基于Proteus的溫控超聲波測距半物理仿真系統設計*

摘要：針對單片機開發學習過程中實物硬件短缺或易損，以及仿真軟件庫中缺少元器件模型，實驗現象不明顯等問題，提出了基于Proteus的半物理電路仿真的設想和方法，即由PC機上的Proteus仿真軟件作為上位機，實物硬件電路作為下位機，使其互相通訊完成預期的功能。并設計了基于Proteus的溫控超聲波測距半物理仿真系統，用以闡述具體的實現過程。設計過程中發現實物硬件與Proteus仿真電路之間可通過RS-232-C異步串行接口進行通信。通過進一步實驗，發現傳統的USB串行總線式接口也可實現通信功能。實驗表明，此方法能降低開發成本，縮短開發周期，提高軟硬件的兼容性，為后續單片機學習與開發提供了新的參考方向和思路。

關鍵詞：超聲波測距；半物理仿真；Proteus；RS-232-C；單片機

*基金項目：教育部產學合作協同育人項目（202102198008）：基于建模與半物理仿真的電工電子系列課程實踐教學資源開發。

0 引言

目前，在我國無論是開展單片機教學活動、單片機競賽、嵌入式開發還是因為個人興趣學習單片機，大多使用市面上已經集成好了的單片機開發板或試驗箱進行實驗學習，其硬件電路固定，存在限制學習人員進行一些具有創新想法的實驗研究情況，且學習過程中會出現元器件短缺、較貴或易損壞等問題。隨著計算機科學技術的日益發展，各行各業各領域內都出現了仿真技術。仿真技術的出現和發展極大的節省了開發成本，縮短了開發周期 ^[1]。Proteus 正是在這種大環境下產生并快速發展的仿真軟件 ^[2]。但 Proteus 仿真同樣存在一定問題，例如有的元器件模型軟件庫里沒有，有的元器件使用麻煩且效果不明顯等。

經過實驗發現使用基于 Proteus 的半物理電路仿真技術可以解決上述問題 , 所謂基于 Proteus 的半物理電路仿真，又稱基于 Proteus 的硬件在回路仿真 ^[3]，就是 指通過 PC 機的串口或并口使 Proteus 搭建的虛擬仿真電路和實際硬件電路進行通訊的聯合仿真 ^[4]。此技術的最大特點就是將軟件仿真技術與硬件系統聯合起來，簡化了設計過程?？梢杂行У募涌煜到y開發的速度和質量，縮短研發周期，同時可以提高軟硬件的兼容性 ^[5]。

綜上所述，本文下面將以基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統為例，詳細說明基于 Proteus 的半物理電路仿真的實現過程。

1 基本原理和設計方案

本文設計了一種基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統，采用超聲波脈沖回波法對目標物體進行測量分析，系統整體框架結構如圖 1 所示，整個系統以 STC89C516 為控制核心，連接有 HC-SR04 超聲波模塊，LCD1602 液晶顯示模塊，無源蜂鳴器，DS18B20 溫度測量模塊以及發光二極管等外設。本系統分為由實物硬件電路組成的下位機和由 Proteus 虛擬仿真電路組成的上位機，兩部分通過 RS-232-C 異步串行接口相連。雖然 51 系列單片機系統內部封裝有通用異步串行收發器，可以實現單片機系統與外界的串口通迅 ^[6]。但 TTL 串口電平標準為 +5 V，0 V，RS-232-C 的串口電平標 準為（-3 ~ -15）V,（+3 ~ +15）V^[7]。因此想要使用RS-232-C 異步串行接口將實物與仿真連接進行通信，電路還需搭載 MAX232 電平轉換芯片。具體連接過程為下位機通過 RS-232-C 異步串行接口與 PC 機接口相連，上位機中的 COMPIM 虛擬接口編號設置為與下位機相連的 PC 機的接口編號。整體系統通過上位機與下位機之間的相互通信，實現溫度檢測、超聲波測距及警報功能。

2 電路設計

2.1 下位機電路設計

由于 Proteus 中超聲波模塊和蜂鳴器模塊，與實物使用存在一定差別，為使實驗便于操作，實驗結果更加直觀，設計如圖 2 所示的下位機電路，該電路搭載有電源模塊、RS-232-C 異步串行接口、蜂鳴器模塊、單片機控制模塊、DS18B20 溫度傳感器、MAX232 電平轉換模塊以及 HC-SR04 超聲波測距模塊?？蓪崿F目標距離和環境溫度的測量，將測量到的信息上傳給上位機進行數據處理，并將處理好的數據發回實物單片機上，控制警報系統。

2.2 上位機電路設計

在 Proteus 中搭建如圖 3 所示的上位機電路，該部分由 LCD1602 液晶顯示模塊、STC89C516 控制模塊、MAX232 電 平轉換模塊、RS-232-C 模塊以及 LED 狀態指示模塊組成。由于上位機與下位機通過 RS-232-C 異步串行接口相連，上位機電路的晶振頻率應與實物電路的晶振頻率相同為 12 MHz。當下位機將測得的數據傳輸給上位機時，上位機開始處理數據，并控制 LCD1602 實時顯示目標距離。如果目標距離小于20 cm, 紅色指示燈亮起，并將處理好的數據傳輸給下位機，使下位機發出警報，否則，綠燈亮起。

圖3 上位機電路圖

3 系統軟件設計

3.1 超聲波測距模塊原理

本實驗采用型號為 HC-SR04 的超聲波測距模塊，該模塊集成有超聲波發射器、接收器與控制電路 , 具有性能高，精度高，盲區小等優點 ^[8]。其工作時序圖如圖 4 所示。

當單片機 I/O 口發送一個至少 10 μs 以上的高 電平至該模塊的 Trig 控制信號輸入引腳時，超聲波測距模塊內自動發出 8 個方波信號，其周期為 40 kHz，同時檢測是否有返回信號。如果檢測到有信號返回，Echo 回響信號輸出引腳輸出高電平 ^[9]。所測的距離與回響信號的脈沖寬度成正比，因此通過計算高電平持續的時間可以計算目標距離。公式如（1）所示

3.2 DS18B20溫度補償模塊

由于環境溫度對聲速影響較大，聲波在大氣中傳播時，聲速隨環境溫度升高而增大，所以該系統在實際應用中，需要使用溫度補償的方式來提高測距的精度。本系統采用 DS18B20 測溫模塊檢測環境溫度。 DS18B20 是一種單總線數字溫度傳感器，主要由配置寄存器、64 位 ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器 TH 和 TL 四個部分組成 ^[10]。具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點 ^[11]。系統搭載 DS18B20 模塊后可實時計算當前環境溫度下的聲速，以減小測量目標距離時的誤差。具體公式如（2）所示

3.3 下位機軟件設計

整體系統采用上位機與下位機分別編程的方法，開發環境為 Keil uVision5，Proteus8.6 版本。下位機電路主程序流程圖如圖 5 所示，系統上電后，先進行單片機，定時器初始化操作，然后啟動超聲波模塊和 DS18B20 溫度模塊開始測量目標距離及環境溫度，處理測量數據，將數據發送給上位機。其中超聲波模塊程序流程圖如圖 6 所示，該模塊上電后先進行初始化操作，隨后 Trig 引腳發出高電平，當模塊接收到回波信號時，Echo 引腳發出回響高電平信號，系統開始計算目標距離。如果目標距離小于 20 cm, 下位機電路中蜂鳴器響起。

3.4 上位機軟件設計

上位機電路主程序流程圖如圖 7 所示，系統上電后進行初始化操作，然后接收下位機發送的數據，進行處理并將目標距離實時顯示在 LCD1602 上，當目標距離小于 20 cm 時紅色 LED 亮起，反之綠色 LED 亮起。要使上位機和下位機之間可以相互通信，需設置相同的波特率，本實驗波特率為 4 800 bit/s，定時器工作模式為 16 位。

4 實驗及結果分析

基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統搭建好后如圖 8 所示，連接好 RS-232-C 異步串行接口后，將上位機與下位機上電啟動系統。以 14 cm 為目標初始距離，每次增加 20 cm, 測量 6 組數據，到 114 cm 為止。記錄測量數據，與實際距離進行比對分析，數據如表 1 所示。

從表 1 中可以看出，隨著目標距離不斷增大，測量的誤差也在不斷增大，超聲波測距的誤差來源有很多，例如測量角度，溫度，代碼算法，電路等等。本文重點為介紹基于 Proteus 的半物理電路仿真技術，且礙于篇幅限制，對誤差不做過多的分析和探討。

5 結語

本文設計了基于 Proteus 的溫控超聲波測距半物理仿真系統，介紹了基于 Proteus 的半物理電路仿真技術的實現過程，為后續單片機開發學習過程中實物硬件短缺或易損，以及仿真軟件庫中缺少元器件模型，實驗現象不明顯等問題提供了一個切實可行的解決方案。經實驗證明，該技術簡化了設計的過程，提了高軟硬件的兼容性，節約了成本，提高了開發效率，為之后的學習、開發提供了新思路。由此得出，本設計具有一定的參考和推廣價值。同時，實驗的過程中發現傳統 USB 串行總線式接口也可實現實物電路與虛擬仿真電路之間的通信。受限于篇幅和本人水平，該半物理仿真系統還存在數據誤差等問題，后續可通過電路濾波，改進算法或使用更為精密的超聲波模塊進行改進。

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(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年8月期)