机化　２０１２正　３系统的硬件设计　３．１　温度测量电路　温度测量选用ＤＳ１８Ｂ２０数字式温度传感器完成　首先将ＤＳ１８Ｂ２０的ＹＯ数据线与ＡＴ８９Ｃ５１单片机　Ｐ３．７口线相连．ＤＳ１８Ｂ２０只有３个引脚．其中两根是　电源线ＶＣＣ和ＧＮＤ　ｆ本设计中采用外部电源供电方　式１，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［３１　ＤＳ１８Ｂ２０传感器与单片机接口电路如图　２所示　图２　ＤＳ１８Ｂ２０测温电路　３．２键盘接口电路　在温度采集现场．需要通过键盘按键对温度的　上、下限值进行设定，具体电路如图３所示。　ｐ０．０　ｐ０．１　ｐ０．２　ｐ０．３　图３键盘接口电路　３．３液晶显示电路　本设计选用ＬＣＤ１６０２液晶显示器显示测得的温　度值　ＬＣＤ１６０２可以显示两行字符信息，每行ｌ６个　字符　单片机的Ｐ３．１、Ｐ３．２、Ｐ３．３口分别接显示器的　控制端ＲＳ、ＲＷ、Ｅ；Ｐ２口通过排阻接显示器的８位　数据端Ｄ０　Ｄ７，从而将测得的温度值实时地显示在屏　幕上　液晶显示电路如图４所示。　ＬＣＤ１　ＬＭ０ｔＢＬ　图４液晶显示电路　３．４报警指示电路　本设计可通过键盘按键设定温度的上限值ＴＨ和　下限值ＴＬ．当温度超出正常范围时．启动相应的蜂　鸣器和ＬＥＤ进行报警。温度下限值报警指示灯和蜂　鸣器分别接单片机的Ｐ１－３、Ｐ１．４引脚；上限值报警指　示灯和蜂鸣器分别接单片机的Ｐ１．５、Ｐ１．６引脚。当测　得的温度值低于下限值ＴＬ或高于上限值ＴＨ时．单　片机都会给Ｐ１口相关引脚发出高低交替的电平．从　而控制黄色指示灯闪烁．蜂鸣器发出声音信号；当温　度值正常时。Ｐ１．７口的绿色指示灯常亮。该部分电路　如图５所示　温度上限值　温度下限值　运行正常　图５报警指示电路　３．５通风电机电路　当温度低于下限值时，要求通风电机停转：当温　度高于上限值时．通风电机转动；当温度值正常时，　保持当前状态。单片机Ｐ１．２口接电机驱动电路，电　机的启停是通过继电器的闭合和断开来实现的。首　先．Ｐ１．２口先接ＯＣ门芯片７４０７，以提高端口的输出　电流驱动能力，然后．通过光电耦合器将单片机控制　的弱电系统和外设的强电设备隔离。与继电器线圈并　第５期　胡景华等：基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的温室温度自动控制系统的设计与仿真　联的二极管为泄流二极管．用于避免在继电器关断的　瞬间产生反向的高压。冲击电磁线圈　。电机控制电路　如图６所示。　图６通风电机控制电路　３．６串行通信电路　单片机构成的控制系统往往需要和外部的微处　理器进行数据交流．通常采用串行通信方式。在这　种方式中．数据按位分时传输．在一根用于数据通　信的传输线上．在设定的波特率脉冲控制之下．数　据各位依次传递输入或输出。在５１系统单片机中。　用于串行通信的引脚为ＴＸＤ和ＲＸＤ．通过ＴＸＤ引　脚可以将ＣＰＵ要发送的数据输出．通过ＲＸＤ可以　将串行通信线上传来的数据读入。在实际应用中，　通常利用ＲＳ一２３２Ｃ接Ｅｌ芯片延长通信距离。由于　ＲＳ一２３２Ｃ标准规定的逻辑电平与ｒＩＴＩ１Ｌ数字电路的逻　辑电平不兼容．因此二者进行相互连接时必须进行接　口的电平转换．这种转换可以通过ＲＳ一２３２Ｃ电平转　接芯片实现。目前．串口电平转换芯片最为常用的是　Ｍａｘｉｍ公司的ＭＡＸ２３２芯片　串行通信硬件连接电路　如图７所示　Ｃ１　图７串行通信电路　４系统的软件设计　系统软件程序选用Ｋｅｉｌ软件编写．采用面向对　象的模块化程序设计方法．先将各个模快分别进行设　计和调试，完成之后，将所有模块进行联合调试。本　系统的程序由温度采集模块、显示模块、电机驱动模　块等组成．其流程图如图８所示。　图８软件流程图　５系统的仿真结果分析　在Ｋｅｉｌ中将软件调试成功后．生成．ＨＥＸ文件．　加载到单片机芯片．点运行键，就可以生动地看到系　统运行的结果，仿真结果如图９所示。例．如图９所　示，当所测温度为３４℃时．温度已超过上限值，可以　看到显示器上显示“Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｖａｌ：３４ｏＣ”．蜂鸣器　产生报警．温度上限指示灯闪烁．并且继电器触点合　上．通风电机运转。　６结论　本文利用Ｐｒｏｔｅｕｓ软件对温室的温度自动控制系　统进行了设计和仿真．完成了温度的测量、显示、报　警．以及控制通风电机的启停等多项功能。　结果表明．在Ｐｒｏｔｅｕｓ环境下．可以实现以单片　机为核心的温室温度控制系统的设计和调试．并测试　其性能．大大简化了单片机的调试工作，省去了ＰＣＢ　板的焊接，这对于提高温室数控系统开发效率、降低　成本都起到了重要的作用　中国农机化　ＬＣＤ１　２０１２焦　通　风　电　机　图９仿真电路图　出版社．２００９：３３－３３．　参考文献　［１］王红仓．基于ＰＲＯＴＥＵＳ的单片机多路温度采集系统的仿真　设计［Ｊ］．陕西科技大学学报，２００７，５：８４．　［２１江世明．基于Ｐｒｏｔｅｕｓ的单片机应用技术【Ｍ】．北京：电子工业　【３］马云峰．单片机与数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０的接口￣ｉＪ－［Ｊ］．　计算机测量与控制，２００２，１０（４）：２７８－２８０．　［４】林立，张俊亮．单片机原理及应用【Ｍ】．北京：电子工业出版　社．２００９：１７８－１７９．　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｐｒｏｔｅｕｓ　ＨＵ　Ｊｉｎｇ—ｈｕａ，ＴＯＮＧ　Ｓｈｕ－ｍｉｎｇ，ＢＩ　Ｙｕ—ｇｅ，ＷＵ　Ｐｅｉ　（Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｏｈｈｏｔ，０１００１８，Ｃｈｉｎａ）　ＡｂｓｔＩ．ａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｔｈｅｓｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　Ｐｒ０ｔｅｕｓ　ｓｏｆｅｗａｒｅ，ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅｓ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｓｉｍｐｌｙ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉ０ｎ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｍａｄｅ　ｉｎ　Ｐｒｏｔｅｕｓ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｕｌｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｍｕｃｈ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｄｉｓｐ１ａｙ，ｗａｒｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｒｕｎ　ａｎｄ　ｓｔｏｐ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｍｏｏｒ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｈａｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ＭＣＵ　ｃ０ｕｌｄ　ｂｅ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｅｌｐ　ｏｆ　Ｐｒｏｔｅｕｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｕｓｉｎｇ　ｏｆ　Ｐｒｏｔｅｕｓ　ｃ０ｕｌｄ　ｍａｋｅ　ｃｏｓｔ　ｓｍａｌｌｅｒ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｙｃｌｅ　ｓｈｏｒｔｅｒ，ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｈｉｇｈｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｔｅｕｓ；ＤＳ１８Ｂ２０；ＭＣＵ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ