［關(guān)鍵詞］溫濕度檢測(cè)；FPGA ；DHT11 ；LCD1602

［中圖分類號(hào)］TM63 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）10–0007–03

1開發(fā)背景

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在可編程器件如PAL（可編程陣列邏輯）和GAL（通用陣列邏輯）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA是一種可有效解決傳統(tǒng)器件門電路數(shù)量有限問題的可編程邏輯器件，是專用集成電路中的一種半定制電路。FPGA的基本結(jié)構(gòu)包括可編程輸入輸出單元、可重構(gòu)邏輯區(qū)塊、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊、內(nèi)置區(qū)塊RAM、布線資源、內(nèi)置專用硬核、底層內(nèi)置功能單元。FPGA的設(shè)計(jì)流程涵蓋了算法設(shè)計(jì)、代碼模擬、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以及板級(jí)調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)人員先根據(jù)實(shí)際需要確定算法框架，再用EDA工具或使用HD編程語(yǔ)言編寫設(shè)計(jì)代碼來(lái)制訂設(shè)計(jì)方案。利用代碼模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的符合性，然后進(jìn)行板級(jí)調(diào)試，并在FPGA芯片上加載配置電路，最終對(duì)實(shí)際操作效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2方案選擇與可行性分析

解決方案1：以FPGA（CycloneⅡ系列）為主控模塊，搭配DS18B20溫度感應(yīng)器和HS1101濕度感應(yīng)器。該顯示屏采用LCD1602液晶顯示屏，報(bào)警裝置采用PWM模式的蜂鳴器，而電器裝置則換成開關(guān)。

解決方案2：核心模塊同樣采用FPGA（CycloneⅡ系列），但溫濕度傳感器采用DHT11。使用LCD1602液晶顯示屏顯示探測(cè)到的溫度和濕度數(shù)據(jù)，同時(shí)使用開關(guān)控制電器裝置作為報(bào)警裝置，并采用PWM模式的蜂鳴器。

從上述兩種系統(tǒng)方案中可以看到，溫濕度采集模塊有DHT11和DS18B20+HS1101這兩種選擇，DHT11測(cè)量范圍20%～90%，0～50℃，測(cè)溫精度為±2℃，測(cè)濕精度為±5%；DS18B20測(cè)量范圍為-55～125℃，-10～85℃，誤差范圍為±0.5℃。最高精度可達(dá)0.0625℃；HS1101測(cè)量相對(duì)濕度范圍為0～100%，誤差為±2%。DS18B20+HS1101的組合精度更高，測(cè)量范圍也更大，但由于是兩個(gè)元件，設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，功耗也更大。雖然DHT11的精確度沒有另一種組合更高，測(cè)量范圍也更小，但仍能滿足應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且功耗較低，因此采用DHT11的這一設(shè)計(jì)的溫濕度收集模組更符合要求。故出于對(duì)產(chǎn)品功耗、性能等多方面的考慮，在設(shè)計(jì)溫濕度傳感器時(shí)選擇了DHT11。

3模塊設(shè)計(jì)

3.1溫濕度采集模塊

DHT11傳感器有4個(gè)引腳，分別為VDD、DATA、NC和GND。傳感器的工作電壓為3.3～5.5V，如果在供電時(shí)選擇3.3V，接線長(zhǎng)度應(yīng)盡量縮短，接線過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致傳感器供電不足，造成測(cè)量誤差。

DHT11器件采用簡(jiǎn)化的單線通信，即完全依靠這條線路在系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與控制。設(shè)備（Master或Control）可通過(guò)1個(gè)開路或三態(tài)口連接數(shù)據(jù)線，從而釋放總線而不發(fā)送數(shù)據(jù)，以便其他設(shè)備使用。一般單總線上拉電阻需接在4.7kΩ左右。這樣其狀態(tài)就保持了在總線空閑時(shí)的高水平狀態(tài)。由于主機(jī)必須呼叫從機(jī)，從機(jī)才會(huì)應(yīng)答，因此需要按照單總線的正確順序，才能讓主機(jī)訪問設(shè)備。

DHT11傳感器以8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、8位校驗(yàn)位為數(shù)據(jù)格式傳輸數(shù)據(jù)。需要說(shuō)明的是濕度的小數(shù)部分始終為零。

在FPGA與DHT11之間的通信過(guò)程中，將FPGA作為主機(jī)，DHT11作為從機(jī)。DHT11在主機(jī)一次發(fā)送起動(dòng)訊號(hào)后，從低功耗模式轉(zhuǎn)換為高速模式，并發(fā)送響應(yīng)訊號(hào)，在主機(jī)一次發(fā)送起動(dòng)訊號(hào)結(jié)束后發(fā)送40bit資料以觸發(fā)一次資訊收集。

設(shè)置微處理器的I/O為輸出狀態(tài)并輸出低電平，要求不低于18ms（且不超過(guò)30ms）的低電平維持時(shí)間，之后將微處理器的I/O轉(zhuǎn)換為輸入狀態(tài)。微處理器的輸入輸出引腳（即DHT11的數(shù)據(jù)線）也因?yàn)樯侠娮璧淖饔?，即為了等待DHT11發(fā)送答案信號(hào)，而被拉高了電平。

當(dāng)DHT11的DATA引腳偵測(cè)到外接訊號(hào)為低電平時(shí)，會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)直到外接訊號(hào)的低電平結(jié)束，再延遲一段時(shí)間后，DHT11的DATA引腳便會(huì)轉(zhuǎn)換成輸出狀態(tài)（double-在微處理器輸入/輸出等待接收數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送83μs的低電平信號(hào)，然后發(fā)送87μs的高電平信號(hào)，通知外設(shè)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)）。在偵測(cè)到低電平的I/O訊號(hào)（即DHT11的應(yīng)答訊號(hào)）后，數(shù)據(jù)接收需要等待高電平訊號(hào)87μs。

DHT11的DATA引腳輸出40位數(shù)據(jù)，微處理器接收這些數(shù)據(jù)的方式是通過(guò)監(jiān)測(cè)I/O電平的變化。“0”位數(shù)據(jù)格式為低電平持續(xù)時(shí)間為54μs，之后高電平持續(xù)時(shí)間為23～27μs；“1”位數(shù)據(jù)格式為低電平持續(xù)時(shí)間54μs，之后高電平持續(xù)時(shí)間68～74μs。

DHT11的DATA引腳輸出40bit數(shù)據(jù)后，在上拉電阻使其變?yōu)楦唠娖降那闆r下，持續(xù)輸出低電平54μs后將其設(shè)為輸入狀態(tài)。DHT11在準(zhǔn)備接收外部信號(hào)的同時(shí)，會(huì)周期性地重新測(cè)量環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。

為更好地說(shuō)明DHT11的運(yùn)行規(guī)則，文章引入“狀態(tài)機(jī)”對(duì)其進(jìn)行解釋。本設(shè)計(jì)DHT11狀態(tài)如圖1所示，共分為6個(gè)狀態(tài)，上電穩(wěn)定后運(yùn)行狀態(tài)只有5個(gè)。

（1）WAIT_1S。上電后即進(jìn)入這個(gè)狀態(tài)，主要是因?yàn)樯想姾笮枰?s的時(shí)間穩(wěn)定DHT11的狀態(tài)。該狀態(tài)使用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，滿足1s就跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)START，并且計(jì)數(shù)清零，不滿足則停留在這個(gè)狀態(tài)一直計(jì)數(shù)。

（2）START。在這個(gè)狀態(tài)下DHT11進(jìn)入工作狀態(tài)。主機(jī)將總線拉低18～30ms后再拉高。在這個(gè)狀態(tài)仍使用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，拉低總線后計(jì)數(shù)開始，計(jì)數(shù)滿足條件后清零并跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)DELAY_10μs，不滿足則停留在這個(gè)狀態(tài)一直計(jì)數(shù)。

（3）DELAY_10μs。在這個(gè)狀態(tài)下主機(jī)應(yīng)拉高10μs后釋放總線進(jìn)入等待狀態(tài)等待從機(jī)（DHT11）拉低作為回應(yīng)。主機(jī)將總線拉低10μs再將總線放出來(lái)。在這個(gè)狀態(tài)仍使用計(jì)數(shù)器，拉低總線后計(jì)數(shù)開始，計(jì)數(shù)滿足條件后清零并跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)DELAY_10μs，不滿足則停留在這個(gè)狀態(tài)一直計(jì)時(shí)。

（4）REPLY。這個(gè)狀態(tài)是檢查從機(jī)是否回應(yīng)以及回應(yīng)是否符合時(shí)序。一旦主機(jī)檢測(cè)到上升沿且此時(shí)計(jì)數(shù)器介于70～100μs，則說(shuō)明從機(jī)回應(yīng)了一個(gè)70～100μs的低電平信號(hào)，從而跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)DELAY_75μs；一旦主機(jī)檢測(cè)到上升沿但此時(shí)計(jì)數(shù)器大于500μs時(shí)仍沒有檢測(cè)到上升沿，則說(shuō)明從機(jī)的應(yīng)答不符合時(shí)序，那么狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到START狀態(tài)（不跳轉(zhuǎn)到WAIT_1S狀態(tài)，因?yàn)橹挥性诿看紊想姾蟛判枰舆t1s）并將計(jì)數(shù)器清零，在這個(gè)狀態(tài)計(jì)數(shù)器一直計(jì)數(shù)到跳轉(zhuǎn)至另一個(gè)狀態(tài)才清零。

（5）DELAY_75μs。該狀態(tài)為了接收數(shù)據(jù)而向主機(jī)輸出87μs高電平。因?yàn)楹罄m(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一定是以低電平開始，所以在這里一定會(huì)檢測(cè)到數(shù)據(jù)線上的一個(gè)下降沿。一旦檢測(cè)到下降沿且計(jì)數(shù)器大于70μs，那么跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)REV_data并將計(jì)數(shù)器清零，不然則停留在這個(gè)狀態(tài)一直計(jì)時(shí)。

3.2顯示模塊

本設(shè)計(jì)顯示模塊采用LCD1602，共有16根管腳（部分型號(hào)只有14根，沒有背光管腳），需要使用的管腳為RS，E和D0-D7。當(dāng)RS為低電平時(shí)，代表輸入命令；當(dāng)RS為高電平時(shí)，代表輸入數(shù)據(jù)。若表示輸入命令，則輸入與設(shè)置模塊相當(dāng)?shù)臄?shù)列D0-D7；若表示輸入數(shù)據(jù)，則將輸入的數(shù)字列成D0-D7，等于寫進(jìn)了一個(gè)字符串，該字符串需要顯示。E端是用來(lái)執(zhí)行命令的能量引腳，當(dāng)LCD模塊執(zhí)行命令時(shí)，其由高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄏ陆笛兀?。D0-D7是八位雙向并行數(shù)據(jù)線，在文章中僅作輸入端（寫入）。

模塊有CLK時(shí)鐘輸入端、_RST低電平有效復(fù)位端、LCD_E使能端、LCD_RS數(shù)據(jù)/命令選擇端、LCD_DATA數(shù)據(jù)端5個(gè)端口（其中8個(gè)數(shù)據(jù)端合為8位寬端口）；上電穩(wěn)定是數(shù)據(jù)手冊(cè)要求須通電20ms才能進(jìn)行下一步操作的簡(jiǎn)單初始化模塊；RS端通過(guò)數(shù)據(jù)或指令對(duì)輸入進(jìn)行控制；字符輸入由FPGA得到溫度和濕度，溫度以第一行表示，濕度以第二行表示。

3.3判斷模塊和報(bào)警模塊（信號(hào)輸出模塊）

對(duì)DHT11傳輸過(guò)來(lái)的溫度進(jìn)行判斷，若溫度大于40℃（濕度大于90）以上，則輸出信號(hào)為3，代表此時(shí)溫度（濕度）過(guò)高，同時(shí)蜂鳴器開始報(bào)警；如果溫度小于15℃（濕度小于40），則輸出信號(hào)為2，代表此時(shí)溫度（濕度）過(guò)低，蜂鳴器同樣進(jìn)行報(bào)警；溫度大于15℃，小于40℃時(shí)（濕度大于40，小于90時(shí)），輸出信號(hào)為0，代表溫度（濕度）正常，蜂鳴器不工作。

蜂鳴器的設(shè)置為外部輸入25MHz的時(shí)鐘信號(hào)，然后用20位計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，對(duì)應(yīng)的一個(gè)周期為25Hz，設(shè)置判斷邏輯，即可得到占空比為50%的蜂鳴器發(fā)出聲響的結(jié)果。同時(shí)，在輸入信號(hào)大于1點(diǎn)的情況下，喊話器也只會(huì)發(fā)出響聲。

4結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了以FPGA為核心部件的電氣設(shè)備降溫節(jié)能控制系統(tǒng)，利用軟件編程進(jìn)行驗(yàn)證，最終基本上實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)要求。溫濕度檢測(cè)和控制與生產(chǎn)及生活密切聯(lián)系，是熱門研究課題之一。溫濕度的智能控制已成為一種不可避免的趨勢(shì)。未來(lái)，通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)的運(yùn)用，不僅可提高效率，還可節(jié)約人力資源。