多參數(shù)室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

　　摘要：針對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量與人們的健康和工作效率密切相關(guān)的情況，設計了一種多參數(shù)多采集點室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件主要包括單片機系統(tǒng)、FPGA數(shù)據(jù)采集電路、傳感器信號調(diào)理電路等。軟件包括單片機硬件驅(qū)動程序、FPGA數(shù)字邏輯設計和基于VB的上位機應用程序。實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，誤差在設計允許范圍內(nèi)。

　　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)測設備實時性差、精度低、體積大、功耗大，難以適應現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求?；谝陨媳尘埃疚脑O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)總體方案設計

　　本設計中，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設計中，在滿足設計要求的前提下，應當考慮選用低靜態(tài)功耗的FPGA器件。本設計考慮綜合成本、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。