多參數室內環(huán)境智能監測系統設計

　　摘要：針對室內環(huán)境質(zhì)量與人們的健康和工作效率密切相關(guān)的情況，設計了一種多參數多采集點(diǎn)室內環(huán)境監測系統。系統硬件主要包括單片機系統、FPGA數據采集電路、傳感器信號調理電路等。軟件包括單片機硬件驅動(dòng)程序、FPGA數字邏輯設計和基于VB的上位機應用程序。實(shí)驗結果表明：系統工作穩定，誤差在設計允許范圍內。

　　引言

　　隨著(zhù)經(jīng)濟持續快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對各種室內環(huán)境的要求也越來(lái)越高。傳統的室內環(huán)境監測設備實(shí)時(shí)性差、精度低、體積大、功耗大，難以適應現代經(jīng)濟發(fā)展的要求?；谝陨媳尘?，本文設計了基于單片機的室內環(huán)境監測儀系統，它能實(shí)時(shí)自動(dòng)地采集室內多個(gè)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 多參數室內環(huán)境智能監測系統總體方案設計

　　本設計中，各種被測信號經(jīng)過(guò)傳感器、放大整形濾波、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA) 采集緩存等處理后，進(jìn)入單片機，通過(guò)單片機計算處理后實(shí)現液晶顯示、上位機通信 ，同時(shí)來(lái)自上位機的信號經(jīng)RS485總線(xiàn)傳輸到采集節點(diǎn) ，驅動(dòng)數據采集。多參數室內環(huán)境智能監測儀系統整體結構框圖如圖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(gè)電信號進(jìn)行放大濾波處理后再送入A/D轉換器轉換成數字量。煙霧和CO 傳感器輸出的是0~5V的電壓信號，直接送入A/D轉換器轉換成數字量，溫濕度傳感器輸出的是數字量，直接被FPGA采集。6項數據由FPGA并行采集，緩存供單片機調用。采集節點(diǎn)通過(guò)RS485總線(xiàn)與上位機通訊，實(shí)現各項數據的實(shí)時(shí)顯示、存儲和報警等功能。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 單片機控制部分

　　STC89C52是一個(gè)低功耗、高性能的51內核的CMOS 8位單片機 ，具有在線(xiàn)編程功能，使用簡(jiǎn)單且價(jià)格非常低廉。STC89C52單片機系統由單片機、時(shí)鐘電路、復位電路組成。

　　2.2 FPGA數據處理模塊

　　FPGA具有豐富的引腳，可用于進(jìn)行I/O擴展，并且可以實(shí)現硬件并行運算，所以本文選用了FPGA輔助STC89C52單片機進(jìn)行數據的采集、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(zhù)器件內部可用邏輯門(mén)數量和RAM的不同而不同。因此，在低功耗FPGA設計中，在滿(mǎn)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的數據連接。(2)與單片機的數據通訊。(3)FPGA的配置部分。(4)時(shí)鐘與電源電路部分。FPGA配置方式采用主動(dòng)串行(AS)配置模式，配置芯片采用EPCS4，這種芯片內部自帶永久性存儲器和簡(jiǎn)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(gè)系統配置代碼，通過(guò)DCLK，DATA0，ASD0和Ncs0四腳對FPGA器件進(jìn)行配置。

　　2.3 電源電路設計

　　本系統的電源電路如圖3所示，220V的交流電通過(guò)電源變壓器變換成12V的交流電，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路D1~D4和LM7805轉變?yōu)?5V的穩定直流電壓。