孫福玉

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

基于FPGA的濕控定時噴灌系統(tǒng)設(shè)計

孫福玉

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

文章在MAX+PLUS II開發(fā)環(huán)境下采用VHDL語言，設(shè)計并實現(xiàn)了濕控定時噴灌系統(tǒng)，波形仿真及下載芯片測試表明該設(shè)計方案是可行的.該設(shè)計首次實現(xiàn)了濕度控制下的定時噴灌系統(tǒng).

傳感器；噴灌；硬件描述語言；現(xiàn)場可編程門陣列

1 引言

水分是天然土壤的一個重要組成部分，它不僅影響到土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動，而且是構(gòu)成土壤肥力的一個重要因素，更是一切植物賴以生存的基本條件.因此進(jìn)行濕控定時噴灌，對實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，節(jié)水灌溉，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率有重要的意義[1].

FPGA是新型的可編程邏輯器件，能夠?qū)⒋罅康倪壿嫻δ芗捎趩蝹€器件中，它所提供的門數(shù)從幾百門到上百萬門，符合系統(tǒng)芯片(SOC—System On Chip)的發(fā)展要求，具有高度集成、低功耗、硬件升級等優(yōu)點，可以滿足不同的需要[2，3].

隨著電于技術(shù)和傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，使得可編程邏輯器件在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)和微電子技術(shù)應(yīng)用中起著越來越重要的作用,本文主要研究利用FPGA器件和MAXPLUSⅡ工具軟件設(shè)計濕控定時噴灌系統(tǒng)[4].文中還涉及到SHT1x/SHT7x濕度/溫度傳感器的應(yīng)用[5].

2 SHT1x/SHT7x濕度傳感器

在濕控定時噴灌系統(tǒng)中采用了SHT1x/SHT7x濕度傳感器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.SHT1x/SHT7x是Sensiron公司推出的超小型、高精度、多功能式智能濕度傳感器集成電路，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)，廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域.SHT1x/SHT7x采用CMOS技術(shù)制造，內(nèi)有濕度和溫度兩只傳感器并共享一個底座，能在同一個位置同時對被測量的濕度和溫度作出響應(yīng)，這對于測量露點溫度非常有用.芯片中不僅包含基于濕敏電容的微型相對濕度傳感器和基于帶隙電路的微型溫度傳感器，而且還有一個放大器、一個14位A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器以及二線串行接口等電路，測量時，首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度、溫度信號，經(jīng)放大后分別送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯，然后通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至微控制器，再利用微控制器完成非線性補償和溫度補償，輸出經(jīng)過校準(zhǔn)的相對濕度和溫度的串行數(shù)據(jù).

圖1 SHT1x/SHT7x濕度/溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖

二線串行接口包括串行時鐘線（SCK）和串行數(shù)據(jù)線（DATA）.SCK用來接收微控制器發(fā)送來的串行時鐘信號，使SHT1x/SHT7x與主機保持同步.DATA為三態(tài)引出端，既可輸入數(shù)據(jù)，也可輸出測量數(shù)據(jù)，不用時呈高阻態(tài).僅在DATA的下降沿過后，且SCK處于上升沿的時刻才能更新數(shù)據(jù).為了使數(shù)據(jù)信號為高電平，在數(shù)據(jù)線DATA與UDD端之間，需連接一只10KΩ上拉電阻.該上拉電阻通常已包含在微控制器的I/O接口電路中.

3 FPGA功能模塊的設(shè)計

使SHT1x/SHT7x濕度傳感器輸出的數(shù)字信號輸入到FPGA可編程邏輯器件,在MAXPLUSⅡ工具軟件上編寫VHDL程序如下:

程序中假定每天13時至14時當(dāng)相對濕度小于50%時自動噴灌系統(tǒng)打開，根據(jù)需要可在程序中方便的調(diào)整時間及相對濕度的數(shù)值.

為了結(jié)構(gòu)清晰，程序中對時鐘進(jìn)程進(jìn)行了簡化，用10個clk脈沖代表1個小時，實際的時鐘進(jìn)程應(yīng)包括秒低位、秒高位、分低位、分高位、時低位和時高位計數(shù)器等進(jìn)程.簡化處理后亦使仿真結(jié)果更加清晰.

4 仿真

本文設(shè)計的VHDL語言程序已在MAXPLUSⅡ工具軟件上進(jìn)行了編譯、仿真和調(diào)試，通過編程器下載到了EP1K30TC144-3芯片中實際測試并獲得了滿足設(shè)計要求的結(jié)果.

濕控定時噴灌系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖2所示.

圖2 濕控定時噴灌系統(tǒng)仿真結(jié)果

從圖2可見：在13時當(dāng)相對濕度為55時，control控制信號為0，當(dāng)相對濕度降為45時，control控制信號為1，表示噴灌系統(tǒng)自動工作.在14時時control控制信號為1，到15時雖然相對濕度仍為45但control控制信號為0，表示時鐘的定時控制生效，系統(tǒng)自動關(guān)閉.

5 結(jié)論

通過以上對濕控定時噴灌系統(tǒng)的設(shè)計，看到應(yīng)用FPGA器件和EDA技術(shù)，不僅縮短了系統(tǒng)的設(shè)計周期，還減少了系統(tǒng)體積，提高了系統(tǒng)的可靠性.具有設(shè)計周期短、設(shè)計費用和風(fēng)險低、功能靈活的特點.

本文設(shè)計了基于VHDL語言的濕控定時噴灌系統(tǒng).程序通過了功能仿真和時序仿真，生成了可綜合的網(wǎng)表文件，并下載到EP1K30TC144-3芯片中.仿真和測試的結(jié)果表明程序完成了其邏輯功能.

本文首次實現(xiàn)了濕控定時噴灌系統(tǒng)的設(shè)計，只用簡單的電路使全電子式溫控自動噴灌成為可能，本設(shè)計的產(chǎn)品使用簡單，體積小便于攜帶，很適合在田間、溫室大棚、草坪等場合，便于推廣使用.本設(shè)計必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益.

〔1〕白澤生.一種土壤水分檢測儀的設(shè)計[J].微計算機信息,2007（3）:202-203.

〔2〕Dirk Jansen.Handbuch der Electronic Design Automation[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005：146-223.

〔3〕趙巖嶺,劉春，等.在 MAX+plusⅡ平臺下用 VHDL 進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計[J].微計算機信息,2004（4）:91-92.

〔4〕孫福玉,楊蘊石.基于FPGA的溫控定時噴灌系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息,2007（32）:216-217.

〔5〕黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006:18-21.

TP212

A

1673-260X（2010）02-0029-02

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目基金資助（NJzc08157）