引言

　　隨著經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對各種室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高。傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備實時性差、精度低、體積大、功耗大，難以適應(yīng)現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。基于以上背景，本文設(shè)計了基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀系統(tǒng)，它能實時自動地采集室內(nèi)多個地方的溫度、濕度、煙霧濃度、甲醛濃度、二氧化碳濃度、CO濃度，該監(jiān)測儀功耗低、體積小、成本低、測量精度高，易于使用，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

　　1 多參數(shù)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　本設(shè)計中，各種被測信號經(jīng)過傳感器、放大整形濾波、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 采集緩存等處理后，進入單片機，通過單片機計算處理后實現(xiàn)液晶顯示、上位機通信 ，同時來自上位機的信號經(jīng)RS485總線傳輸?shù)讲杉?jié)點 ，驅(qū)動數(shù)據(jù)采集。多參數(shù)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測儀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　在圖1中，CO傳感器測量范圍30~1000ppm，輸出電流信號范圍為0.45~15μA，而甲醛傳感器的測量范圍0~10ppm，輸出電流范圍是0~20μA，先將這兩個電信號進行放大濾波處理后再送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。煙霧和CO 傳感器輸出的是0~5V的電壓信號，直接送入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，溫濕度傳感器輸出的是數(shù)字量，直接被FPGA采集。6項數(shù)據(jù)由FPGA并行采集，緩存供單片機調(diào)用。采集節(jié)點通過RS485總線與上位機通訊，實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和報警等功能。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 單片機控制部分

　　STC89C52是一個低功耗、高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機 ，具有在線編程功能，使用簡單且價格非常低廉。STC89C52單片機系統(tǒng)由單片機、時鐘電路、復(fù)位電路組成。

　　2.2 FPGA數(shù)據(jù)處理模塊

　　FPGA具有豐富的引腳，可用于進行I/O擴展，并且可以實現(xiàn)硬件并行運算，所以本文選用了FPGA輔助STC89C52單片機進行數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、緩存。由于不同系列的FPGA芯片其靜態(tài)功耗各不相同，而且同一系列的器件中，型號不同的器件其靜態(tài)功耗也不盡相同。在同一系列的器件中，靜態(tài)功耗隨著器件內(nèi)部可用邏輯門數(shù)量和RAM的不同而不同。因此，在低功耗FPGA設(shè)計中，在滿足設(shè)計要求的前提下，應(yīng)當(dāng)考慮選用低靜態(tài)功耗的FPGA器件。本設(shè)計考慮綜合成本、功耗等方面的因素，最終決定采用EP1C12Q240C8 。FPGA硬件框圖如圖2所示。其中包括：(1)與ADC0809的數(shù)據(jù)連接。(2)與單片機的數(shù)據(jù)通訊。(3)FPGA的配置部分。(4)時鐘與電源電路部分。FPGA配置方式采用主動串行(AS)配置模式，配置芯片采用EPCS4，這種芯片內(nèi)部自帶永久性存儲器和簡單的4腳配置接口，不僅成本低，而且解決了FPGA器件的掉電易失性。EPCS4存儲空間為4Mbit，足以容納整個系統(tǒng)配置代碼，通過DCLK，DATA0，ASD0和Ncs0四腳對FPGA器件進行配置。

　　2.3 電源電路設(shè)計

　　本系統(tǒng)的電源電路如圖3所示，220V的交流電通過電源變壓器變換成12V的交流電，再經(jīng)過橋式整流電路D1~D4和LM7805轉(zhuǎn)變?yōu)?5V的穩(wěn)定直流電壓。

　　而EP1C12Q240C8穩(wěn)定工作需要3.3V和1.5V的電壓，需進行電壓轉(zhuǎn)換。本設(shè)計中采用低功耗的電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117，它可以提供多個穩(wěn)定電壓輸出，外圍電路簡單，精度高，提供電流限制和熱保護等功能。轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

　　2.4 采集信號調(diào)理電路設(shè)計

　　由于一氧化碳和甲醛傳感器輸出信號較弱，所以在處理之前應(yīng)先進行放大。本設(shè)計中，一氧化碳傳感器采用TGS2442，輸出電流信號范圍為0.45~15μA。甲醛傳感器采用ME3M-CH20，輸出電流范圍為0~20μA，在調(diào)理電路中，需將這兩個電流信號經(jīng)過采樣電阻為1kΩ的精密電阻器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺賹Υ穗妷盒盘栠M行調(diào)理。本設(shè)計采用AD620對信號進行放大，AD620具有高精度、低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計中。信號調(diào)理電路設(shè)計如圖5所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 軟件總體設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計要求，系統(tǒng)軟件程序主要實現(xiàn)以下功能：6項被測數(shù)據(jù)的檢測、處理和顯示。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

　　系統(tǒng)選用C語言編寫程序，程序設(shè)計首先對傳感器、FPGA、單片機、按鍵、液晶顯示和上位機顯示等進行初始化。FPGA控制啟動數(shù)據(jù)采集，AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后進行處理并存儲在FPGA內(nèi)部設(shè)計的RAM中，單片機讀取RAM中的信號并顯示，當(dāng)某一項數(shù)據(jù)超出設(shè)定指標(biāo)后啟動報警程序并發(fā)出警報聲，用戶對警報做出應(yīng)對措施后，恢復(fù)正常。具體流程如圖7所示。

　　3.2 FPGA邏輯控制部分

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/262218.htm

　　在FPGA中設(shè)計了計數(shù)器和數(shù)據(jù)存儲器RAM以及邏輯控制模塊，以保證能夠?qū)崟r地將ADC轉(zhuǎn)換過來的數(shù)據(jù)進行處理，F(xiàn)PGA邏輯控制模塊如圖8所示。

　　AD邏輯控制模塊用來對AD轉(zhuǎn)換器進行采樣控制。EP1C12Q240C8在對ADC0809控制時產(chǎn)生START轉(zhuǎn)換啟動信號，ALE地址鎖存允許信號(高電平有效)，在工作過程中FPGA不斷讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC判斷ADC0809轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。當(dāng)EOC發(fā)出一個正脈沖時，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時開啟輸出允許OE，打開ADC0809的三態(tài)緩沖鎖存器將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)輸入FPGA中。存儲器RAM主要用來存儲采集的數(shù)據(jù)，方便單片機直接調(diào)用。

　　3.3 串口通信

　　單片機將采集的數(shù)據(jù)進行處理后，通過RS485總線接口電路傳輸至監(jiān)控平臺。RS485通信距離為幾十米到上千米，并且采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共?？垢蓴_的能力，在互連時可以省掉許多信號線。被廣泛應(yīng)用于單片機與PC之間的數(shù)據(jù)傳輸。

　　通信協(xié)議具體的要求如下：

　　(1) 上位機為主機，各節(jié)點采集模塊為從機，上位機需要讀出采集點的數(shù)據(jù)時，先發(fā)送設(shè)置指令，滿足一定的條件后發(fā)送數(shù)據(jù)查詢指令。

　　(2) 主從機之間采用多點總線型主從式結(jié)構(gòu)、異步半雙工通訊方式，波特率設(shè)為9600bps。

　　(3) 由主機以一定的周期按照地址順序輪流向各從機發(fā)送查詢或控制指令，從機根據(jù)指令中的地址碼判斷是否輪到自己發(fā)送數(shù)據(jù)，是則立即根據(jù)指令向主機返回相應(yīng)的信息，不是則不得向總線發(fā)任何數(shù)據(jù)。

　　(4) 正常情況下主機所有的指令只發(fā)一次，從機在接收無誤的情況下立即響應(yīng)。如果主機在限定時間內(nèi)(200ms)未收到應(yīng)答，則繼續(xù)向該從機發(fā)送，如果連續(xù)3次不正常，則判斷該從機通訊故障，終止查詢，如果連續(xù)4次未能接收到從機的回應(yīng)則判斷485出現(xiàn)故障并報警。

　　3.4 上位機顯示程序設(shè)計

　　上位機要實現(xiàn)與下位機的通信，實現(xiàn)不同節(jié)點的選擇，參數(shù)數(shù)據(jù)的上傳，數(shù)據(jù)的實時顯示，以及不同參數(shù)的趨勢圖繪制。上位機的工作流程如圖9。

　　3.4.1 Visual Basic6.0中的串行通信控件MSComm

　　MSComm控件通過串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能。它提供事件驅(qū)動方式和查詢方式兩種處理通信的方式。

　　MSComm控件通信的流程圖如圖10所示。編寫程序時，只需要按照圖10的流程圖，即可實現(xiàn)通信功能。

　　因為系統(tǒng)采用的是事件驅(qū)動，所以具體程序的編制必須圍繞相應(yīng)的事件進行。本系統(tǒng)中，有關(guān)通信的工作過程主要有：通信參數(shù)初始化、發(fā)送握手信號、接收數(shù)據(jù)。

　　3.4.2 VB程序的編制及界面

　　圖11為開始界面，用戶選擇需要采集地點對應(yīng)的節(jié)點，之后界面切換到所對應(yīng)的圖12，左側(cè)為數(shù)據(jù)接收串口通信的參數(shù)，右側(cè)顯示實時數(shù)據(jù)，并在中間可自行選擇所需參數(shù)的趨勢圖;一旦某個數(shù)據(jù)超過限定范圍，報警器響，且數(shù)據(jù)對應(yīng)的指示燈亮 。

　　4 測量結(jié)果分析

　　本設(shè)計的測溫濕度采用數(shù)字傳感器DHT11，溫度測量精度±2℃，濕度測量精度為±5%RH。表1為采用本裝置測得的室內(nèi)溫度實測值與標(biāo)準(zhǔn)二類水銀溫度計測量的溫度值以及誤差。表2是在25℃下室內(nèi)環(huán)境中，通過空氣加濕器調(diào)節(jié)濕度，采用便攜式露點檢測儀(精度1%RH)測量的環(huán)境濕度與本系統(tǒng)測試的濕度值對比及誤差。

　　由于溫濕度傳感器采用的是數(shù)字傳感器，沒有信號調(diào)理電路，這就減少了測量時引入的誤差，也降低了受外圍因素的干擾。

　　通過多次測試，測試結(jié)果表明，6項指標(biāo)的誤差均在規(guī)定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了穩(wěn)定的采集顯示以及與上位機的通訊。

　　5 結(jié)束語

　　本文采用FPGA輔助單片機進行數(shù)據(jù)采集，充分利用了FPGA的高速度和高可靠性，從而解決了傳統(tǒng)的用單片機控制時速度慢的問題。該室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測儀通過測試達到了預(yù)期的功能，適用于溫濕度、煙霧濃度、甲醛濃度、二氧化碳和一氧化碳的監(jiān)測，可用于家庭等場所的環(huán)境監(jiān)測，靈敏度高，穩(wěn)定性好，價格低廉且電路結(jié)構(gòu)簡單，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

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