多参数室内环境智能监测系统设计

　　摘要：针对室内环境质量与人们的健康和工作效率密切相关的情况，设计了一种多参数多采集点室内环境监测系统。系统硬件主要包括单片机系统、FPGA数据采集电路、传感器信号调理电路等。软件包括单片机硬件驱动程序、FPGA数字逻辑设计和基于VB的上位机应用程序。实验结果表明：系统工作稳定，误差在设计允许范围内。

　　引言

　　随着经济持续快速发展，人们的生活水平不断提高，对各种室内环境的要求也越来越高。传统的室内环境监测设备实时性差、精度低、体积大、功耗大，难以适应现代经济发展的要求。基于以上背景，本文设计了基于单片机的室内环境监测仪系统，它能实时自动地采集室内多个地方的温度、湿度、烟雾浓度、甲醛浓度、二氧化碳浓度、CO浓度，该监测仪功耗低、体积小、成本低、测量精度高，易于使用，具有较好的推广应用前景。

　　1 多参数室内环境智能监测系统总体方案设计

　　本设计中，各种被测信号经过传感器、放大整形滤波、现场可编程门阵列(FPGA) 采集缓存等处理后，进入单片机，通过单片机计算处理后实现液晶显示、上位机通信 ，同时来自上位机的信号经RS485总线传输到采集节点 ，驱动数据采集。多参数室内环境智能监测仪系统整体结构框图如图1所示。

　　在图1中，CO传感器测量范围30~1000ppm，输出电流信号范围为0.45~15µA，而甲醛传感器的测量范围0~10ppm，输出电流范围是0~20µA，先将这两个电信号进行放大滤波处理后再送入A/D转换器转换成数字量。烟雾和CO 传感器输出的是0~5V的电压信号，直接送入A/D转换器转换成数字量，温湿度传感器输出的是数字量，直接被FPGA采集。6项数据由FPGA并行采集，缓存供单片机调用。采集节点通过RS485总线与上位机通讯，实现各项数据的实时显示、存储和报警等功能。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 单片机控制部分

　　STC89C52是一个低功耗、高性能的51内核的CMOS 8位单片机 ，具有在线编程功能，使用简单且价格非常低廉。STC89C52单片机系统由单片机、时钟电路、复位电路组成。

　　2.2 FPGA数据处理模块

　　FPGA具有丰富的引脚，可用于进行I/O扩展，并且可以实现硬件并行运算，所以本文选用了FPGA辅助STC89C52单片机进行数据的采集、预处理、缓存。由于不同系列的FPGA芯片其静态功耗各不相同，而且同一系列的器件中，型号不同的器件其静态功耗也不尽相同。在同一系列的器件中，静态功耗随着器件内部可用逻辑门数量和RAM的不同而不同。因此，在低功耗FPGA设计中，在满足设计要求的前提下，应当考虑选用低静态功耗的FPGA器件。本设计考虑综合成本、功耗等方面的因素，最终决定采用EP1C12Q240C8 。FPGA硬件框图如图2所示。其中包括：(1)与ADC0809的数据连接。(2)与单片机的数据通讯。(3)FPGA的配置部分。(4)时钟与电源电路部分。FPGA配置方式采用主动串行(AS)配置模式，配置芯片采用EPCS4，这种芯片内部自带永久性存储器和简单的4脚配置接口，不仅成本低，而且解决了FPGA器件的掉电易失性。EPCS4存储空间为4Mbit，足以容纳整个系统配置代码，通过DCLK，DATA0，ASD0和Ncs0四脚对FPGA器件进行配置。

　　2.3 电源电路设计

　　本系统的电源电路如图3所示，220V的交流电通过电源变压器变换成12V的交流电，再经过桥式整流电路D1~D4和LM7805转变为+5V的稳定直流电压。