基于FPGA的室内智能湿度控制系统设计

基于FPGA的室内智能湿度控制系统设计【摘要】FPGA具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高、编程灵活等特点，是设计智能控制系统的首选技术。通过FPGA芯片控制并进行了湿度传感器电路模块、功率驱动电路模块、湿度报警电路模块等模块的设计。根据控制系统软件流程图进行软件设计。实践证明，该系统能自动检测室内湿度并进行湿度调节，具有结构简单、操作方便、稳定性好等优点。【关键词】传感器；FPGA；湿度；控制系统引言湿度与人类的生存和社会活动密切相关。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是较难准确测量的一个参数。测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测参数，而湿度却受其它参数影响，如温度、大气压等[1][2]。常规湿度测量方法，如干湿球度计、毛发湿度计等，一方面其测量的湿度误差较大，另一方面湿度的校准也存在困难。此外，常规湿度测量方法无法有效地对湿度进行调节。针对这一问题，本文利用FPGA芯片设计了一种室内智能湿度控制系统，用于检测室内湿度并进行湿度调节。1.智能控制系统工作原理智能控制系统由如图2所示，采用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144芯片作为主控芯片。首先通过键盘输入设定的湿度值，再利用湿度检测电路检测室内空气湿度。当室内空气湿度小于45%RH时，湿度报警模块报警，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的；当室内空气湿度大于65%RH时，湿度报警模块报警，控制系统自动启动抽风机，减少空气的水蒸气，以达到减小湿度的目的；当湿度处于45%RH和65%RH之间时，湿度报警模块关闭，空气湿度保持在理想的状态[3]。室内湿度数据由LCD显示，系统中各电路模块的工作电压由电源电压转换模块提供。图1智能湿度控制系统结构图2.智能湿度控制系统主要功能模块设计2.2.1FPGA主控电路芯片主控电路芯片采用Altera公司Cyclone系列的EP1C3T144芯片。EP1C3T144是Altera公司生产的CycloneI代、内核电压为1.5V，I/O工作电压为3.3V，内部有2910个LE，13个M4KRAM。芯片IO端口数适量，价格相对比较便宜，执行速度快，能满足设计要求。2.2.2湿度检测电路模块气体的相对湿度，在很大程度受温度影响。SHT71型温湿度传感器能直接与A/D转换器连接，具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。SHT71的供电电压为3.3V，电源引脚（VDD与GND）之间可用去耦电容进行噪声信号滤波。为补偿湿度传感器SHT71的非线性干扰，用公式（1-1）对湿度数据进行修正[4]：（1-1）公式（1-1）中，表示传感器相对湿度输出值（约为90～3400），根据测量分辨率查得相对应的修正系数，取，，，SHT71默认测量分辨率为12bit（温度）、8bit（湿度）。由于实际温度与测试参考温度25℃显著不同，湿度信号需要温度补偿，采用公式（1-2）进行温度补偿。（1-2）公式（1-2）中表示测量时实际温度，根据测量分辨率查得相对应的修正系数，取，。2.2.3功率驱动电路模块室内湿度控制是通过功率驱动电路来驱动抽风机和蒸汽机来实现的。由于FPGA直接输出的负载能力非常低，故需要驱动电路来控制抽风机和蒸汽机。其中RL为负载（抽风机或蒸汽机）。图4为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当FPGA输出信号Cs_from_FPGA为高电平“1”时，经反相器U4变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动负载RL。图2功率驱动电路图2.2.4湿度报警电路模块如图5所示，通过FPGA芯片控制SIGNAL端信号实现对湿度报警模块的控制。当湿度高于65%RH或低于45%RH时，SIGNAL端输入高电平，电流经Q2放大，使蜂鸣器报警；当湿度介于45%RH和65%RH之间时，SIGNAL端输入低电平，蜂鸣器停止报警。图3湿度报警模块电路图3.智能控制系统程序设计首先，FPGA进行复位、配置和初始化，接着初始化LCD显示模块，由键盘输入设定的湿度数据。调用湿度检测电路采集程序进行湿度数据采集，经过数据转换程序，将十六进制转换成十进制并通过LCD显示模块进行显示，通过采集的湿度数据与设定的湿度数据进行比较，若采集的湿度数据大于或小于设定的湿度数据范围，则湿度报警电路报警，功率驱动电路驱动抽风机或蒸汽机进行湿度调节；否则湿度报警电路关闭。最后，重新进行新一轮的湿度数据采集及处理。4.结语本文以FPGA芯片为主控单元，设计了一种室内智能湿度控制系统。以FPGA芯片为控制中心，设计了湿度传感器电路模块、功率驱动电路模块、湿度报警电路模块等主控电路模块。通过控制系统软件流程图进行了软件设计。实践证明该系统具有结构简单、稳定性好、操作方便等优点。参考文献：[1]章彬宏.基于CPLD的数字湿度计设计[J].现代电子技术，2004（19）：93-94.[2]潘灏，洪琪.基于VHDL的数字湿度计研究[J].电子技术，2013（2）：22-23.[3]谢在永.空气湿度与健康[J].科技潮，1999（9）：41.[4]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，1997.。