基于VHDL的数字湿度计研究

摘要：湿度计是一种常用的检测仪器，文中利用FPGA器件与HS1101湿度传感器设计实现了一种简易的数字湿度计，用于检测室内湿度。该湿度计具有结构简单、测量准确性高、稳定性好等优点。
关键词：湿度；湿度传感器；VHDL；FPGA

0 引言
    湿度与人类的生存和社会活动密切相关。湿度检测、控制、报警等被广泛应用于各种场合，如军事、气象、农业、工业、医疗、建筑以及家用电器等方面。
    本文利用FPGA器件与HS1101湿度传感器设计实现了一种简易的数字湿度计，用于检测室内湿度，它具有结构简单、测量准确性高、稳定性好等优点。

1 硬件电路设计
    数字湿度计硬件电路图如图1所示，由湿度检测电路、AD转换电路、FPGA电路板等组成。其中湿度检测电路采用HS1101湿度传感器用于检测室内湿度。该传感器具有性价比高、体积小、精度高、响应速度快等优点，广泛应用于仪表、空调、除湿机、加湿机、仓储、气象以及工业自动化等领域。HS1101湿度传感器是一种利用电容原理检测的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律，在检测中，电容值随着空气湿度的变化而变化。

    因此，本文利用将电容值的变化转换成电压的变化，然后利用AD转换芯片ADC0804和FPGA器件进行数据采集。

2 软件程序设计
    根据系统的设计要求，将程序部分设计分为四个模块，包括分频模块、AD转换模块、数据转换模块、显示译码模块。采用OuartusII开发平台和VHDL语言完成程序设计。
2．1 分频模块
    分频电路是FPGA设计中使用频率非常高的基本单元之一。本设计的分频电路简单方便、节约资源、可移置性强、便于系统升级，同时在以后的FPGA设计中也有很大的应用空间。图2分频模块中是将50MHz时钟信号分频为2kHz的频率。

2．2 AD转换模块
    AD转换模块如图3所示。从分频模块的输出端口clk 2k输出2kHz到AD转换模块的clock端口作为时钟频率信号；intr为中断信号；input data[7．．0]为湿度数据输入端口，由湿度传感器检测的模拟信号，通过AD电路转换为数字信号传给inputdata[7．．0]端口；cs是片选输出端口，writeout是写输出端口，readout是读输出端口，分别对应ADC0804的片选／CS、读控制／RD、写控制／WR的引脚；dataout[7．．0]为数据输出端口。

    图4为AD转换模块仿真图，当复位键reset为0时，输入数据为62时，输出数据为0；当复位键reset为1时，输入数据为28时，输出数据为28。

2．3 数据转换模块
    数据转换模块是将AD转换后的数据(高4位，低4位)通过查表的方式，用BCD码形式来表示。ADC0804的基准电压为5V时，由于ADC0804是8位的AD转换器，因此最小电压准位是5／256=0．02V，利用湿度检测电路将1％RH改变对应0．02V电压变化。数据转换模块如图5所示。

    如果输入AD转换后数据为0010 0011，通过查表可得high为00110010，low为00000011，再将得到的数据进行加法操作处理，得到输出湿度为35％RH，如图6所示。

2．4 显示译码模块
    采用共阴数码管，当某一字段的阳极为高电平时，相应字段就点亮；当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。显示译码模块如图7所示。

    显示译码模块仿真图如下图8。输入为0，输出为01111111，数码管显示的是0；若输入为1，输出为00000110，则数码管显示的是1。
2．5 整体框图
    整体框图如图9所示，共有四个模块组成。其中显示译码模块调用了两个。

3 结束语
    利用FPGA器件与HS1101湿度传感器设计实现了一种简易的数字湿度计，用于检测室内湿度。采用QuartusII开发平台和VHDL语言完成程序设计，通过仿真验证和下载验证，证明实现的湿度计具有结构简单、测量准确性高、稳定性好等优点。