论文总字数：17056字

目 录

1绪论 1

1.1 课题背景及国内外研究概况 1

1.2 课题相关技术发展 1

1.3 课题研究的必要性 1

1.4 课题研究的主要内容 2

1.5 论文主体安排 2

2 系统总体方案 2

2.1 方案的选择 2

2.1.1 数据处理方案比较 2

2.1.2 温湿度传感器选择 3

2.2 Quartus II介绍 3

2.2.1 Quartus II的设计流程 4

2.3 本章小结 4

3 硬件电路设计 4

3.1 系统总体设计 4

3.2 数据处理模块 5

3.3 DHT11温湿度检测模块 6

3.3.1 产品概述 6

3.3.2 单总线接口定义 6

3.3.3 DHT11读取数据流程 7

3.4蓝牙通信模块HC-05 9

3.4.1产品概述 9

3.4.2 产品特性 10

3.5液晶显示电路 10

3.5.1 LCD1602液晶简介 10

3.5.2液晶引脚说明 11

3.5.3 液晶指令说明 11

3.6本章小结 12

4 系统软件设计 13

4.1系统主程序设计方法 13

4.2 LCD1602显示程序 13

4.3 DHT11温湿度采集程序 14

4.4 蓝牙模块程序简述 14

4.5本章小结 15

5 系统实验结果与分析 15

5.1 系统软件编译 15

5.2 程序的下载调试 16

5.3 设计过程中遇到的问题及分析 18

6 结论 18

参考文献 20

致谢 21

基于FPGA的温湿度测量仪设计

陈天明

摘要：温湿度测量在生活中随处可见。本次的设计目标是利用FPGA硬件来进行设计一种温湿度测量仪，可对外界进行温湿度测量。该系统采用数字温湿度模块DHT11，对温湿度数据进行采集，并将采集的信号传给FPGA来处理，通过LCD1602将温湿度数据进行实时显示。并且采用蓝牙通信模块HC-05，在一定范围内进行无线数据发送，并可以在电脑和手机上进行实时的监测。在Quartus II软件应用下，采用Verilog HDL语言编写程序,并采用ALTERA公司Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8N芯片进行系统的设计。根据实际硬件所测数据，验证得出本设计能够实现对环境下温湿度数据的测量。

关键词: 温湿度测量；FPGA；Verilog HDL ；Quartus II；

Design of temperature and humidity measuring instrument based on FPGA

Chen Tian Ming

School of Electronic and Information Engineering, NUIST, Nanjing 21044, China

Abstract: Temperature and humidity measurements are everywhere in life. This design objective is to use FPGA hardware to design a temperature and humidity measuring instrument, which can measure the temperature and humidity of the outside world. The system adopts the digital temperature and humidity module DHT11 to collect temperature and humidity data and transmit the collected signal to FPGA for processing. The temperature and humidity data are displayed in real time through LCD1602. In addition, HC-05 Bluetooth communication module is adopted to send wireless data within a certain range, and real-time monitoring can be carried out on computers and mobile phones. In the Quartus II software application, Verilog HDL language is adopted to write the program, and the system design is carried out by using the EP4CE6E22C8N chip of Cyclone IV series of ALTERA company. According to the data measured by the actual hardware, it is verified that this design can realize the measurement of temperature and humidity data in the environment.

Key words: Temperature And Humidity Measurement ; FPGA; Verilog HDL ; Quartus II；

1绪论

课题背景及国内外研究概况

对温度和湿度的测量，无论是在人们的日常生活中还是在工厂企业的生产过程中都起着至关重要的作用。但现如今，我国偏远落后地区没有精确实用的温湿度测控设备，一些工厂等企业，仍然采用着一些老式的温湿度检测设备，这些设备无法实现实时的测量和控制温湿度数据，导致生产效率和生产速率低，无法满足社会生产的需要。并且随着我国科技水平的快速发展进步，于是企业和工厂都对温湿度的测量和性能都提出了更高的要求，很明显的一点就体现在温湿度测控系统的控制精度、稳定性以及可靠性上，需要及时的更新替换设备。而且由于人们对美好生活的追求，一些老式的温湿度控制器的性能已经明显不能与人们当前生活水平相匹配，温湿度控制器需要更新换代已经迫在眉睫，加之在对温湿度测量有更高要求的环节中，老式的温湿度控制器的性能和精度也已经远远不能满足人们的需求。

因此，近年来，在温湿度传感器领域已经取得了重要的进展，替代了传统的温湿度传感器。相比较之前传统的温度和湿度传感器结构复杂，功能简单的特点，新一代的温湿度传感器正在逐步转换成向智能化、集成化和多个参数共同一起检测的方向迅速发展，这一发展趋势使得在温湿度的测量技术水平上，已经取得了显著的提高。同时新一代温湿度传感器的发展趋势也为进行开发新一代温度和湿度的测量创造了有利的条件。现如今，在国内，数字温湿度仪测量温度和湿度采用的方法，主要是“温—阻”法和“湿—阻”法（即温湿度传感器的电阻模型），也就是利用其阻值随着温度和湿度的变化这一特征从而确定出空气的温度和相对湿度，但是这类温湿度仪也有明显的缺点，那就是由于本身温湿度传感器灵敏度的限制，导致这类温湿度传感器的精确度不是很高，在一般的条件下，这类温湿度传感器可以满足需求，但在环境实验设备要求高精度的情况下是很难满足需求的。

1.2 课题相关技术发展

在当前的发展趋势下，目前的电子产品正朝着向功能种类多、携带便捷且体积小以及产品功耗低，耗电少的方向迅速发展。在这一新的发展趋势下，我们可以发现现在的电子产品的优点就是拥有与传统的电子产品所不同的地方，很明显我们可以看出现在的电子产品的构成是通过使用大量的大规模可编程逻辑器件，这一举措使得新一代的电子产品使用起来会感觉到更加的简单便捷便于携带且功耗低，耗电少，并且由于现代计算机技术在产品的设计制作过程中得到了广泛的应用，电子产品的自动化程度和竞争力很明显的也随之得到了提高。而在这种情况下为了满足现代电子技术的发展，EDA技术也就得到了产生。

1.3 课题研究的必要性

随着社会的不断发展进步，应用新技术所产生的新产品层出不穷，明显可以看出在电子技术的发展上更是突飞猛进。人们在享受着新技术和新产品所带来的在日常生活中的便捷，同时我们可以很明显的发现，新型电子技术在人们日常生活中的应用更是无处不在，人们的日常生活也越来越离不开电子产品的使用，在这种情况下，因此我们可以毫不夸张地说，我们的生活以及我们的世界正在随着新型电子技术的发展，正在不断地发生着变化。随着社会历史的进程，人们对于温湿度测量的性能和精度的要求也越来越高。老式的温湿度测量仪已经不能满足人们的需求。因此，在这种情况下，温湿度测量系统的变革已经迫在眉睫，这一变革应该体现在生活的方方面面中。

1.4 课题研究的主要内容

本课题研究的目标是设计基于无线传输模块的温湿度测量系统。测温湿度系统由温湿度信号采集与显示模块、FPGA控制单元、无线蓝牙模块几部分组成。

本课题提出了一种有效的温湿度数据采集分析方案。本系统基于无线蓝牙模块HC-05，温湿度模块DHT11和FPGA为核心，以低功耗和模块化为设计原则，设计出具有低功耗、体积小、成本低以及数据传输稳定可靠的无线监测系统，本课题主要包括以下几个内容：

1、设计系统总体方案，完成温湿度数据采集和处理、无线数据传输的结构设计。

2、选择合适的元器件，温湿度传感器、FPGA和无线蓝牙模块。

3、熟悉DHT11温湿度传感器的读写控制时序。  

4、通过LCD显示屏显示测量所得到的温湿度数据。

1.5 论文主体安排

本论文各部分安排如下： 

第一部分为绪论部分，首先介绍此次设计系统的研究背景以及国内外相关的研究概况，然后介绍此次设计的主要研究内容安排。 

第二部分为系统总体设计方案，分别比较多种设计方案从而得出适合此次设计的最佳方案，然后介绍本次设计中重要的软件Quartus II。

第三部分为系统的硬件电路设计部分，其中详细介绍了数据处理模块、温湿度采集模块、LCD显示模块、无线蓝牙模块，并分别介绍了这些模块在设计中的功能应用。

第四部分为系统的软件设计部分，其中首先将系统设计划分成为各个部分模块，再分别对划分后的各个模块应用 Verilog HDL语言来进行编程设计。 

第五部分为整个设计的实验结果与在设计过程中存在问题的总结。 

第六部分为对整个设计过程进行分析和总结。

2 系统总体方案

2.1 方案的选择

2.1.1 数据处理方案比较 

方案一：此方案是以单片机来进行数字温湿度计的设计，使用的是MSP430单片机作为核心控制设备。本方案通过温湿度传感器得到测量数据，然后将温湿度传感器所采集到的相关温湿度数据，经过A/D转换过程，通过这一过程就可以将模拟信号转换成为数字信号，转换完成后就可以将信号传给单片机来进行处理，最后再经由LCD显示屏来进行显示测量所得到的温度和湿度的数据。

方案二：此方案是以FPGA来进行数字温湿度计的设计，并且使用温湿度传感器来进行温湿度信号的采集，然后将温湿度传感器采集得到的温湿度数据传给FPGA来处理，最后通过由LCD显示屏来显示当前环境下所测温湿度数据。

通过上述讨论过程分析，我们知道使用单片机来进行控制的方法优点是使用方便、原理简单，然而在这种情况下，温湿度的测量电路结构复杂且容易产生错误，并且测量过程需要经过A/D转换和信号放大的过程。而使用FPGA来进行控制，并且使用数字温湿度传感器DHT11的方法，使得测量所得到的温度和湿度的数据可直接以数字信号的形式传送给FPGA来处理，因此这一特性可以使得温湿度测量系统电路的连接变得更加容易，并且由于FPGA的基本单元是可编程逻辑器件，我们可知，可编程逻辑器件本身就具有可编程修改的特点，通过这一特点可以达到减少在设计过程中所存在问题的效果。

2.1.2 温湿度传感器选择

方案一：对温度和湿度的测量分别采用LM135模拟式温度传感器和HTF3223频率输出式湿度传感器的组合来进行对温度和湿度的测量。其中，LM135模拟式温度传感器是电压输出型温度传感器，它的测温范围广，可以从-55摄氏度到 150摄氏度，可以看出，LM135传感器测温范围大，同时它是一种具有高精度且易于校正特点的集成温度传感器，该传感器的工作电流范围是从400微安到5毫安。HTF3223湿度传感器为用HS1101做的频率输出湿度模块，它的测量湿度的范围是从10%RH到95%RH，它的测量湿度误差为±5%RH，具有可靠性高和长时间稳定性的特点。虽然这两个传感器测量范围大，精度高，但是用这两个传感器测量会使系统变得复杂，不容易操作。

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