張全禹，蘇寶林，孫培剛

（綏化學(xué)院，黑龍江　綏化　152061）

庫(kù)房是長(zhǎng)期或短期保存物品的重要場(chǎng)所，如果庫(kù)房的環(huán)境不符合物品的保存條件，物品的質(zhì)量和安全得不到保障，特別是庫(kù)房的溫度和濕度兩個(gè)環(huán)境參數(shù)對(duì)庫(kù)房物品的質(zhì)量起著重要作用，因此為保證物品的安全,科學(xué)的監(jiān)測(cè)庫(kù)房的溫度和濕度,顯得尤為重要.傳統(tǒng)的方法是采用各類(lèi)濕濕度表等檢測(cè)工具,通過(guò)人工進(jìn)行定期測(cè)量，,對(duì)溫度和濕度不達(dá)標(biāo)的庫(kù)房進(jìn)行相應(yīng)的處理.這種測(cè)量方法費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且檢測(cè)的數(shù)據(jù)也不完全準(zhǔn)確，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,近年來(lái)市場(chǎng)上出現(xiàn)了以單片機(jī)為控制核心的溫濕度儀,但是系統(tǒng)速度慢、電路布線復(fù)雜且抗干擾能力不高.因此設(shè)計(jì)一個(gè)電路簡(jiǎn)單、操作方便、速度快且易升級(jí)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景.本文介紹了一種基于FPGA和Lab-VIEW的庫(kù)房環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng).

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

庫(kù)房溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件部分主要由傳感器、FPGA控制板和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)采用DHT11一體化溫濕度傳感器為檢測(cè)模塊，采用FPGA開(kāi)發(fā)板為數(shù)據(jù)計(jì)算和處理模塊，采用RS232－USB串口轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與FPGA控制板之間的通信，系統(tǒng)下位機(jī)采用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)，系統(tǒng)上位機(jī)采用LABVIEW軟件設(shè)計(jì).本系統(tǒng)的工作過(guò)程：上電后，自動(dòng)將檢測(cè)到的溫濕度信息傳輸給FPGA控制板，并由FPGA進(jìn)行計(jì)算和處理后由數(shù)碼管顯示結(jié)果并將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)軟件經(jīng)過(guò)計(jì)算處理后實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)結(jié)果.

圖1　庫(kù)房溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)硬件部分

2.1　溫濕度傳感器

溫濕度傳感器選擇的是否合適，是庫(kù)房溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中重中之重.本系統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)部分選用的是一個(gè)數(shù)字信號(hào)輸出的DHT11型溫濕度傳感器，該傳感器包括了兩個(gè)元件，電阻式感濕元件及NTC測(cè)溫元件[1-3],采用單總線接口,體積小，功耗低，在使用時(shí)不需要外接其他電路，直接與控制器相連即可，電路連接方便.它的性能指標(biāo)在文獻(xiàn)中有詳細(xì)介紹[4-7]，本文不再說(shuō)明.總之該傳感器能夠滿足庫(kù)房環(huán)境的溫濕度測(cè)量需要.本系統(tǒng)中FPGA的P34腳與DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)線相連接,并且在數(shù)據(jù)線上接一個(gè)5k的上拉電阻[8-9]，原因是FPGA與傳感器間的距離小于20m.溫濕度傳感器的硬件連接如圖2所示.

圖2　溫濕度傳感器的硬件連接圖

2.2　FPGA控制系統(tǒng)

為了在短時(shí)間內(nèi)能夠設(shè)計(jì)出適合庫(kù)房溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的方案，也為了提高設(shè)計(jì)的成功率.本系統(tǒng)的FPGA控制系統(tǒng)選用QC E-TECH型FPGA開(kāi)發(fā)板作為系統(tǒng)硬件平臺(tái),如圖3所示,其中FPGA核心芯片為EP1C3T144C8N.本系統(tǒng)采用FPGA作為主控制芯片的原因是由于現(xiàn)有單片機(jī)類(lèi)系統(tǒng)擴(kuò)展后電路復(fù)雜,運(yùn)行速度慢,功能擴(kuò)展受限.而FPGA芯片內(nèi)部引腳豐富、響應(yīng)速度快[8],且便于功能擴(kuò)展,在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需利用開(kāi)發(fā)工具添加和刪除所用的電路模塊或者用硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)即可.克服了以往需要設(shè)計(jì)人員重新分析和設(shè)計(jì)電路,制板和焊接電路,以及考慮擴(kuò)展后的電路對(duì)原電路是否影響等問(wèn)題，另外開(kāi)發(fā)板上集成了四位數(shù)碼管，完全滿足本系統(tǒng)溫濕度數(shù)據(jù)顯示的需要.

圖3　FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部電路設(shè)計(jì)模塊包括傳感器采集、數(shù)據(jù)計(jì)算與處理、四位數(shù)碼管顯示和串行通信等.本文利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)了以上模塊，并利用Quartus II 12.0軟件分別生成電路模塊，并采用圖形輸入方法完成了整體電路的設(shè)計(jì).其中采用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的四位數(shù)碼管顯示電路模塊描述如下：

moduledispay(clk,rst,rh,th,dataout,en);

inputclk,rst;

input[7:0]rh;

input[7:0]th;

output[7:0]dataout;

output[3:0]en;

reg[7:0]dataout;

reg[3:0]en;

reg[15:0]cnt_scan;

reg[3:0]dataout_buf;

always@(posedge clk or negedge rst)

begin

if(!rst)

begin

cnt_scan＜=0;

end

else

begin

cnt_scan＜=cnt_scan+1;

end

end

always@(cnt_scan)

begin

case(cnt_scan[15:14])

2′b00：

en=4′b1110;

2′b01：

en=4′b1101;

2′b10：

en=4′b1011;

2′b11：

en=4′b0111;

default：

en=4′b1110;

endcase

end

always@(en)

begin

case(en)

4′b1110:

dataout_buf=rh/10;

4′b1101:

dataout_buf=rh%10;

4′b1011:

dataout_buf=th/10;

4′b0111:

dataout_buf=th%10;

default:

dataout_buf=8;

endcase

end

always@(dataout_buf)

begin

case(dataout_buf)

4′b0000://0

dataout=8′b0000_0011;

4′b0001://1

dataout=8′b1001_1111;

4′b0010://2

dataout=8′b0010_0101;

4′b0011://3

dataout=8′b0000_1101;

4′b0100://4

dataout=8′b1001_1001;

4′b0101://5

dataout=8′b0100_1001;

4′b0110://6

dataout=8′b0100_0001;

4′b0111://7

dataout=8′b0001_1111;

4′b1000://8

dataout=8′b0000_0001;

4′b1001://9

dataout=8′b0000_1001;

default://

dataout=8′b1111_1111;//

endcase

end

endmodule

3.2　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)顯示界面利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)[11-12]，采用圖形化編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn).LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件,它在很多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[13－14]，例如數(shù)據(jù)采集、顯示和分析，信號(hào)處理與控制等.LabVIEW[15]提供了一個(gè)非常簡(jiǎn)潔且直觀的圖形化編程環(huán)境,設(shè)計(jì)人員無(wú)需掌握C等復(fù)雜的高級(jí)編程語(yǔ)言,就能夠設(shè)計(jì)出實(shí)用的、美觀的人機(jī)交互界面,程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)特別簡(jiǎn)單，只需將所需要圖形模塊按照設(shè)計(jì)流程搭建即可實(shí)現(xiàn),有效縮短了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期,提高了項(xiàng)目的完成質(zhì)量.基于庫(kù)房的環(huán)境參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)顯示界面如圖4所示.該系統(tǒng)主要由串口配置部分、溫濕度顯示部分、溫濕度數(shù)據(jù)曲線部分和啟停按鈕等模塊組成.當(dāng)下位機(jī)與上位機(jī)聯(lián)通成功后,用戶在使用時(shí)首先配置好串口參數(shù)(波特率為115200,數(shù)據(jù)位為8,校驗(yàn)位為無(wú),停止位為1.0),然后在界面上操作啟停按鈕,便可實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集及顯示等功能,方便直觀.上位機(jī)顯示系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口接收FPGA數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送來(lái)的溫濕度數(shù)據(jù),并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示溫濕度數(shù)據(jù),還能對(duì)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線統(tǒng)計(jì).圖4中給出了某一時(shí)刻環(huán)境中的溫濕度值,和近一段時(shí)間的溫濕度波形圖.

4　結(jié)論

針對(duì)庫(kù)房環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)中人工法費(fèi)時(shí)費(fèi)力和現(xiàn)有單片機(jī)類(lèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路復(fù)雜、抗干擾性不高的問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和LabVIEW軟件的庫(kù)房環(huán)境溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)的下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)房環(huán)境，主要是對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示的功能,庫(kù)房工作人員在巡檢過(guò)程中一目了然,為其定點(diǎn)查看庫(kù)房環(huán)境參數(shù)提高了工作效率,減輕了庫(kù)房工作人員的工作量,提高了管理質(zhì)量.采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)的上位機(jī)界面友好，美觀，給庫(kù)房管理人員提供了方便、舒適的工作環(huán)境，方便監(jiān)控人員隨時(shí)查看溫濕度信息,包括當(dāng)前的溫濕度值及近期庫(kù)內(nèi)的溫濕度變化情況,實(shí)現(xiàn)了庫(kù)房管理的智能化.經(jīng)過(guò)測(cè)試表明,該系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、使用方便、成本低、采集速度快和抗干擾能力強(qiáng),能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度環(huán)境,不僅適合庫(kù)房溫濕度的測(cè)量,在蔬菜大棚及其他需要測(cè)量溫濕度等環(huán)境中也同樣具有應(yīng)用價(jià)值.

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