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基于FPGA的多点远程温湿度监控设计

2014-5-20 16:01| 发布者: dzly| 查看: 586| 评论: 0|原作者: 马汉汀,陈景霞等

摘要: 从监控室内温湿度入手,构建一个基于FPGA的远程WIFI监控温湿度系统,该系统采用美国Atmel公司生产的AT89C51单片机作为控制核心,主要由温湿度传感器、控制电路、单片机、WIFI发送接收设备、FPGA开发板和PC机构成。单片机主要完成温度数据的采集,用WIFI设备进行与PC机的通讯,进行实时监控。

  在现代生活中,从粮仓与家中储藏的粮食,到博物馆中珍藏的各种历史文物,温湿度是影响环境的重要参数。而随着科技的发展,越来越多的温湿度监控的电子技术应用到了日常中,广泛应用于粮仓、饲养场、生物制药、无菌室、厂房、机房、图书馆、档案馆、文物馆、家庭等各行各业需要温湿度监测的场所中。所以,在我们身边到处都能见到应用电子的使用。
  本文将从监控室内温湿度入手,构建一个基于FPGA 的远程WIFI 监控温湿度系统,本系统采用美国Atmel 公司生产的AT89C51 单片机作为控制核心,主要由温湿度传感器、控制电路、单片机、WIFI 发送接收设备、FPGA 开发板和PC 机构成。单片机主要完成温度数据的采集,用WIFI 设备进行与PC机的通讯,进行实时监控。
  控制电路基于单片机进行设计,主要负责采集湿度信息,单片机通过总线与PC 机进行串口通信,使PC 机能够实时记录,显示温湿度变化值。该系统实现了室内温湿度的实时监测及WIFI 的远程连接,使管理人员可以实时掌控室内的温湿度情况并在发生情况时,做出及时的措施。
  本文采用FPGA 设计控制电路简化了系统的组成,易于系统扩展和升级,内部集成了信号处理、控制、检测电路,减少了系统的体积,缩短了开发周期,大大增强了系统的可靠性;配合功率驱动、电源等外围电路,完成信号采集、处理和控制等功能,节省了开发成本,使粮仓温湿度控制系统更加集成化。
  本文所研究的内容主要有以下几方面:(1)设计一个基于51 单片机的温湿度远程监视器;(2)该系统能够测量出当前环境的温度与湿度;(3)可以通过WIFI 技术,将实时监控数据传送给PC 机;(4)可以做到远程操控及监视。
  1 温湿度监测总体设计
  本系统整体采用模块化设计,这样比较方便系统的调试和用户的使用,增加了系统的实用性与可操作性。其中,在硬件设计里,我们为该系统选择了一个有温湿度传感器的AT89C51 单片机,一个WIFI发送设备,一个WIFI 接收设备和一个FPGA 开发板。而在软件设计中,主要包括系统的主程序、延时程序、AD启动显示函数、AD 读数据函数、AD 数据处理函数、WIFI 的信号发送程序与WIFI 的信号接收程序,最后送入电脑显示程序。
  本系统设计以实用性作为出发点,要求设计原理简单化,因为是在学校中完成,所以在开发的时候要降低成本,并且要方便去实现。所以我们在器件选用上,结合实际的具体情况,选择了比较大众的MCS-51 系列单片机。
  因为MCS-51 系列单片机控制可靠性高,温湿度传感器采集信号误差小,稳定度高,整个系统使用简单、经济,有很强的实用性。
  在单片机芯片的选用上,我们采用了AT89C51 芯片,由于用了Flash 储存器技术,所以片内ROM全都采用FlashROM,可以在4V~5.5V 电压内工作,同时可以与MCS-51 系列单片机完全兼容。该芯片内部存储器为8000BROM 存储空间。因为要与MS-51 完全兼容,所以要求编程趋向简单。使AT89C51的性能完全满足本系统设计对单片机的要求。具有制造成本低,引脚少,体积小等优势。
  在温湿度采集传感器的选择上,分别采用温度传感器和湿度传感器分开采集温度和湿度,我们在温度方面采用了DS18B20 传感器,而在湿度方面,我们用到了DHT11 传感器。所以本系统设计需要用到两个传感器分别采集数据,而且在接受数据之后,还需要用到A/D转换电路与信号放大电路。


  本系统采用美国Atmel 公司生产的AT89C51 单片机作为控制核心,先对温度与湿度传感器采集到的温度与湿度的信号进行A/D 转换分析处理并放大后,输出到WIFI 发送器。另外,本设计可以通过键盘手动设置温度与湿度的上、下限值,该设定值为标准值或者复位。温湿度传感器将检测到的值传输给AT89C51 单片机,通过单片机的分析比较,信号处理后发送给WIFI 设备,并通过WIFI 接收设备送入FPGA 芯片,最后由电脑显示。
  2 硬件设计介绍
  本系统设计要求采集到温度之后经过一段距离,准确地将温度数据传送至PC机上。此过程需要进行串口连接与WIFI的传送。
  该系统用到了WIFI 技术,当整体系统上电开始工作后,先由AT98C51 单片机上的温度传感器接收到信号后,经过放大器,将信号放大到芯片能处理的大小,然后经过数模转换A/D转换器,将数字信号转换为模拟信号,进入单片机处理,然后经过串口连至WIFI 发射器,另一端的WIFI 接受器接于FPGA芯片上,最后经由电脑显示。
  本系统用到的是DA18B20 温度传感器,此传感器在环境中感应到温度,生成数字信号后,传送至放大器,经过放大与数模转换,最后转换为单片机可识别的模拟信号。经过内部程序处理,送至WIFI 发送器。
  本系统用到了多个WIFI 终端设备,分别用于多点远距离发送与接受数据,方便使用者在任意地方能接收到温湿度数据,利于监视温湿度。
  在这其中,关于FPGA 芯片的封装,我们选用了Nois2 的处理器,并设置有I\O 口,用于数据的进入与发送;SDRAM与FLASH 控制器。温湿度信号最后经FPGA 开发板传送至电脑,通过PC 显示出来。
  图2 为SOPC 硬件设计图,包括CPU、PIO、RS232、KEY、SDRAM 等模块。


  3 软件介绍
  首先,将单片机上电,系统开始初始化、清零,采集到温度后,读取主控板EEPROM 的地址数据送到RAM 当中。之后,判断命令是否写到EPPROM 当中,若是有命令,则将命令送入到读取的数据之中,若是没有命令,则系统接着往下执行命令,最后,主程序分成采集温湿度数据和搜索温度点数据。一个是根据标志位的判断,将温度点地址数据从EEPROM中读取出来,然后将读取到的温度值送入PC机显示出来;另一个,是搜索多点温度点的地址数据,然后也送入到PC机显示出来。
  每一次的温度采集之前都应该先进行整个系统的初始化及监测点的初始化,使每一次的CPU与温度监测点的交换数据尽可能准确。同样,当单个温湿度点数据开始程序时,也先初始化传感器,然后程序进行调用及读取,并将数据由二进制转化为十进制。在采集完温度之后,进行是否将命令写到EPPROM 当中的判断,若是写入命令,则将系统读取的数据送到EPPROM 中,若没有写入命令,则直接根据标志位进行判断。
  图3 主控板软件流程图
  最后判断数据是进行采集温湿度数据还是搜索温度点地址数据。
  4 总结与展望
  当该技术真正推广使用后,通过WIFI 技术可以将当时的温湿度直接上传至互联网,这样人们可以在任意地方、任何时间,不管是用WIFI、3G、蜂窝移动网络、光纤网络等哪一种,只要能连上互联网,就能很直接地实时监控及了解一个你自己放置传感器的地点的具体温湿度状况。可以在小范围的空间内使用,比如:婴儿房、各个房间、储藏室、农业大棚等等。
  参考文献:
  [1] 李兆光,等.基于SOPC 的温湿度自动控制系统[J]
  [2] 杜豫平. 基于51 单片机的温湿度检测器设计[J]. 电子世界,2011(12)
  [3] 张志良编著.单片机原理与控制技术[M].机械工业出版社,2008(1)
  [4] 姜志海, 黄玉清, 刘连鑫, 等. 单片机原理及应用(第二版)[M].电子工业出版社。
  [5] 程佩青.数字信号处理教程(第三版)[M].清华大学出版社
  基金项目:北京联合大学“启明星” 大学生科技创新项目(201311417022);
  作者简介:马汉汀(1990-),男,北京人,主要研究方向电子系统设计;陈景霞(1979-),女,山西夏县人,硕士,讲师,主要研究方向为电子系统设计和无线传感器应用。
  
  

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