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基于高性能FPGA的智能加湿器设计高操，罗小华，仲雪倩（浙江大学电气工程学院，杭州310058）器。通过将环境湿度采样周期、工作条件等代入预测系统，建立预测控制模型，再通过超声波加湿部件、温湿检测部件和FPGA控制部件，形成闭环反馈回路系统，FPGA控制部件根据湿度传感器数据，调节输出方波信号占空比，达到智能调节湿度的效果。系统仿真和实测结果表明，该系统湿度测量准确、稳定可靠、可扩展性强。
加湿器作为调节室内环境、净化空气的装置，在生活和生产中被广泛应用。付卫东等在论文中分析了影响超声波加湿器性能的因素，包括环境湿度以及工作占空比等。为改进加湿器性能，已提出多种设计，例如李雯婷提出的一种基于单片机的工业加湿系统，以及Clemens提出的基于不同湿度环境的控制方案。然而，一方面，当前加湿器设计主要通过旋钮或按键手动调节喷雾量，使用不便，不能实现根据室内湿度自动控制的功能；另一方面，多是利用被动的电阻型传感器或电容型传感器，利用简单的控制电路实现恒湿的功能，准确性和可扩展性都不能够满足用户的需求。
在数字系统之中，FPGA（fieldprogrammablegatearrays）相对于单片机控制，具有速度快、应用灵活等优点。FPGA在开发阶段具有安全、方便、可随时修改设计等不可替代的优点，在电子系统中采用FPGA可以极大地提升硬件系统设计的灵活性、可靠性，以及提高硬件开发的速度和降低系统的成本PGA器件作为系统控制的核心，具有灵活的现场可更改性以及可再配置能力，在不更改硬件电路的基础上，可以进一步提高系统的性能。本文中提出了一种采用数字传感器以及FPGA芯片作为湿通信作者：罗小华（1975?），男，江西广昌人，副教授，硕士生导师。主要从事集成电路验证、参数提取及布图自度的检测和控制系统的智能驱动超声波雾化设计方案，可以很好满足系统的智能控制要求，并提供良好的准确性及可扩展性。
基于高性能FPGA的智能加湿器系统采用预测控制，期望能够获得一组控制量u（k），将环境湿度采样周期、工作条件等代人预测系统，建立预测控制模型，通过该控制器施加到被控对象上，实现湿度控制的*优。预测控制中优化指标的表达式如公ySp（=1-e-T0，其中t是轨迹的时间常数，T.是采样周期，p（k）是系统的预设值。
在收集到室内温湿度的基础上，运用预测控制算法，对加湿器的输出加以控制。预测控制系统的结构如所示。
基于高性能FPGA的智能加湿器主要由加湿部件、温湿度检测部件和FPGA控制部件形成一个闭环反馈回路系统，如所示。湿度由温湿度传感器检测传递给FPGA芯片，FPGA读取传感器数据后，根据环境湿度确定输出方波信号的占空比。通过读取环境数据，调节占空比，系统可以根据室内情况调节超声波电路的输出，达到自动控制的效果。
FPGA逻辑设计FPGA逻辑顶层结构如所示，以信号收发模块和输出控制模块为程序的核心模块，分析输人的温湿度信号和产生相应的输出。显示模块用于和用户的交互，时钟模块和分频模块用于提供其他各模块的时钟信号。
顶层结构图Fig. 2.1信号收发模块信号收发模块用于FPGA和传感器之间的通信，通过设计有限状态机（FSM），实现存储工作状态，确定延迟时间，并实现各状态间切换。基于稳定性的考虑，模块中采用Moore状态机，状态间的切换主要根据温湿度传感器DHT11的通信方式设计，状态机状态转换如所示。
状态机状态转换示意图出，并输出低电平，即对应DHT11的“主机发送开始信号”，设延迟值为18mS，转状态1；口转为输人，设延迟值为50，转状态2；（START）：等待延迟结束，判断DHT11有没有将信号拉低，即产生响应信号。如没有，则DHT11未成功启动，回状态0；如有，则继续，转状态3；然后转状态4；低，传输开始，然后转状态5；然后转状态6；后信号仍为高，那么这次传进的是一个高电平，反之则是一个低电平。将信号存储下来，再回到状态4，重新传输一个新数据；如果已经传输了40个数据，则处理前面的数据，校验，转化成对应的占空比，并*后传化为开关信号，然后转状态0，重新初始化，读取数据。
状态机使用的格雷码在任意相邻两个数据之间只有一位不同，可以在很大程度上消除由延时引起的过渡状态。
2.2输出控制模块输出控制模块在信号收发模块获取湿度信号后，根据用户设定的湿度，通过公式计算出合适的占空比控制加湿器。控制模块中使用前述预测控制系统加以实现，以用户所设定的湿度作为标准，与室内的湿度进行比较，得到湿度变化轨迹，再进一步得到控制量的调整值。控制系统根据超声波加湿部分的具体性能指标，确定输人量和输出量即工作占空比之间的关系，由此确定控制系统的输出量。
18°C）、空气湿度为札（45%）的人体感觉*为适宜，如果温度上升，则湿度需要下调，以满足人体排汗的需要。一般而言，空气湿度的上限值为65%，超过*大湿度值则会感觉不适。由此，可以将室温为T.、空气湿度为H.作为输出的基准值，当湿度升高时，则减少加湿器输出占空比，使室内湿度下降，反之同理，即令湿度和温度之间再复合如下简单公式，从而使室内环境*舒适：式（3）中，为预定要达到的湿度标准，T为室内令式（4）中t =0.393.如果在需要较快调节速度的系统中，可以调高t值，降低a；反之，在需要较高稳定性的系统中，可以降低t值，提高a.令式（4）中i取1，即每一次取样就改变控制系统的输出。在取样频率比较高的系统中，可以增加i值，以降低输出调节的频率。如果将T0、H.以实际值代人，综上所述，式（4）由此可以化为yr（k+1）=0.393yr（k）根据加湿器性能参数，将转化为合适的占空比，即可控制加湿器的输出。
仿真与测试系统选用Xilinx的Virtux2FPGA芯片进行了逻辑设计，软件平台为XilinxISE9.1，采用Verilog HDL硬件语言编写。
是FPGA的状态机完成一个周期后并输出控制信号的情况。其中，heck信号为验证信号，dutycycle为占空比输出。利用check信号成功确认mois（湿度）和temp（温度）信号的正确性后，计算出相应的占空比。可见，在湿度45%、温度18C的条件下，占空比输出为30，实现了预期的效果。
在FPGA程序实现的基础上，将其他模块连接到FPGA开发板上，搭建了智能加湿系统，以测试整个系统的功能。测试系统使用DHT11作为温湿度传感器，一组开关电源和超声波换能电路作为超声波输出。在15m2的房间中，以不同的温度和湿度条件完成了多次测试，测试结果见表1表1 18t加湿器工作情况组别湿度/%工作占空比/%时间第1组第2组表2 26加湿器工作情况湿度/%工作占空比/%时间/min注：11第3组。
表3 32加湿器工作情况湿度/%工作占空比/%时间FPGA仿真输出（完成一个周期）注：11第4组。
°C、初始湿度30%的情况下，加湿器经过约8min，将湿度调节至45%，并稳定保持，满足式（3）的要求。其中加湿器在室内湿度和实际湿度差距较大的情况下运行在比较大的占空比之下，在差距较小的时候则减少输出，满足理论设定的预测控制的要求。在第2组测试中，在室温18°C、初始湿度80%的情况下，加湿器则保持很低的输出功率，直到湿度达到预定的45%，再保持该湿度值，同样满足设计要求。同样，在第3、第4组测试中，在不同的室温条件下，加湿器都可以将湿度*终调节为式（3）所确定的*佳湿度，并加以保持。
从表中可以看出，对应不同的温度，系统*后会将环境的湿度调节成对应的*佳值并保持，能够实现室内湿度的正确控制，满足设计要求。
结语境湿度采样周期、工作条件等代人预测系统，建立预测控制模型，通过超声波加湿部件、温湿检测部件和FPGA控制部件，形成闭环反馈回路系统，FPGA控制部件根据湿度传感器数据，调节输出方波信号占空比，达到智能调节湿度的效果。系统仿真和实测结果表明，该系统具有湿度测量准确、稳定可靠、可扩展性强等特点。
