数字温湿度计

实验16　数字温湿度计

【实验目的】

（1）熟练掌握VHDL语言和QuartusⅡ软件的使用；

（2）理解状态机的工作原理和设计方法；

（3）掌握利用EDA工具进行自顶向下的电子系统设计方法。

【实验所用仪器及元器件】

（1）计算机；

（2）示波器；

（3）直流稳压电源；

（4）万用表；

（5）EDA开发板及相应元器件。

【实验原理】

1.数字温度传感器DS1820（DS18B20）

DSl820数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出，因此从主机CPU到DSl820仅需一条线（和地线）。DSl820的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DSl820在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl820可以存放在同一条单线总线上，这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl820的测量范围从－55℃到＋125℃，增量值为0.5℃，可在1s（典型值）内把温度变换成数字。

每一个DSl820包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DSl820内部的ROM（只读存贮器）中。开始8位是产品类型编码（DSl820编码均为10H），接着的48位是每个器件唯一的序号，最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。DSl820中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负（℃），则1号存贮器8位全为1，否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的“1”表示0.5℃。将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2，就得到被测温度值（－55℃～125℃）。每只DS1820都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长，采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。

2.电容式相对湿度传感器HS1100

HS1100是一种电容式相对温度传感器，具有可靠性高、稳定性好、反应时间快等优点。

HS1100湿度传感器的原理是：湿度传感器的干湿介质由于外界的相对湿度变化，吸附／脱附空气中的水汽分子，使感湿介质的介电常数发生变化，引起湿度传感器的电容值改变。相对湿度越大，湿度传感器的电容越大；相对湿度越小，湿度传感器的电容越小。对于HS1100湿度传感器而言，这一变化呈线性。HS1100湿度传感器灵敏度为0.34pF／%RH在相对湿度为55%RH时，电容值为180pF。为了便于应用和进行数据采集，一般应将电容的变化转换为电压的变化或者频率的变化。

本实验中，可将电容的变化转换为频率的变化来进行测量，转换电路如图8－12。该电路是一典型的用NE555定时器构成的多谐振荡器。HS1100湿度传感器被用作振荡电容，连接到555定时器的第2脚和第6脚；它的等效电容通过R₂和R₄充电至阈值电压（约为0.67V_CC），仅通过R₂放电到触发电平（约为0.33V_CC）；因为R₄通过第7脚接地。由于湿度传感器HS1100的充放电过程的电阻R₂和R₄不同，从而导致了输出频率f_out的一定的占空比。这样一个周期内高电平时间t_high为

t_high＝C_HS1100（R₂＋R₄）ln2

一个周期内低电平时间t_low为

t_low＝C_HS1100R₂ln2

输出频率f_out为

占空比q为

图8－12　转换电路

从以上公式可以看出，电路输出脉冲的占空比始终大于50%，为了得到接近50%的占空比，R₄应当远大于R₂。R₃起短路保护作用。表8－4给出了输出脉冲频率f_out和相对湿度RH之间的关系。

表8－4　输出脉冲频率f_out和相对湿度RH之间的关系

【实验内容】

1.基本内容

设计一个LED显示的数字温湿度计。

（1）温度采集芯片为DS18B20；

（2）湿度采集芯片为HS1101；

（3）利用数码管显示温度和湿度；

（4）测量的温度范围为－20～110℃；

（5）测量的湿度范围1%～99%RH。

2.提高要求

（1）可设置上下限报警温度和湿度，超出正常温度和湿度范围报警；

（2自拟其他功能。