基于Proteus的液晶温度显示器仿真设计

  随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，能够独立工作的温度检测和显示系统已经应用于诸多领域。传统的温度检测和显示是基于模拟传感器和LED显示技术的。传感器输出的模拟信号易受干扰，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿。随着科学技术的发展，由单片集成电路构成的温度传感器的种类越来越多，测量的精度越来越高，数字温度传感器具有价格低、精度高，适于微型封装、能工作在宽温度范围内等优点，在很多应用中，数字温度传感器正开始替代传统的模拟温度传感器。另外，液晶显示器体积小，便于携带、功耗低、抗干扰能力强、信息丰富等优点，已被广泛应用在仪器仪表和控制系统中。
    现代电子设计手段的发展，已由传统的手工设计阶段发展到了EDA阶段，再到虚拟设计阶段，Proteus软件就是在这大背景下应运而生的。Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司研发的EDA工具软件，是目前最流行的嵌入式系统设计与仿真平台，它能完全脱离硬件平台进行嵌入式虚拟开发，通过各虚拟仪器构建硬件电路，调试Keil、ADS等集成开发环境中生成的软件程序，达到虚拟硬件调试系统程序的目的，为后续实际软硬件系统的设计提供实践理论依据。

1 硬件电路设计
    液晶温度显示器的硬件主要有以下部分：温度检测部分、单片机最小系统、显示电路和键盘电路，如图1所示。

    单片机采用美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS的MCS-51系列单片机AT89C52，它片内含8 K字节可重复擦写Flash闪速存储器和256字节的RAM，片内程序存储器空间能满足本系统程序存储之需要，可省去片外EPROM程序存储器，简化系统的设计，使电路结构简洁。时钟电路中的晶振频率采用12 MHz，系统复位采用上电复位方式。系统的硬件电路如图2所示。

温度传感器采用美国Dallas公司生产的单总线(1-wire)数字温度传感器DS18B20。它的测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度可达±0．5℃，通过编程可以选择9～12位A／D转换精度，测温分辨率可达0．062 5℃。DS18B20耐磨耐碰，体积小，使用方便，适用于各种狭小空间。它只有3个引脚，2脚DQ是数字信息输入／输出端，3脚VCC是外部电源输入端，1脚GND是电源地。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，可以提高系统的抗干扰性。DS18B20的电源供电方式有2种：外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时，VDD和GND均接地，它在需要远程温度检测和空间受限的场合特别有用，但是需要强上拉电路，软件控制变得复杂，同时芯片的性能也有所降低。因此，在本设计中，采用外接电源供方式，将DQ与P3．2相连接。
    LM016L是16x2数码液晶显示器，每行可显示16个字符，共2行。LM016L的控制器为HD44780，与液晶屏集成在一起。HD44780的控制端有3个，分别是RS、读写控制端RW和使能信号E。RS=0时，配合RW实现命令读写；RS=1时，配合RW实现显示数据的读写。本系统中，单片机的P0口作为数据口，与LM016L的D0～D7连接，为保证电路能正常显示，在P0口与D0～D7之间分别连接8个上拉电阻。P2口作为LCD的控制线，P2．0～P2．2分别连接LM016L的RS、RW和E，VDD、VSS和VEE分别接电源和地。
    本显示器设置了一个检测控制开关SW1，它的高低电平信息通过P2．3传递给单片机。当单片机复位后，若SW1为ON，DS18B20检测温度信息，经过单片机处理后送LM016L显示，工作指示灯LED1亮；若SW1为OFF，则系统暂停工作，工作指示灯LED1灭。当温度传感器DS18B20有故障无法复位时，工作指示灯LED1闪烁。

2 软件设计
    系统在Keil uVision3集成开发环境编写C51程序进行软件开发，采用模块化编程方式。在硬件设计的基础上，根据DS18B20和LM016L的工作原理，软件设计主要完成以下任务：初始化DS18B20，读／写DS18B20，读取DS18B20转换后的温度值并转换，初始化LMOl6L，LM016L显示温度值等。以上各个子任务分别用相应的子程序来实现，在主程序中有序的调用各个子程序模块，程序流程图如图3所示。

系统软件设计的重点和难点之一是传感器输出信号的读取和转换。单片机从DS18B20中读到的温度值是16位的数字信息，其中高5位是表示温度正负的符号位。数字温度值的读取并转换成实际温度十进制值的子程序流程图如图4所示。

    温度转换子程序设计如下：

    在软件设计时，应严格按照DS18B20和LM016L的工作时序，设置好延时时间，否则会影响系统的实时性，即出现温度显示输出变化滞后温度输入的变化。

3 系统仿真
    在Keil uVision3中，采用C51编写源程序，在新建项目中选择AT89C52单片机作为CPU，再将编写好的C语言源程序加载到新建项目中。在“Project”下拉菜单中，选择“Options forTarget”对话框，在对话框中选中“Output”选项卡的“Create HEX File”选项，最后点击“Itebuild all Target Files”，编译成功后生成的“*．Hex”文件。在Proteus ISIS7．5中，双击AT89C52，将可执行程序装载到单片机中，如图5所示。

    程序导入Proteus后，点击仿真运行控制按钮后，进入仿真调试状态，点击中的Play键，进行软、硬件交互仿真，如图6所示。图6(a)表明，假如DS18B20检测到的当前温度是123．9℃，则经过单片机处理后，LM016L显示出当前的温度值123．9℃，工作指示灯亮。通过调节DS18B20模型上的上下标，可设定低于零度的温度输入，仿真显示结果如图6(b)所示。在Proteus仿真状态下，调节DS18B20模块的上下标改变温度的输入值(-55.0～+125.0 ℃)，LM016L的输出温度值实时跟随变化。仿真结果表明，该温度显示器能准确的测量并显示温度，测量精度到0．1℃，仿真效果与系统预期要实现的一致。

4 结束语
    利用功能强大的Proteus软件提供的元件库设计硬件电路及软硬件仿真，实现了液晶温度显示器的仿真设计。该显示器电路结构简洁，可靠性高，成本低。通过Proteus的前期仿真提高了液晶温度显示器的设计效率，缩短了开发周期，降低了设计成本，保证了设计的合理性和可靠性。