基于仿真软件智能控制户外晾衣架硬件模块的设计

宋云 邹成阳 张浩杰 查昶靖

摘要：基于Multisim和Proteus對多传感智能控制户外晾衣架的部分硬件功能进行简单的仿真模拟。在Multisim和Proteus软件上主要仿真模拟了控制系统硬件中的雨水传感器模块，温湿度传感器模块，光照强度传感器模块和电机驱动模块。通过仿真模拟的过程，了解相应传感器模块信号的产生与传输，加深对相应传感器模块的理解，达到减少实物操作的失误和器件损耗的目的。

关键词：Multisim;Proteus;传感器

中图分类号：TP273      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）25-0076-03

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1 引言

随着软件的发展与进步，现在各种仿真软件的功能异常强大，几乎可以满足各种实验和开发的仿真模拟需求。在现有的仿真模拟软件中，各种电子元器件和实验仪器可以从软件界面上获取，数量不限，并且仿真模拟实验的器材与实物相差不大，因此仿真模拟具有易学易用，工具齐全的特点;同时，软件中的电子元器件的数值修改方便，可以减少寻找器件和仪器的时间，提高实验效率;并且，在仿真模拟的过程中，还可以模拟电子元器件的开路、短路、漏电等故障的功能[1]，提前知道相应故障的现象，可以在实物操作时提供一些发现错误的思路;除此之外，仿真模拟还具有精度高、无消耗的特点，因此在仿真模拟出需要的结果后，可以提前知道正确结果的表现形式和所需元器件的种类和数量，可以为后续的实物操作提供正确的方向和元器件购买思路，节约时间和经费。

本次模拟仿真用到的是Multisim和Proteus。其中Multisim是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的数字和模拟电路板的设计工作，它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有强大的仿真分析能力[2]。通过Multisim和虚拟仪器技术，工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程[3]。

而Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA软件工具。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，Proteus真正实现了从概念到产品的完整设计，也是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台[4]。

2 仿真模拟雨水传感器模块

本模块的模拟采用Multisim进行仿真模拟，仿真模拟电路如图1所示。图中电路由VCC进行5V供电，同时电路接地，电路中的LED1起到电源指示的作用，当通电时，LED1发光，当停止通电时，LED1熄灭;电阻R4模拟雨水感应部分，当R4感应到雨水时，其电阻减小，使得LM393同相输入端的电压下降，当同相输入端的电压低于反向输入端的电压，LM393输出低电平，LED2发光，提示接触到雨水，反之LM393输出高电平，LED2熄灭;可变电阻R2起到调节电路灵敏度的作用，通过对R2的调节，使得当LM393的反相输入端的电压越与没有雨水时的正向输入端的电压接近且不大于正向输入端的电压时，该电路对雨水的感应灵敏度越高。

在开始仿真模拟之后，通过调节R4的大小，可以得到示波器1的波形如图2所示，其中高电平代表没有雨水落下，LED2熄灭;低电平代表感应到雨水落下，LED2发光。由于电路的输出只有高电平和低电平，因此当电路输出端与单片机的I/O口相连时，通过if语句判断相应I/O口电平的高低来判断雨水的有无，当if语句判断出雨水传感器对应的I/O口的电平为高电平时，不执行电机正转所在的函数，即电机不转动;当if语句判断出雨水传感器对应的I/O口的电平为低电平时，执行电机所在的正转函数，进而控制电机进行防雨材料的放出，起到保护衣物的作用。

3 仿真模拟温湿度传感器模块

由于温湿度传感器模块不像雨水传感器模块那样，传递的信号只有0和1，温湿度传感器模块需要采集到当前环境的温湿度值并与事先设定的温湿度值进行比较并做出判断，因此本模块采用Proteus进行仿真模拟，仿真模拟图如图3所示。

为了便于仿真模拟的进行，减少工作量，本次采用的控制单元是AT89C51，由于是在Proteus进行仿真模拟，AT89C51已经自带晶振电路和复位电路，于是AT89C51外围不再接晶振电路和复位电路;本电路中的DHT11即为温湿度传感器，是控制单元AT89C51的数据来源，在仿真模拟的过程中温湿度数值的改变需要手动进行，通过改变湿度、温度的模式和数值的加减，实现温湿度数值的改变，由于DHT11是单总线结构，因此只需单片机AT89C51的一个I/O口即可实现数据的传输;LCD1602的作用就是显示出当前温湿度传感器的温湿度数值，D0-D7连接在单片机AT89C51的P0口，实现地址和数据的传送，由于LCD1602只显示单片机AT89C51传递给它的数据，而不向单片机传送数据，因此RW始终接低电平即可，其中LCD1602的引脚功能如表1所示;按键S1、S2和S3用于设置进行比较的温湿度数值;RP1是P0口的上拉电阻。

利用AT89C51读取温湿度传感器DHT11的温湿度值，并显示在LCD1602显示屏上，同时用if语句与事先用按键设定好的温湿度数值进行比较，当湿度大于设定的湿度数值时，控制单元AT89C51执行电机所在的正转函数，控制支架上相应电机的旋转，达到防雨材料放出保护衣物的目的。

4 仿真模拟光照强度传感器模块

由于需要读取支架左右和中间的光照强度的数值，因此需要三个光照传感器，同时因为需要对读取到的数值进行大小的比较，因此本模块采用Proteus进行仿真模拟，仿真模拟图如图4所示。

由于Proteus软件中没有直接提供光照强度的模块，因此在模拟电路中采用手动改变电阻大小的方式模拟光敏电阻受到光照后阻值的变化，进而带来分压大小的变化，通过分压大小变化的不同，表明受到光照强度大小的不同;由于电阻大小的变化是模拟量，而单片机AT89C51处理数字量更为准确和方便，于是使用ADC0804来实现模拟量到数字量的转化，其中ADC0804的引脚功能如表2所示;ADC0804左边的固定电阻和电容的作用是产生A/D转换时所需的时钟，其中频率=1/1.1RC，可变电阻则用来模拟光敏电阻。

在本仿真模拟电路中，可变电阻模拟量的变化通过ADC0804转化为数字量，转化后的数字量被单片机AT89C51所接收，在单片机AT89C51接收到三个光照强度的数据后，利用if语句对三个光照强度的数据进行比较判断，得出光照强度最大的数值，并执行电机转动函数控制电机旋转，使得支架转向光照强度最大的方向，达到快速晾晒衣物的目的。

5 仿真模拟电机驱动模块

由于是在单片机处理数据之后才控制电机的转动，于是电机驱动模块采用Proteus进行仿真模拟[5]，仿真模拟电路如图5所示。

图5中有两个电机和一个L298N，一个L298N剛好可以驱动两个二相电机，L298N正常工作时需要给ENA和ENB提供高电平，在ENA和ENB为低电平时L298N无法工作;通过控制单片机I/O口电平的高低，可以控制L298N输入口电平的高低，进而可以控制二相电机的正转和反转，电机正反转和电平的关系如表3所示。

通过单片机对雨水传感器模块，温湿度传感器模块，光照强度传感器模块数据的接收和处理，通过程序的设定，当雨水的有无，温湿度的数值，光照强度的数值之间的比较满足既定条件时，单片机便向电机驱动模块发送相应的指令，驱动对应的电机进行转动，完成既定的目标任务。

6 总结

通过使用软件Multisim和Proteus对智能晾衣架的部分硬件进行仿真模拟，对各个模块信息的产生与传输有了更好的理解，同时注意到了一开始没有想到的问题，比如LCD1602的使用，可以将相应的单片机接收并处理过的数据显示出来，让使用者对当前的环境状况有更加清楚的认知，有利于使用者正确做出下一步的判断;同时通过仿真模拟，认识到了L298N能驱动两个二相电机或者一个四相电机，因此在购买材料时，如果购买的是二相电机，则L298N购买的数量减半，如果购买的是四相电机，则L298N的数量要与四相电机的数量保持一致，为材料的购买提供了方向;同时通过解决仿真模拟时遇到的问题也为实物的操作打下了一些理论基础，有利于后期实物操作的进行。

参考文献：

[1] 陈跃华，向启荣，杜明茜.网络电子电路仿真实验室的构建及其教学应用[J].中国现代教育装备，2008（5）：27-29.

[2] 金有超.基于风力发电的超级电容智能充电及电量检测设备研究[D].沈阳：东北大学，2011.

[3] 陆运华.电学仿真软体的现状与发展[J].电子测试，2007（10）：4-8.

[4] 王超，梁红梅.虚拟仿真软件在单片机设计性实验中的应用[J].高师理科学刊，2015，35（12）：84-87.

[5] 岳东海，颜鹏.直流电机PWM无级调速控制系统设计[J].价值工程，2010，29（2）：135-136.

【通联编辑：谢媛媛】