宋云 鄒成陽 張浩杰 查昶靖

摘要：基于Multisim和Proteus對多傳感智能控制戶外晾衣架的部分硬件功能進(jìn)行簡單的仿真模擬。在Multisim和Proteus軟件上主要仿真模擬了控制系統(tǒng)硬件中的雨水傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，光照強(qiáng)度傳感器模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊。通過仿真模擬的過程，了解相應(yīng)傳感器模塊信號的產(chǎn)生與傳輸，加深對相應(yīng)傳感器模塊的理解，達(dá)到減少實物操作的失誤和器件損耗的目的。

關(guān)鍵詞：Multisim;Proteus;傳感器

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）25-0076-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

1 引言

隨著軟件的發(fā)展與進(jìn)步，現(xiàn)在各種仿真軟件的功能異常強(qiáng)大，幾乎可以滿足各種實驗和開發(fā)的仿真模擬需求。在現(xiàn)有的仿真模擬軟件中，各種電子元器件和實驗儀器可以從軟件界面上獲取，數(shù)量不限，并且仿真模擬實驗的器材與實物相差不大，因此仿真模擬具有易學(xué)易用，工具齊全的特點;同時，軟件中的電子元器件的數(shù)值修改方便，可以減少尋找器件和儀器的時間，提高實驗效率;并且，在仿真模擬的過程中，還可以模擬電子元器件的開路、短路、漏電等故障的功能[1]，提前知道相應(yīng)故障的現(xiàn)象，可以在實物操作時提供一些發(fā)現(xiàn)錯誤的思路;除此之外，仿真模擬還具有精度高、無消耗的特點，因此在仿真模擬出需要的結(jié)果后，可以提前知道正確結(jié)果的表現(xiàn)形式和所需元器件的種類和數(shù)量，可以為后續(xù)的實物操作提供正確的方向和元器件購買思路，節(jié)約時間和經(jīng)費(fèi)。

本次模擬仿真用到的是Multisim和Proteus。其中Multisim是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的數(shù)字和模擬電路板的設(shè)計工作，它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有強(qiáng)大的仿真分析能力[2]。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程[3]。

而Proteus軟件是英國Lab Center Electronics公司出版的EDA軟件工具。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，Proteus真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計，也是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺[4]。

2 仿真模擬雨水傳感器模塊

本模塊的模擬采用Multisim進(jìn)行仿真模擬，仿真模擬電路如圖1所示。圖中電路由VCC進(jìn)行5V供電，同時電路接地，電路中的LED1起到電源指示的作用，當(dāng)通電時，LED1發(fā)光，當(dāng)停止通電時，LED1熄滅;電阻R4模擬雨水感應(yīng)部分，當(dāng)R4感應(yīng)到雨水時，其電阻減小，使得LM393同相輸入端的電壓下降，當(dāng)同相輸入端的電壓低于反向輸入端的電壓，LM393輸出低電平，LED2發(fā)光，提示接觸到雨水，反之LM393輸出高電平，LED2熄滅;可變電阻R2起到調(diào)節(jié)電路靈敏度的作用，通過對R2的調(diào)節(jié)，使得當(dāng)LM393的反相輸入端的電壓越與沒有雨水時的正向輸入端的電壓接近且不大于正向輸入端的電壓時，該電路對雨水的感應(yīng)靈敏度越高。

在開始仿真模擬之后，通過調(diào)節(jié)R4的大小，可以得到示波器1的波形如圖2所示，其中高電平代表沒有雨水落下，LED2熄滅;低電平代表感應(yīng)到雨水落下，LED2發(fā)光。由于電路的輸出只有高電平和低電平，因此當(dāng)電路輸出端與單片機(jī)的I/O口相連時，通過if語句判斷相應(yīng)I/O口電平的高低來判斷雨水的有無，當(dāng)if語句判斷出雨水傳感器對應(yīng)的I/O口的電平為高電平時，不執(zhí)行電機(jī)正轉(zhuǎn)所在的函數(shù)，即電機(jī)不轉(zhuǎn)動;當(dāng)if語句判斷出雨水傳感器對應(yīng)的I/O口的電平為低電平時，執(zhí)行電機(jī)所在的正轉(zhuǎn)函數(shù)，進(jìn)而控制電機(jī)進(jìn)行防雨材料的放出，起到保護(hù)衣物的作用。

3 仿真模擬溫濕度傳感器模塊

由于溫濕度傳感器模塊不像雨水傳感器模塊那樣，傳遞的信號只有0和1，溫濕度傳感器模塊需要采集到當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值并與事先設(shè)定的溫濕度值進(jìn)行比較并做出判斷，因此本模塊采用Proteus進(jìn)行仿真模擬，仿真模擬圖如圖3所示。

為了便于仿真模擬的進(jìn)行，減少工作量，本次采用的控制單元是AT89C51，由于是在Proteus進(jìn)行仿真模擬，AT89C51已經(jīng)自帶晶振電路和復(fù)位電路，于是AT89C51外圍不再接晶振電路和復(fù)位電路;本電路中的DHT11即為溫濕度傳感器，是控制單元AT89C51的數(shù)據(jù)來源，在仿真模擬的過程中溫濕度數(shù)值的改變需要手動進(jìn)行，通過改變濕度、溫度的模式和數(shù)值的加減，實現(xiàn)溫濕度數(shù)值的改變，由于DHT11是單總線結(jié)構(gòu)，因此只需單片機(jī)AT89C51的一個I/O口即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸;LCD1602的作用就是顯示出當(dāng)前溫濕度傳感器的溫濕度數(shù)值，D0-D7連接在單片機(jī)AT89C51的P0口，實現(xiàn)地址和數(shù)據(jù)的傳送，由于LCD1602只顯示單片機(jī)AT89C51傳遞給它的數(shù)據(jù)，而不向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，因此RW始終接低電平即可，其中LCD1602的引腳功能如表1所示;按鍵S1、S2和S3用于設(shè)置進(jìn)行比較的溫濕度數(shù)值;RP1是P0口的上拉電阻。

利用AT89C51讀取溫濕度傳感器DHT11的溫濕度值，并顯示在LCD1602顯示屏上，同時用if語句與事先用按鍵設(shè)定好的溫濕度數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)濕度大于設(shè)定的濕度數(shù)值時，控制單元AT89C51執(zhí)行電機(jī)所在的正轉(zhuǎn)函數(shù)，控制支架上相應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到防雨材料放出保護(hù)衣物的目的。

4 仿真模擬光照強(qiáng)度傳感器模塊

由于需要讀取支架左右和中間的光照強(qiáng)度的數(shù)值，因此需要三個光照傳感器，同時因為需要對讀取到的數(shù)值進(jìn)行大小的比較，因此本模塊采用Proteus進(jìn)行仿真模擬，仿真模擬圖如圖4所示。

由于Proteus軟件中沒有直接提供光照強(qiáng)度的模塊，因此在模擬電路中采用手動改變電阻大小的方式模擬光敏電阻受到光照后阻值的變化，進(jìn)而帶來分壓大小的變化，通過分壓大小變化的不同，表明受到光照強(qiáng)度大小的不同;由于電阻大小的變化是模擬量，而單片機(jī)AT89C51處理數(shù)字量更為準(zhǔn)確和方便，于是使用ADC0804來實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，其中ADC0804的引腳功能如表2所示;ADC0804左邊的固定電阻和電容的作用是產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換時所需的時鐘，其中頻率=1/1.1RC，可變電阻則用來模擬光敏電阻。

在本仿真模擬電路中，可變電阻模擬量的變化通過ADC0804轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量被單片機(jī)AT89C51所接收，在單片機(jī)AT89C51接收到三個光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)后，利用if語句對三個光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較判斷，得出光照強(qiáng)度最大的數(shù)值，并執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動函數(shù)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使得支架轉(zhuǎn)向光照強(qiáng)度最大的方向，達(dá)到快速晾曬衣物的目的。

5 仿真模擬電機(jī)驅(qū)動模塊

由于是在單片機(jī)處理數(shù)據(jù)之后才控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，于是電機(jī)驅(qū)動模塊采用Proteus進(jìn)行仿真模擬[5]，仿真模擬電路如圖5所示。

圖5中有兩個電機(jī)和一個L298N，一個L298N剛好可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，L298N正常工作時需要給ENA和ENB提供高電平，在ENA和ENB為低電平時L298N無法工作;通過控制單片機(jī)I/O口電平的高低，可以控制L298N輸入口電平的高低，進(jìn)而可以控制二相電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，電機(jī)正反轉(zhuǎn)和電平的關(guān)系如表3所示。

通過單片機(jī)對雨水傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，光照強(qiáng)度傳感器模塊數(shù)據(jù)的接收和處理，通過程序的設(shè)定，當(dāng)雨水的有無，溫濕度的數(shù)值，光照強(qiáng)度的數(shù)值之間的比較滿足既定條件時，單片機(jī)便向電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送相應(yīng)的指令，驅(qū)動對應(yīng)的電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，完成既定的目標(biāo)任務(wù)。

6 總結(jié)

通過使用軟件Multisim和Proteus對智能晾衣架的部分硬件進(jìn)行仿真模擬，對各個模塊信息的產(chǎn)生與傳輸有了更好的理解，同時注意到了一開始沒有想到的問題，比如LCD1602的使用，可以將相應(yīng)的單片機(jī)接收并處理過的數(shù)據(jù)顯示出來，讓使用者對當(dāng)前的環(huán)境狀況有更加清楚的認(rèn)知，有利于使用者正確做出下一步的判斷;同時通過仿真模擬，認(rèn)識到了L298N能驅(qū)動兩個二相電機(jī)或者一個四相電機(jī)，因此在購買材料時，如果購買的是二相電機(jī)，則L298N購買的數(shù)量減半，如果購買的是四相電機(jī)，則L298N的數(shù)量要與四相電機(jī)的數(shù)量保持一致，為材料的購買提供了方向;同時通過解決仿真模擬時遇到的問題也為實物的操作打下了一些理論基礎(chǔ)，有利于后期實物操作的進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王超，梁紅梅.虛擬仿真軟件在單片機(jī)設(shè)計性實驗中的應(yīng)用[J].高師理科學(xué)刊，2015，35（12）：84-87.

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】