基于fpga的空调控制系统毕业设计(编辑修改稿)

基于fpga的空调控制系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

0 进行温度采集，将采集到的温度数字直接以数字信号传输给 FPGA 控制器，控制器通过比较采集的温度和用户设置的温度来做出发送降温还是加热的控制信号给空调机。 同时通过 FPGA 芯片还可以实现定时和控制显示，使用 6 个数码管将传感器测量到的温度，设置的温度、定时时长都显示出来。 其方框图 32如下： 图 32 基于 FPGA 的空调控制系统框图 方案论证与确定 通过比较两个方案，方案 1 采用单片机为核心控制器件，该方案的优点是容易控制，系统原理比较简单， 电路可靠，容易实现控制目的。 但是该方案中的温度测量电路，译码电路复杂，容易产生误差和由电路复杂而导致的设备使用寿命低等一系列问题。 方案 2采用的是以 FPGA 为核心控制器件，同时温度传感器采用的是高精度的数字温度传感器DS18B20，通过该传感器采集的温度信息不需要经过信号放大和 A/D 转换直接以数字信号的形式传递给控制芯片，使得电路的连接大大的简化了，减小了电路复杂所带来的误差等问题。 而且 FPGA 芯片所具有的可编程修改的特点以及其强大的逻辑功能都是单片机难以达到的，这样不但给设计过程中带来一系列的便利，而且在空 调的功能日趋人性化和智能话的发展趋势下，以 FPGA 为控制器件的设计无疑更加具有市场竞争力。 所以同过上面的对两个方案的比较论证，本次设计采用方案 2来实现 [4]。 AD590 A/D 转换 AT89S51 LED 显示 可控硅电路 可控硅电路 风扇 电炉 控制器 FPGA 温度采集 温、时设置 空调电机 LED 显示 9 4 硬件电路设计 硬件整体结构及原理 硬件电路主要包括电源、石英晶振、温度传感器、 FPGA 控制器、数码管显示组成。 本设计使用的 FPGA 芯片是 Altera 公司的 ACEX 1K 系列的 EP1K30TC1443，温度传感器采用高精度数字温度传感器 DS18B20。 整个硬件的框图如图 41所示： 图 41 整个硬件框图 整个电路的工作原理是由 20MHz 石英晶振 FPGA 提供时钟信号。 电源电压为 和。 数字式温度传感器 DS18B20 将采集的温度以数字信号的形式直接传递给 FPGA 芯片，用户可通过按钮根据需要设置温度值和定时时长。 测量温度和设置温度都送给 FPGA 控制器，控制器对两个温度值比较并做出判断，当测量温度大于设置温度时，控制器发出制冷的控制信号；当测量温度小于设置温度时，则发出加热控制信号；当两者相等时既不制冷也不加热。 通过空调执行机构来达到改变环境温度的目的。 同时，将定时的时长和设置温度的值通过 6 个数码管显示出来 [9]。 高精度数字传感器 DS18B20 温度传感器的介绍 温度传感器是一种以一定的精确度把被测量温度转换为与之有对应关系的便于应用的某些物理量的测量装置。 如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者是数据的显示与控制都是不可能实现的。 下面介绍传感器的特 FPGA 20MHz 石英晶振 电源 空调执行机构 数码管显示 温度传感器 按钮 10 性。 衡量传感器静态特性的重要特性的重要指标是： （ 1）线性范围：即传感器的输出量与输入量成正比的范围。 理论上线性范围越宽，量程越大，并且能保证一定的精度。 当传感器种类确定时， 首先要看其量程是否满足要求。 （ 2）稳定度：传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力。 （ 3）精度的确定：传感器精度越高，价格越高。 因此只要传感器的精度满足整个测控系统即可，不必选的太高。 （ 4）灵敏度：通常情况下，在传感器的线性范围内，传感器的灵敏度越高越好。 温度传感器的选择 按照电阻的性质可以分为半导体热电阻和金属热电阻两大类，前者通常称为热敏电阻，后者称为热电阻。 方案一：采用温度传感器铂电阻 Pt1000。 铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，而此元件线性较好。 在 0C 100C 时，最大线性偏差小于 。 铂热电阻与温度的关系是： Rt= Ro(1+At+Btt)；其中 Rt 是温度为 t 摄氏度时的电阻； Ro 是温度为0 C 时的电阻； t 为任意温度值， A， B为温度系数。 但其成本太贵，不适合做普通设计。 方案二：采用集成温度传感器，如 DS18B20 智能温度控制器。 单线数字温 度传感器 DS18B20简介新的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济，数字化。 DS18B20 测量温度范围为 55C +125C ，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 DS18B20 可以程序设置 9~12 位的分辨率，可以设置的报警温度存储在 EEPROM中，掉电后依然保存 [5]。 方案选择 ：选择方案二。 理由：电路简单可靠，不需要 A/D 转换直接同 FPGA 芯片相连。 DS18B20 数 字温度传感器介绍 DS18B20 特点 ： DS18B20具有微型化 、 低功耗 、 高性能 、 抗干扰能力强 、 易配微处理器等优点。 可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理。 DS18B20的性能特点如下： (1) 独特的单线接口引脚进行通信； (2) 多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能； (3) 无须外部器件，零待机功耗； 11 (4) 可以通过数据线供电，电压范围 ~； (5) 温度以 9或 12位数字读出； (6) 用户可定义的非易失性温度报警设置； (7) 报警搜索命令识别并标志超过程序限 定温度（温度报警条件）的器件； (8) 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20 的内部结构 ： DS18B20有 4个主要的数据部件： （ 1） 64位激光 ROM， 温度灵敏元件。 （ 2） 非易失性温度报警触发器 TH和 TL。 可通过软件写入用户报警上下限值。 （ 3） 配置寄存器。 DS18B20工 作 时按此寄存器中的分辨率将温度转换成相应精度的数值。 DS18B20内部结构框图如图 42所示 : 图 42 DS18B20 内部结构 框图 图 42 所示为 DS18B20 的内部结构框图。 它主要包括寄生电源、温度传感器、 64 位激光 ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器，用于存储用户设置的温度上下限值的 TH和 TL 触发器存储与控制逻辑， 8 位循环冗余校验码（ CRC）发生器等七部分 ,其测得的温度数据如表所示。 当符号位 S=0 时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位 S=1 时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制值。 表 41 是一部分温度值对应的二进制温度数据。 I/O VDD C 64 位 ROM 和单线接口 高速 缓存 存储器与控制逻辑 温度传感器 高温触发器 TH 配置寄存器 低温触发器 TL 8 位 CRC 发生器 12 表 41 温度值对应的二进制温度数据 温 度 /℃ 二进制表示 十六进制表示 +125 00000111 11010000 07D0H + 00000001 10010001 0191H + 00000000 10100010 00A2H + 00000000 00001000 0008H 0 00000000 00000000 0000H 11111111 11111000 FFF8H 11111111 01011110 FF5EH 11111110 01101111 FE6FH 55 11111100 10010000 FC90H 数据来源：《 FPGA 与 DS18B20 组成的测温系统的设计》 DS18B20 的芯片结构 ： DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装。 其 管脚排列如 图 423（ b） 所示。 I/ O1GND2NC3NC4NC5NC6NC7VDD8GND1I/O2VCC3D S 1 8 B 2 0D S 1 8 B 2 0P R 3 5 封装 S O IC 封装 图 43 DS18B20 管脚排列 图中 GND 为地。 I/O 为数据输入 /输出端（即单线总线）。 该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。 VDD 是外部 +5V 电源端，不用时应接 地。 NC 为空脚。 DS18B20 的供电方式有两种：一种为寄生电源，另一种为外加电源。 用户也可通过 1线端口对 DS18B20 进行操作，其步骤为：复位 ROM 功能命令 存储器功能命令 执行 /数据。 在本设计中采用的是DS18B20 的 3脚封装形式。 DS18B20 的测温原理 DS18B20 的测温原理如图 44所示。 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器 1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入。 图中还隐含着记数门，当记 13 数门 打开时， DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行记数，进而完成温度测量。 记数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前首先将 55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器 温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 55℃所对应的一个基数值。 减法计数器 1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法记数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，减法计数器 1 的预置值将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行记数，如此循环直到减法计数器 2记数到 0时，停止温度 寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。 斜率累加器用语补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要记数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。 [4] DS18B20 测温原理如图 44 所示 : 图 44 DS18B20 测温原理 控制器芯片介绍 本次设计使用的是 Altera 公司 ACEX 1K 系列的 EP1K30TC1443。 ACEX 1K 是 20xx年推出的 低价格的 SRAM 工艺 的 PLD。 ACEX1K 器件的特点 （ 1）具有宏功能的增强嵌入式阵列（如实现高效存储和特殊的逻辑功能）和实现一般功能的逻辑阵列，每个 EAB 的双口能力达到 16bit 宽，可提供低价的可编程单芯片系统集斜率累加器 计数器 1 低温度系数振荡器 预置 比较 =0 温度寄存器 计数器 2 =0 高温度系数振荡器 预置 停止 14 成。 （ 2）高密度： 1 万到 10 万个典型门，高达 49152 位内部 RAM（每个 EAB 有 4096 位，这些都可在不降低逻辑能力的情况下使用）。 （ 3）系统级特点：多电压借口支持 、 和 5V 设备；低功耗；双向 I/O 性能达到250MHz；完全支持在 33MHz 或 66MHz 下 的 PCI 局部总线标准； 内置 JTAG 边界扫描测试电路；可在 内部电源电压下工作；通过外部的配制器件、智能控制器或 JTAG 端口可实现在线重配置。 （ 4）灵活的内部连线：快速、可预测联县延时的快速通道；实现算术功能（诸如快速加法器、计数器和比较器）的专用进位链；实现高速、多扇入功能的专用级联链；实现内部总线的三态模拟；多达 6 个全局时钟信号和 4个全局清除信号。 （ 5）强大的 I/O 引脚：每个引脚都有一个独立的三态输入、势能控制和漏极开路配置选项；可编程输出电压的摆率控制可以减小开关噪声。 ACEX1K 功能描述 每个 ACEX1K 器件包含一个实现存储及特殊逻辑功能的增强型嵌入式阵列和一个实现一般逻辑功能的逻辑阵列。 （ 1）嵌入式阵列由一系列的 EAB 组成，当实现存储功能时，每个 EAB 提供 4096 位；当实现逻辑功能时，每个 EAB 可以提供 100 至 600 个门。 EAB 可以独立使用。 （ 2）逻辑正列由逻辑块组成。 每个 LAB 包含 8个逻辑单元（ LE）和一个局部互联。 一个 LE由一个 4输入 LUT、一个可编程触发器和为实现进位及级联功能的专用信号路径组成。 8 个 LE可实现中规模的逻辑块，如八位计数器、地趾解码器和状态机，也可以跨 LAB 进行结合以实现更大的功能块。 每个 LAB 代表大概 96 个可用逻辑门。 （ 3） ACEX1K 器件的内部的信号连接是通过快速通道互连布线结构实现的，快速通道是遍布整个器件长、宽的一系列快速、连续的水平和垂直的通道。 （ 4）整个 I/O 引脚由。