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數(shù)字溫濕度計(jì)設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2023-12-15 來源:電子森林 收藏

實(shí)驗(yàn)任務(wù)

  • 任務(wù):基于核心板 和 底板 完成計(jì)設(shè)計(jì)并觀察調(diào)試結(jié)果
  • 要求:驅(qū)動(dòng)底板上的溫濕度傳感器SHT-20測量空氣中的溫度和濕度,將溫濕度信息顯示在8位掃描式數(shù)碼管上。
  • 解析:通過編程驅(qū)動(dòng)I2C接口溫濕度傳感器SHT-20,獲取溫濕度碼值信息,將兩種碼值信息經(jīng)過運(yùn)算轉(zhuǎn)換成物理溫度濕度數(shù)據(jù),然后經(jīng)過BCD轉(zhuǎn)碼處理并顯示到掃描式數(shù)碼管上。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h4>

前面的章節(jié)中我們學(xué)習(xí)了掃描式數(shù)碼管模塊和BCD轉(zhuǎn)碼模塊的工作原理及驅(qū)動(dòng)方法,也對(duì)I2C總線協(xié)議及相關(guān)知識(shí),本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)I2C總線驅(qū)動(dòng)方法加以練習(xí),同時(shí)熟悉設(shè)計(jì)中常用運(yùn)算方法,最終完成計(jì)總體設(shè)計(jì)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202312/453963.htm
  • 復(fù)習(xí)I2C總線工作原理及通信協(xié)議
  • 練習(xí)I2C接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法,完成溫濕度傳感器SHT-20驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
  • 完成計(jì)總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)解析我們可以得知,該設(shè)計(jì)可以拆分成兩個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn),

  • SHT20Driver:溫濕度傳感器SHT-20芯片I2C總線通信驅(qū)動(dòng)模塊。 * Calculate:完成溫濕度碼值到數(shù)碼管顯示之間的運(yùn)算、轉(zhuǎn)碼和顯示控制。 * bintobcd:將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BCD碼的方法。。 * Segmentscan:通過驅(qū)動(dòng)掃描式數(shù)碼管將溫濕度數(shù)據(jù)顯示出來。

Top-Down層次設(shè)計(jì)

 

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)原理

SHT-20模塊介紹

SHT-20是一款集成溫度和濕度感測于一體的傳感器芯片,采用3mm x 3mm貼片DFN封裝,數(shù)字I2C總線接口,管腳功能描述如下:

管腳功能描述

SHT-20芯片典型電路連接如下:

典型電路連接

SHT-20芯片可以配置不同的分辨率模式,User Register中的bit0和bit7控制分辨率模式選擇,默認(rèn)狀態(tài)溫度T和濕度RH分別采用14bit和12bit模式

分辨率模式配置

不同的分辨率模式下,溫度和濕度分辨率不同,默認(rèn)狀態(tài)溫度和濕度分辨率分別為0.01℃和0.04%RH。

溫度和濕度分辨率

不同的分辨率模式下,溫度和濕度的轉(zhuǎn)換時(shí)間也是不同的,默認(rèn)狀態(tài)溫度和濕度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為85ms和29ms。

溫度和濕度轉(zhuǎn)換時(shí)間

溫度和濕度測量范圍如下:

溫度和濕度測量范圍

SHT-20模塊連接

底板上的溫濕度傳感器SHT-20模塊電路圖如下(上拉電阻未顯示):

SHT-20模塊電路

上圖為溫濕度傳感器SHT-20模塊電路,與硬件接口有I2C總線(SCL、SDA),SHT2x 傳感器包含電容式濕度傳感器、帶隙溫度傳感器和專用的模擬和數(shù)字集成電路-全部放在單 CMOSens?芯片上。這在精度和穩(wěn)定性方面, 以及功耗最小的情況下, 都能產(chǎn)生無與倫比的傳感器性能, SHT20的分辨率可以通過命令 (RH/T 的8/12 位到12/14 位) 進(jìn)行更改, 并且校驗(yàn)和有助于提高通信的可靠性。

SHT-20模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中我們已經(jīng)講述學(xué)習(xí)過I2C總線驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì),本實(shí)驗(yàn)可以上原來的基礎(chǔ)上調(diào)整,首先來了解SHT-20時(shí)序中的參數(shù)要點(diǎn)。

SHT-20時(shí)序圖

SHT-20時(shí)序參數(shù)

通過SHT-20時(shí)序參數(shù)了解,SHT-20支持I2C通信400KHz快速模式同時(shí)兼容100KHz的標(biāo)準(zhǔn)模式,還有兩種模式下時(shí)序中的各種時(shí)間參數(shù),所以通信速度不需要調(diào)整。

  • 普通列表項(xiàng)目分頻得到400KHz的時(shí)鐘,程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

I2C時(shí)序基本單元(啟動(dòng)、停止、發(fā)送、接收、發(fā)應(yīng)答、讀應(yīng)答)協(xié)議里統(tǒng)一的,所以所以基本單元狀態(tài)的設(shè)計(jì)也是不需要調(diào)整的。

  • 啟動(dòng)時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
  • 發(fā)送單元和讀應(yīng)答單元合并,時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
  • 接收單元和寫應(yīng)答單元合并,時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
  • 停止時(shí)序狀態(tài)設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)同智能接近系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

SHT-20驅(qū)動(dòng)的流程,手冊(cè)上看到SHT-20芯片有很多指令,指令列表如下:

SHT-20基礎(chǔ)指令

本實(shí)驗(yàn)涉及軟件復(fù)位、溫度測量和濕度測量三個(gè)操作分別查看其時(shí)序流程。

軟件復(fù)位

軟件復(fù)位操作時(shí)序流程如下:

軟件復(fù)位操作

我們將這種操作設(shè)計(jì)成一個(gè)一個(gè)狀態(tài),程序?qū)崿F(xiàn)如下:

MODE1:begin //單次寫操作
        if(cnt_mode1 >= 4'd4) cnt_mode1 <= 1'b0;    //對(duì)START中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_start
        else cnt_mode1 <= cnt_mode1 + 1'b1;
        state_back <= MODE1;
        case(cnt_mode1)
            4'd0:   begin state <= START; end   //I2C通信時(shí)序中的START
            4'd1:   begin data_wr <= dev_addr<<1; state <= WRITE; end   //設(shè)備地址
            4'd2:   begin data_wr <= reg_addr; state <= WRITE; end  //寄存器地址
            4'd3:   begin state <= STOP; end    //I2C通信時(shí)序中的STOP
            4'd4:   begin state <= MAIN; end    //返回MAIN
            default: state <= IDLE; //如果程序失控,進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
        endcase
    end

溫濕度測量

溫度測量分為兩種模式:hold master和no hold master,兩種模式都可用但時(shí)序不同,本實(shí)驗(yàn)我們使用no hold master,濕度測量流程同溫度測量流程,只是指令不一樣。其操作時(shí)序流程如下:

溫濕度采樣操作

根據(jù)問濕度測量的時(shí)序流程,我們分為兩部分,寫指令部分和讀數(shù)據(jù)部分,寫指令部分比復(fù)位操作時(shí)序流程多了20us的等待,且20us等待不是必須的,可以直接使用MODE1狀態(tài)完成,讀數(shù)據(jù)部分如果沒有測量完成尋址時(shí)就會(huì)不應(yīng)答,如果測量完成時(shí)序流程程序?qū)崿F(xiàn)如下:

MODE2:begin //兩次讀操作
        if(cnt_mode2 >= 4'd7) cnt_mode2 <= 4'd0;    //對(duì)START中的子狀態(tài)執(zhí)行控制cnt_start
        else cnt_mode2 <= cnt_mode2 + 1'b1;
        state_back <= MODE2;
        case(cnt_mode2)
            4'd0:   begin state <= START; end   //I2C通信時(shí)序中的START
            4'd1:   begin data_wr <= (dev_addr<<1)|8'h01; state <= WRITE; end//設(shè)備地址
            4'd2:   begin ack <= ACK; state <= READ; end    //讀寄存器數(shù)據(jù)
            4'd3:   begin dat_h <= data_r; end
            4'd4:   begin ack <= NACK; state <= READ; end   //讀寄存器數(shù)據(jù)
            4'd5:   begin dat_l <= data_r; end
            4'd6:   begin state <= STOP; end    //I2C通信時(shí)序中的STOP
            4'd7:   begin state <= MAIN; end    //返回MAIN
            default: state <= IDLE; //如果程序失控,進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
        endcase
    end

最后我們編程控制狀態(tài)機(jī)按照驅(qū)動(dòng)例程代碼中流程運(yùn)行,程序?qū)崿F(xiàn)如下:

MAIN:begin
        if(cnt_main >= 4'd9) cnt_main <= 4'd2;      //寫完控制指令后循環(huán)讀數(shù)據(jù)
        else cnt_main <= cnt_main + 1'b1;   
        case(cnt_main)
            //軟件復(fù)位
            4'd0:   begin dev_addr <= 7'h40; reg_addr <= 8'hfe; state <= MODE1; end 
            4'd1:   begin num_delay <= 24'd6000; state <= DELAY; end //復(fù)位時(shí)間,15ms
            //測量溫度
            4'd2:   begin dev_addr <= 7'h40; reg_addr <= 8'hf3; state <= MODE1; end 
            4'd3:   begin num_delay <= 24'd34000; state <= DELAY; end //溫度轉(zhuǎn)換,85ms 
            4'd4:   begin dev_addr <= 7'h40; state <= MODE2; end    //讀取配置
            4'd5:   begin T_code <= {dat_h,dat_l}; end  //讀取數(shù)據(jù)
            //測量濕度
            4'd6:   begin dev_addr <= 7'h40; reg_addr <= 8'hf5; state <= MODE1; end 
            4'd7:   begin num_delay <= 24'd12000; state <= DELAY; end //濕度轉(zhuǎn)換,30ms
            4'd8:   begin dev_addr <= 7'h40; state <= MODE2; end    //讀取配置
            4'd9:   begin H_code <= {dat_h,dat_l}; end  //讀取數(shù)據(jù)
            default: state <= IDLE; //如果程序失控,進(jìn)入IDLE自復(fù)位狀態(tài)
        endcase
    end
系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)

SHT-20驅(qū)動(dòng)模塊得到的是溫度和濕度的編碼值,想要得到℃和%RH的溫度和濕度的數(shù)據(jù)還需要運(yùn)算,運(yùn)算后的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制數(shù),想要顯示在數(shù)碼管上還需要BCD轉(zhuǎn)碼。先考慮運(yùn)算:

溫度運(yùn)算 

濕度運(yùn)算

這里我們以溫度的運(yùn)算為例,F(xiàn)PGA不擅長小數(shù)的運(yùn)算,我們可以將小數(shù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成整數(shù)運(yùn)算處理,如下:

T = -46.85 + 175.72 * Tcode / 2^16 = (-4685 + 17572 * Tcode / 2^16) / 100

程序?qū)崿F(xiàn)如下:

wire [31:0] a = T_code * 16'd17572;
wire [31:0] b = a >> 16; //除以2^16取商
wire [31:0] c = (b>=32'd4685)?(b - 32'd4685):(32'd4685 - b);//絕對(duì)值
wire [15:0] T_data_bin = c[15:0];

上面程序中沒有除以100的運(yùn)算,沒有集成專用除法器的FPGA實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算非常麻煩,需要大量的邏輯資源且性能不佳,通常我們不在FPGA中直接做除法運(yùn)算,上面程序中兩個(gè)除法。

⑴除以2^16可以通過右移16位方式解決。

⑵除以100在二進(jìn)制數(shù)中不好解決,而在BCD碼的十進(jìn)制數(shù)據(jù)很好處理,相當(dāng)于小數(shù)點(diǎn)左移兩位(十進(jìn)制位),所以等完成BCD碼后再來處理。

BCD轉(zhuǎn)碼在前面電壓器實(shí)驗(yàn)中介紹過,這里直接例化,程序?qū)崿F(xiàn)如下:

//進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)碼處理
//小數(shù)點(diǎn)在BCD碼基礎(chǔ)上左移2位,完成除以100的操作
//移位后T_data_bcd[19:16]百位,[15:12]十位,[11:8]個(gè)位,[7:0]兩個(gè)小數(shù)位
wire [19:0] T_data_bcd;
bin_to_bcd u1
(
.rst_n              (rst_n      ),  //系統(tǒng)復(fù)位,低有效
.bin_code           (T_data_bin ),  //需要進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)
.bcd_code           (T_data_bcd )   //轉(zhuǎn)碼后的BCD碼型數(shù)據(jù)輸出
); 
//4位數(shù)碼管用于溫度顯示,保留1位小數(shù)//若溫度為負(fù),將T_data_bcd[19:16]百位數(shù)據(jù)用數(shù)字A替換,同時(shí)把數(shù)碼管A的字庫顯示負(fù)號(hào)
assign T_data = (b>=32'd4685)? T_data_bcd[19:4]:{4'ha,T_data_bcd[15:4]};
assign dot_en[7:4] = 4'b0010;  //小數(shù)點(diǎn)顯示使能

設(shè)計(jì)到這里,將4個(gè)BCD碼顯示在4個(gè)數(shù)碼管上,就可以實(shí)現(xiàn)溫度的顯示了,另外還可以增加高位消零的設(shè)計(jì),讓數(shù)碼管顯示更加符合人的習(xí)慣

//數(shù)據(jù)顯示使能,高位消零
assign dat_en[7] = |T_data[15:12]; //自或
assign dat_en[6] = (b>=32'd4685)?(|T_data[15:8]):(|T_data[11:8]);
assign dat_en[5:4] = 2'b11;

綜合后的設(shè)計(jì)框圖如下:

RTL設(shè)計(jì)框圖

實(shí)驗(yàn)步驟

  1. 雙擊打開Quartus Prime工具軟件;
  2. 新建工程:File → New Project Wizard(工程命名,工程目錄選擇,設(shè)備型號(hào)選擇,EDA工具選擇);
  3. 新建文件:File → New → Verilog HDL File,鍵入設(shè)計(jì)代碼并保存;
  4. 設(shè)計(jì)綜合:雙擊Tasks窗口頁面下的Analysis & Synthesis對(duì)代碼進(jìn)行綜合;
  5. 管腳約束:Assignments → Assignment Editor,根據(jù)項(xiàng)目需求分配管腳;
  6. 設(shè)計(jì)編譯:雙擊Tasks窗口頁面下的Compile Design對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行整體編譯并生成配置文件;
  7. 程序燒錄:點(diǎn)擊Tools → Programmer打開配置工具,Program進(jìn)行下載;
  8. 觀察設(shè)計(jì)運(yùn)行結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將程序加載到FPGA,觀察數(shù)碼管顯示,左邊4位數(shù)碼管顯示溫度,右邊4位數(shù)碼管顯示濕度,用手接觸溫濕度傳感器,觀察顯示變化。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象



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