基于FPGA的湿控定时喷灌系统设计

孙福玉

（赤峰学院 物理与电子信息工程系，内蒙古 赤峰 024000）

基于FPGA的湿控定时喷灌系统设计

孙福玉

（赤峰学院 物理与电子信息工程系，内蒙古 赤峰 024000）

文章在MAX+PLUS II开发环境下采用VHDL语言，设计并实现了湿控定时喷灌系统，波形仿真及下载芯片测试表明该设计方案是可行的.该设计首次实现了湿度控制下的定时喷灌系统.

传感器；喷灌；硬件描述语言；现场可编程门阵列

1 引言

水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件.因此进行湿控定时喷灌，对实施精准农业，节水灌溉，提高农业生产效率有重要的意义[1].

FPGA是新型的可编程逻辑器件，能够将大量的逻辑功能集成于单个器件中，它所提供的门数从几百门到上百万门，符合系统芯片(SOC—System On Chip)的发展要求，具有高度集成、低功耗、硬件升级等优点，可以满足不同的需要[2，3].

随着电于技术和传感技术的不断发展，使得可编程逻辑器件在现代数字系统和微电子技术应用中起着越来越重要的作用,本文主要研究利用FPGA器件和MAXPLUSⅡ工具软件设计湿控定时喷灌系统[4].文中还涉及到SHT1x/SHT7x湿度/温度传感器的应用[5].

2 SHT1x/SHT7x湿度传感器

在湿控定时喷灌系统中采用了SHT1x/SHT7x湿度传感器,其内部结构如图1所示.SHT1x/SHT7x是Sensiron公司推出的超小型、高精度、多功能式智能湿度传感器集成电路，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，广泛用于工农业生产、环境监测等领域.SHT1x/SHT7x采用CMOS技术制造，内有湿度和温度两只传感器并共享一个底座，能在同一个位置同时对被测量的湿度和温度作出响应，这对于测量露点温度非常有用.芯片中不仅包含基于湿敏电容的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器，而且还有一个放大器、一个14位A/D转换器、校准存储器以及二线串行接口等电路，测量时，首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度信号，经放大后分别送至A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，然后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控制器，再利用微控制器完成非线性补偿和温度补偿，输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据.

图1 SHT1x/SHT7x湿度/温度传感器内部结构方框图

二线串行接口包括串行时钟线（SCK）和串行数据线（DATA）.SCK用来接收微控制器发送来的串行时钟信号，使SHT1x/SHT7x与主机保持同步.DATA为三态引出端，既可输入数据，也可输出测量数据，不用时呈高阻态.仅在DATA的下降沿过后，且SCK处于上升沿的时刻才能更新数据.为了使数据信号为高电平，在数据线DATA与UDD端之间，需连接一只10KΩ上拉电阻.该上拉电阻通常已包含在微控制器的I/O接口电路中.

3 FPGA功能模块的设计

使SHT1x/SHT7x湿度传感器输出的数字信号输入到FPGA可编程逻辑器件,在MAXPLUSⅡ工具软件上编写VHDL程序如下:

程序中假定每天13时至14时当相对湿度小于50%时自动喷灌系统打开，根据需要可在程序中方便的调整时间及相对湿度的数值.

为了结构清晰，程序中对时钟进程进行了简化，用10个clk脉冲代表1个小时，实际的时钟进程应包括秒低位、秒高位、分低位、分高位、时低位和时高位计数器等进程.简化处理后亦使仿真结果更加清晰.

4 仿真

本文设计的VHDL语言程序已在MAXPLUSⅡ工具软件上进行了编译、仿真和调试，通过编程器下载到了EP1K30TC144-3芯片中实际测试并获得了满足设计要求的结果.

湿控定时喷灌系统仿真结果如图2所示.

图2 湿控定时喷灌系统仿真结果

从图2可见：在13时当相对湿度为55时，control控制信号为0，当相对湿度降为45时，control控制信号为1，表示喷灌系统自动工作.在14时时control控制信号为1，到15时虽然相对湿度仍为45但control控制信号为0，表示时钟的定时控制生效，系统自动关闭.

5 结论

通过以上对湿控定时喷灌系统的设计，看到应用FPGA器件和EDA技术，不仅缩短了系统的设计周期，还减少了系统体积，提高了系统的可靠性.具有设计周期短、设计费用和风险低、功能灵活的特点.

本文设计了基于VHDL语言的湿控定时喷灌系统.程序通过了功能仿真和时序仿真，生成了可综合的网表文件，并下载到EP1K30TC144-3芯片中.仿真和测试的结果表明程序完成了其逻辑功能.

本文首次实现了湿控定时喷灌系统的设计，只用简单的电路使全电子式温控自动喷灌成为可能，本设计的产品使用简单，体积小便于携带，很适合在田间、温室大棚、草坪等场合，便于推广使用.本设计必将产生巨大的经济和社会效益.

〔1〕白泽生.一种土壤水分检测仪的设计[J].微计算机信息,2007（3）:202-203.

〔2〕Dirk Jansen.Handbuch der Electronic Design Automation[M].北京：电子工业出版社，2005：146-223.

〔3〕赵岩岭,刘春，等.在 MAX+plusⅡ平台下用 VHDL 进行数字电路设计[J].微计算机信息,2004（4）:91-92.

〔4〕孙福玉,杨蕴石.基于FPGA的温控定时喷灌系统设计[J].微计算机信息,2007（32）:216-217.

〔5〕黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:18-21.

TP212

A

1673-260X（2010）02-0029-02

内蒙古自治区高等学校科学研究项目基金资助（NJzc08157）