基于VHDL的數(shù)字濕度計(jì)研究

摘要：濕度計(jì)是一種常用的檢測(cè)儀器，文中利用FPGA器件與HS1101濕度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易的數(shù)字濕度計(jì)，用于檢測(cè)室內(nèi)濕度。該濕度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：濕度；濕度傳感器；VHDL；FPGA

0 引言
    濕度與人類的生存和社會(huì)活動(dòng)密切相關(guān)。濕度檢測(cè)、控制、報(bào)警等被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合，如軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、建筑以及家用電器等方面。
    本文利用FPGA器件與HS1101濕度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易的數(shù)字濕度計(jì)，用于檢測(cè)室內(nèi)濕度，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
    數(shù)字濕度計(jì)硬件電路圖如圖1所示，由濕度檢測(cè)電路、AD轉(zhuǎn)換電路、FPGA電路板等組成。其中濕度檢測(cè)電路采用HS1101濕度傳感器用于檢測(cè)室內(nèi)濕度。該傳感器具有性價(jià)比高、體積小、精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀表、空調(diào)、除濕機(jī)、加濕機(jī)、倉(cāng)儲(chǔ)、氣象以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。HS1101濕度傳感器是一種利用電容原理檢測(cè)的濕度傳感器，相對(duì)濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律，在檢測(cè)中，電容值隨著空氣濕度的變化而變化。

    因此，本文利用將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，然后利用AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0804和FPGA器件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2 軟件程序設(shè)計(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將程序部分設(shè)計(jì)分為四個(gè)模塊，包括分頻模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、顯示譯碼模塊。采用OuartusII開(kāi)發(fā)平臺(tái)和VHDL語(yǔ)言完成程序設(shè)計(jì)。
2．1 分頻模塊
    分頻電路是FPGA設(shè)計(jì)中使用頻率非常高的基本單元之一。本設(shè)計(jì)的分頻電路簡(jiǎn)單方便、節(jié)約資源、可移置性強(qiáng)、便于系統(tǒng)升級(jí)，同時(shí)在以后的FPGA設(shè)計(jì)中也有很大的應(yīng)用空間。圖2分頻模塊中是將50MHz時(shí)鐘信號(hào)分頻為2kHz的頻率。

2．2 AD轉(zhuǎn)換模塊
    AD轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示。從分頻模塊的輸出端口clk 2k輸出2kHz到AD轉(zhuǎn)換模塊的clock端口作為時(shí)鐘頻率信號(hào)；intr為中斷信號(hào)；input data[7．．0]為濕度數(shù)據(jù)輸入端口，由濕度傳感器檢測(cè)的模擬信號(hào)，通過(guò)AD電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳給inputdata[7．．0]端口；cs是片選輸出端口，writeout是寫(xiě)輸出端口，readout是讀輸出端口，分別對(duì)應(yīng)ADC0804的片選／CS、讀控制／RD、寫(xiě)控制／WR的引腳；dataout[7．．0]為數(shù)據(jù)輸出端口。

    圖4為AD轉(zhuǎn)換模塊仿真圖，當(dāng)復(fù)位鍵reset為0時(shí)，輸入數(shù)據(jù)為62時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為0；當(dāng)復(fù)位鍵reset為1時(shí)，輸入數(shù)據(jù)為28時(shí)，輸出數(shù)據(jù)為28。

2．3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊
    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊是將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(高4位，低4位)通過(guò)查表的方式，用BCD碼形式來(lái)表示。ADC0804的基準(zhǔn)電壓為5V時(shí)，由于ADC0804是8位的AD轉(zhuǎn)換器，因此最小電壓準(zhǔn)位是5／256=0．02V，利用濕度檢測(cè)電路將1％RH改變對(duì)應(yīng)0．02V電壓變化。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊如圖5所示。

    如果輸入AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)為0010 0011，通過(guò)查表可得high為00110010，low為00000011，再將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行加法操作處理，得到輸出濕度為35％RH，如圖6所示。

2．4 顯示譯碼模塊
    采用共陰數(shù)碼管，當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮；當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。顯示譯碼模塊如圖7所示。

    顯示譯碼模塊仿真圖如下圖8。輸入為0，輸出為01111111，數(shù)碼管顯示的是0；若輸入為1，輸出為00000110，則數(shù)碼管顯示的是1。
2．5 整體框圖
    整體框圖如圖9所示，共有四個(gè)模塊組成。其中顯示譯碼模塊調(diào)用了兩個(gè)。

3 結(jié)束語(yǔ)
    利用FPGA器件與HS1101濕度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易的數(shù)字濕度計(jì)，用于檢測(cè)室內(nèi)濕度。采用QuartusII開(kāi)發(fā)平臺(tái)和VHDL語(yǔ)言完成程序設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真驗(yàn)證和下載驗(yàn)證，證明實(shí)現(xiàn)的濕度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。