張全禹，蘇寶林，孫培剛

（綏化學(xué)院，黑龍江　綏化　152061）

庫房是長期或短期保存物品的重要場所，如果庫房的環(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，特別是庫房的溫度和濕度兩個(gè)環(huán)境參數(shù)對庫房物品的質(zhì)量起著重要作用，因此為保證物品的安全,科學(xué)的監(jiān)測庫房的溫度和濕度,顯得尤為重要.傳統(tǒng)的方法是采用各類濕濕度表等檢測工具,通過人工進(jìn)行定期測量，,對溫度和濕度不達(dá)標(biāo)的庫房進(jìn)行相應(yīng)的處理.這種測量方法費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且檢測的數(shù)據(jù)也不完全準(zhǔn)確，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,近年來市場上出現(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)電路簡單、操作方便、速度快且易升級的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景.本文介紹了一種基于FPGA和Lab-VIEW的庫房環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng).

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

庫房溫濕度檢測系統(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模塊，采用FPGA開發(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)采用硬件描述語言編寫，系統(tǒng)上位機(jī)采用LABVIEW軟件設(shè)計(jì).本系統(tǒng)的工作過程：上電后，自動將檢測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)過計(jì)算處理后實(shí)時(shí)顯示檢測結(jié)果.

圖1　庫房溫濕度檢測系統(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，是庫房溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中重中之重.本系統(tǒng)的溫濕度檢測部分選用的是一個(gè)數(shù)字信號輸出的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]，本文不再說明.總之該傳感器能夠滿足庫房環(huán)境的溫濕度測量需要.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)出適合庫房溫濕度檢測系統(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開發(fā)板作為系統(tǒng)硬件平臺,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)過程中只需利用開發(fā)工具添加和刪除所用的電路模塊或者用硬件描述語言設(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)展后的電路對原電路是否影響等問題，另外開發(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硬件描述語言編寫了以上模塊，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]，采用圖形化編程語言實(shí)現(xiàn).LabVIEW是美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件,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，信號處理與控制等.LabVIEW[15]提供了一個(gè)非常簡潔且直觀的圖形化編程環(huán)境,設(shè)計(jì)人員無需掌握C等復(fù)雜的高級編程語言,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)目的開發(fā)周期,提高了項(xiàng)目的完成質(zhì)量.基于庫房的環(huán)境參數(shù)檢測系統(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,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)通過計(jì)算機(jī)串口接收FPGA數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送來的溫濕度數(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

針對庫房環(huán)境參數(shù)監(jiān)測中人工法費(fèi)時(shí)費(fèi)力和現(xiàn)有單片機(jī)類監(jiān)測系統(tǒng)電路復(fù)雜、抗干擾性不高的問題,本文設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和LabVIEW軟件的庫房環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)，本系統(tǒng)的下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對庫房環(huán)境，主要是對溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、顯示的功能,庫房工作人員在巡檢過程中一目了然,為其定點(diǎn)查看庫房環(huán)境參數(shù)提高了工作效率,減輕了庫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內(nèi)的溫濕度變化情況,實(shí)現(xiàn)了庫房管理的智能化.經(jīng)過測試表明,該系統(tǒng)電路簡單、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)測庫房內(nèi)的溫濕度環(huán)境,不僅適合庫房溫濕度的測量,在蔬菜大棚及其他需要測量溫濕度等環(huán)境中也同樣具有應(yīng)用價(jià)值.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕覃溪.基于GSM模塊的溫濕度報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017(1):97-97.

〔2〕王春東，楊宏，宮良一.基于Android平臺的視頻監(jiān)控智能車設(shè)計(jì)[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2017,36(1):72-75.

〔3〕王耀平.基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子測試，2017（4）:21-22.

〔4〕劉艷昌，左現(xiàn)剛，李國厚.基于FPGA的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015,43(11):533-536.

〔5〕鄧德源，王成棟，苗強(qiáng).基于CAN總線的溫濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感，2012(12):40-42.

〔6〕祝建科.一款簡單溫濕度測量儀的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2014(9):195-195.

〔7〕石建國，馬云輝，張華斌，師向群.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺開發(fā)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013(6):28-30.

〔8〕溫發(fā)林，楊燕珍，劉莉，張慶添.智能草坪灑水器的設(shè)計(jì)[J].龍巖學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(5):39-42.

〔9〕吳克勤，錢珊珠，閆雙紅，王楠，么艷香.基于 C8051F020的太陽能干燥裝置溫濕度檢測 [J].農(nóng)機(jī)化研究，2012,34(11):218-221.

〔10〕陳海需,張艷山.基于FPGA的溫度測控器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，25（9）：27－29.

〔11〕張立輝，李君興，李旭.基于LabVIEW的糧倉溫濕度無線測控系統(tǒng)的研究[J].糧油加工，2010(12):95-97.

〔12〕孫娜，劉曉博，李江忠.LabVIEW和MATLAB混合編程在PID參數(shù)自整定算法仿真中的應(yīng)用 [J].江蘇電器，2006(5):23-26.

〔13〕邵曉娟.基于LabVIEW的檔案庫房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012,30(1):61-63.

〔14〕黃健，錢劍敏，李效白，馬海燕，程敏.基于LabVIEW的PID控制在硫化儀中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2010,31(3):44-46.

〔15〕張飛，錢金法.基于單片機(jī)和虛擬儀器的粉塵濃度檢測裝置[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2017,36(4):137-140.