《基于FPGA的温度控制硬件设计》9600字（论文）

一绪论1温度传感器的背景及价值温度检测是一种专门用来测量表征被测物体的不受冷热湿度变化影响程度的一种基本物理温度测量,它在汽车制造业和工业、自动化、家用电器、环保、安全产品生产和以及新能源电动汽车设计制造等各个不同行业领域中都已经可以应用作为基本温度检测的重要参数。温度监测是整个世界温度测量监测技术系统中最基本、最为科学和也最核心的一个具体衡量温度指标,也是整个温度测温技术系统中最为重要的一个具体被控温度参数,因此如何对于各种温度监测情况及时进行准确的温度监视一直以来都认为是一个重要的测温技术科学研究领域问题。所以,测量工业温度的专用仪器在整个工业测温管理系统中一直占据着至关重要的地位作用。温度传感器和被广泛应用于检测物体介质之间的温度按摩运动的方式大致来说,我们可以把它划分为以下两个主要的大类:一种主要是接触电路式的温度传感器,另一类则主要是,非接触电路式温度传感器。接触式温度传感器的特点测温传感元件与被自动检测测温对象之间往往需要一个具备良好的热平衡接触,通过加热电磁波形的传导和加热对流的力学原理作用来使其达到热平衡,所以其中的数字显示温度值即为与被检测测温对象的实际温度。这种自动测温控制技术的工作精度也是相对来说比较高,而且它还真的可以准确地直接测量一个物体内部的平均温度和湿度比率。但对于可以移动的、热容量比较小的和对某些感温电子元件本身具有强烈的热腐蚀性的感温对象,这样这么做的操作方法可能会容易使其成员产生巨大的操作错误。非接触性液体测温的主动检测物体元件和被动检测测温物体之间互不直接相干。常见的就是中子辐射-热中子交换的工作原理。此种自动测温测量技术的主要性能优势之一就是我们可以同时测量基于物体自身运动速度状况的小测量目标和热容量温度较低或周围温度环境变化快的测量对象,也就是可以同时测量不同温度场环境中的物体温度变化分布,但是它同时所受到的周围环境变化影响较大。2设计作用与目的温度学被认为是现代研究工程技术中最为基础的一种物理测定量之一,化学、物理、生态这些领域均离不开它。比如,发电厂燃气锅炉的温度必须严格地控制在规定的范围内;许多化学反应的制造工艺流程必须处于适当的温度下方可以正常地进行;炼油项目中,原油需要通过不相似的加热温度、压力等条件下,进行分馏,这样才能获取出汽油、柴油、煤炭等产品。FPGA就是一种通过硬件语言来描述的实现计算机并行功能的软硬件电路。应用FPGA来实现pid控制器,它可以大幅度地提高pid运算的效率和速度,避免了使用单片机来实现pid控制按次序执行的命令对于运行的速度和延时性,非线性影响。同时FPGA所实现的pid控制内在电路也可以随着实际情况的变化而进行调整,提高了该系统的灵活性。而使用智能pid来控制的温度就是为了它具备测量和控制的精度高、费用少、体积小、功耗低等特点。将传统的工作电路中温度控制技术用芯片替换,因此通过FPGA来实现pid的智能化温度控制技术具有重大而深刻的意义。3相关技术简介整个系统的主要逻辑芯片都已经是直接采用了一个pfga阵列即现场逻辑可编程的一个门逻辑阵列,fpga在一个整体系统结构上以各种逻辑连接功能块间的组合方式排列成一个个门阵列,并且同时具备了现场可编程内部软件链路和逻辑连线连接功能块所需要实现的某种系统逻辑上的连接。fpga由类似掩膜式栅门逻辑阵列的一种可编程栅门逻辑阵列器件结构演化而来,又同时具备了多种语言,可编程的基本特点。利用了对功率驱动继电器的数据进行实时通断控制,作为一个控制的自动开关,控制输出量的自动设定值和通断控制单机的输入量之间的主动关系,充分实现了在单机用户的操作界面上对功率继电器数据进行了实时在线数据更新,时间在线采样、图形实时显示、数据实时保存等多种功能。ADC0809，它的内部共配备了个8通道的多路数字控制信号开关,它用的是一种可以按照多路地址码的编码式来自动锁存被地址译码后的多路数字信号,只需要选择了8路作为模拟信号输入的一个信号和其中的一个信号来对其进行模拟a/d信号转换。仅在初步使用单片机的编程应用软件设计中比较常见。adc0809与mcmcs-51单片机的数据链路中断连接主要表现是因为涉及两个关键环节。一者二则是8路高频模拟信号转换通道的设计选择,二者三是8路a/d信号转换器在正常工作时首先进行信号转换后对整个数据链路进行信号转换和数据传送。转换实时数据的这种传输方式主要可以分为定时数据传输、查询、中断三种。a、b、c的选择值和被输入选择值的通道相连及对应的进入输出数据线之间是否存在函数关系dac0832是一种8位可对d/a模式信号进行转换的数字集成电路芯片。和其他微处理器之间是完全交互相容的。DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,是由于其集成电路内有两级输入寄存器,正因如此它适于各种电路的需要(例如要求多路D/A异步输入、同步函数变换等)。因此这个新型单片机的技术应用很普及,FPGA的基本应用1、FPGA在数据采集领域的应用我们需要模拟数据采集等功能存在是因为一般模拟信号采集处理控制系统在目前自然界中所应用基本基于模拟信号。一般情况下一种广泛用于数字模拟视频实现的综合数字视频技术,是在泛指在其中使用一个数字视频a/d模拟信号视频转换器将一个数字模拟的视频数字信号转换成一个数字模拟实现信号后,交付给数字处理器,比如我们使用数字单片机(mcu)或者使用数字信号采集处理器(dsp)等多种方式用来进行文字数据的模拟运算和信号处理,高速的视频a/d和低速d/a视频转换通用芯片。2.FPGA在逻辑接口领域的应用在许多现代工业数字数码电子产品的开发设计制造过程中,存储器已经逐渐得到了广泛的设计使用,例如诸如sdram、sram、flash等。这些各种储存器均分别具备其各自独特的应用功能和主要用途,合理正确选择各种存储器的应用类型,可以直接达到有效实现对该系列产品最佳和优化的性价比。由于fpfpga的所有控制功能都必须是一个可以完全由自己的人来进行设计,因此,它们可以是一个同时具有多种不同存储网络接口的通用控制器。二温度传感器的总体设计实现多种温度控制采集主要采用有多种温度控制电路方法,例如它采用了比较传统的二位数字模拟温度控制电路技术,选用了三位模拟控制电路,用一个模拟电位器信号来自动设定固定的温度值,经过多次采样后利用放大后的信号把数据反馈到的温度显示值和当前给定的工作温度显示值相互进行比较后,根据这些相互比较的显示结果可以来对热控制当前的工作温度进行显示,以便用户确定是否需要停止加热或者不确定需要停止加热。它的主要技术特点之一是也就是集成电路简便、容易设计实现。但是由于循环系统中对获取室温结果的控制精度不高且室温调整时的动作频繁、系统不稳定,受循环系统的远程自动控制和对室内温度的自动显示,人机之间互操作用的性能较低。而且在系统加热时我们选用了一种模拟加热电路把自己反馈系统温度参数值和自己给定系统温度参数值相互比较使用来精确决定自己温度是否正确需要进行加热,从系统输入温度采样、输出温度控制参数到最小温度误差等各个环境因素影响都会直接导致系统加热工作精度很低,难以完全满足要求。另一个解决方法是我就是在一个系统内部用我采用两个eda对两个温度控制器的系统温度进行了一个智能化的自动控制,采用两个mcu芯片集成作为控制核心的系统温度自动控制器,使用温度传感器中的ads90来自动采集系统温度自动变化的相关信号,并通过使用mcu两个芯片自动进行信号处理之后我再去自动控制系统温度,这样我就可以直接让它们之间达到一个稳定。这种控制方法在应用软件上同时具有系统编程简便、控制灵活等几大优点,使得作业系统人员可以简单地直接实现对室内温度的自动控制和温度显示。文中我们主要采用了pfpga方法来直接实现对气体温度的自动采集,其基本结构和线框图形式如下图表所示。温度传感器采用的是市面常见的传感器ad590。ad590具有个体小、重量轻、线性稳定度好、工作无误的优点。其中的测量精度区间一般在均值负50度至150度之间,其中的测量系统性能均匀并可以达到完全符合此类测量系统的整体工程设计。另外,aad590为一种温度/压力电流控制传感器,对于不断改善系统的抗干扰控制性能也一定会对其有很大的应用帮助。加热继电控制部分系统采用了加热继电器元件进行加热控制,使用的加热继电器简单操作易于并可实现对整个加热控制电路的自动控制,在正常工作情况下其运作还是十分可靠的。继电器自身可以直接通电进而实现与其他电气完全隔离，因此是没必要外加一个直接电耦。此外该类型的控制电路不能很好地精准地及时实现对整机电热解丝的工作功率精度控制,电热解丝仅仅要求只能在一定一段时间内正常工作,如果不能及时达到最大工作功率或为零,那么功率控制的工作精度也就会因此受到很大影响。但是系统可以通过多路功率加热控制丝自动进行系统功率动态控制,由于pfpga两个芯片根据加热温差变化进行信号处理应用来自动实现各个加热层次的功率分级和层次功率动态控制,提高了系统的功率动态控制性能。采用七段两位数码led显示七段七位数码管分别显示可以同时显示出数十位、个位,数码管的最大特点主要是它分别具有振动能量较小、高压大功率耐热损耗、低工作压力、高温耐热损失、寿命相对较长、耐老化、对于各种外界和室内环境的温度要求相对较低等诸多特性,另外七位数码管也是一种采用两位bcd编码器的方式可用来同时显示七位数字,编程简单,资源管理占用较小。硬件结构硬件结构三温度传感器的硬件设计3.1FPGAfpga一般来说包含3种不同类型的程序可编程语言电路以及一个主要用来存储寄存器可编程语言数据的小型静态程序有源存储器fpsram。这3个基本可编程的集成电路模块分别为:一个可编程的的逻辑输出模块、输入/控制输出模块(iob-i/oblock)及一个互连的电路资源。可编程通用逻辑芯片模块中的clb主要是一个用来实现各种逻辑信号处理过程功能的一种基础性集成单元,它通常被顺序排列在每个逻辑芯片的四周;这些叮于可编程芯片日连的基本资源主要可以包括各种相同总线长度的基本连接点或线段和些其他各种可以用来进行逻辑编程的基本连接点和开关,它们将各种类的clb之间或各种cib、i0b之间以及各种ior之间相互连接组合起来,构成特定逻辑功能的集成电路。clb为整数fpga这个关键词由元件部分组成。它上面由带有逻辑处理函数信号发生器、触发器、数据信号选择器等三个申路控制元件直接组成的是在clb中3个称为逻辑处理函数的信号发生器分别为f和g、f和以及h,对应的进入输出交量分别为:f-f-a和f和h,g其中有4个白的输入输出交量-g1.g2、g3和以及g4:f也就是说它有4个白的输入输出交量-f1、f2、f3和以及f4,这两个白的逻辑处理函数信号发生器都可以是完全独立的,均使它可以单独用于同时实现4输入交量转化功能.将交量的任意一个组合称为逻辑处理函数,逻辑处理函数信号发生器中在h1中共享的只有3个白的输入转化信号;前两个为逻辑函数信号发生器的两个输出信号g-和传输f,而另外两个白的输入转化信号则分别为将原来白的输入信号部分转换二路和传输h1。该输入函数的信号发生器函数可以基于用来产生实现3输入函数变量的各种函数组合中的函数。这3个运算函数的信号发生器或者组件可以结合在一起米,就这样可以轻松实现一个包含多达9变量的动态逻辑运算函数。iob的两个输出输入端分别同时装设了所有两只栅极mos管,它们的所有两个栅极都导电可同时进行电路编程,使两只mos管导电接通或导电截止,用以大幅提高电路输出的运动波形及对不同负载的运动适应能力。3.2温度传感器上个世纪以来,我们通常认为工业应用技术上的温度传感器发展大体上需要经历以下三个发展阶段:分立式温度传感器(其中包括敏感元件);模拟式和集成温度传感器/温度控制器;和人工智能的温度传感器。在近几年中,国际上的许多新兴地区和发达国家已经纷纷开始积极研发设计生产和推出关于应用智能微型温度采集控制器的一些新系列产品。智能微型温度管理控制器主要分为具有两种功能类型,即各种可以直接自动输出的微型温度控制管理数据以及各种可直接手动输入的微型温度控制管理数据,适配不同的微型智能温度管理控制器的功能特点;并且它们都主要是在智能硬件的技术支持下,通过这些软件应用来直接实现的各种功能,其中的智能化应用程度主要还是依赖于这些软件的应用开发技术水平。智能温度传感器的主要技术优势之一有点儿就是于它能够对现场所有的需要实时测得的人体温度相关数值数据进行实时地图像处理和数据传递,并与上位机设备实行及时数据通讯。二十世纪八九十年代中期现在我国的温度智能化和温度自动控制器技术诞生了,智能化的温度自动控制器主要技术是在现代微电子控制技术与现代计算机信息技术也就是包括温度自动检测控制技术等相互作用下发展形成的技术产物。1增加多通道功能为了给我们自己自主研制并开发设计生产出多种单路温度传感测量数据控制处理系统的各种应用芯片提供一个良好条件,许多多路智能温度传感器正由一路单通道发展到多路双通道这种方式快速发展,与此同时,新型的多路智能温度传感器的温度检测和数据处理系统功能正在不断完善,还有些在应用芯片中额外添加了数据存储。2.总线技术的标准化和规范化总线设计技术已经基本实现了行业标准化和生产流程的设计规范化,例如:-有线总线、i'c模拟总线、smbus;d总线及&aspi总线等多种通用集成总线设计方式。3.安全性和可靠性AD590传感器3.3A\D转换3.3.1ADC0809adc0809是一种单片型八位a/d信号转换器,内部结构大致描述如下列框图所示,它主要结构是由8路模的8位仿真控制开关、地址模的锁存与逻辑编程函数译码器、比较器、8位的仿真开关和双树型模的a/d信号转换器、逐次顺序逼近函数寄存器、逻辑编程控制和定时处理电路等几个部分部件组成。由cmos的8位分时模/拟整数信号转换器——ADC0809,采用逐次逐渐逼近的转换原理对分时a/d两路信号分别进行分时转换,芯片内分别设置了分时模拟多路信号转换电压控制信号开关和分时a/d信号转换两个组成部分,可以使得电压输入端和模拟多路电压转换信号这两者在0~5v电压下这8路使两者都可以分时间进行多路转换。具体控制状态如下:当一个cs和inwr引脚同时输出是一个新的高电平时,adc0809就仪器会自动开始对它进行电平转换,当这个电平转换器的工作全部完成后,在一个int两引脚的输入信号中就会输出一个新的高电平,等待仪器读取数据;例如,当cs和rd同时是高电平的话,通过一个数据总线d[70]从adc0809中读出这些数据。当芯片CS=1、WR=1、RD=0时,由控制器可以发出的信号控制要求ADC0809开始发展进行模/数信号的转换。当芯片cs=0、wr=0、rd=0时,adc0809就已经会开始进行一个电位转换的开始动作,在这个转换动作结束后利用int将一个低的高电位常数提高并得到一个新的高电位。当芯片cs=1、wr=0、rd=1时,由一个控制器向上的adc0809发出一个控制信号并用来实时读取adc0809的材料转化过程数据。当芯片cs=0、wr=0、rd=0时,由一个数字控制器从一个计算机前端读取一条连在数据总线上的一个模拟数字信号变换器的资料。3.3.2A/D转换器与FPGA的连接ADC0809与FPGA的连接inoin7管路三角中只有任选一路作为数据接口输入输出作为前向控制温度信号采集器和数据输入,Vcc与c和vref+en同时落地接+5v的输出电压,Vref与VRGED同时接地,out1-out8数据接入输出的两端共同分别连接一个fpga,start,0e,eoc,adda-c均共同分别连接一个FPGA,根据adc0809的性能要求分别进行控制工作输出时序控制示意图,由此和FPGA分别给出了一个相应的控制信号电路来进行控制adc0809。3.4DAC0832D/A转换温度,是一种由于具有运动性大、滞后性大、非线性和瞬间变化强等等的特点,所以传统的温度控制技术想要达到许多人无法做到的控制要求而迫使它们无法实现。在进行温度的控制中,当环境的温度在不断地发生变动的情况下,环境也就会在过程中不停地发生变动,这些就是造成温度改变发生更大改变的主要原因;由于温度的升高与环境产生的加热系统,所吸取的热量受到影响程度的差异,直接导致温度产生非线性的变化。但是随着科学技术的进一步科学革命与技术创新,以及工业发展的激烈需求,各个行业在对于温度控制的适应性、精确度、稳定性等诸多方面都已经提出了更高层次的技术要求,同时促使我国的工业温度控制技术也进入一个更为智能化的阶段。如果将传统的mcu和dac0832相互结合,利用传统的mcu控制器就可以实现dac0832传感器的温度信号采集.和传统的控制处理工作再与pid进行智能化的控制,不但可以很大的提升温度控制的运行速度、精度、而且还有助于大幅度地改善系统运行稳定。3.5继电器继电器开关是一种主要属于用来对其进行自动控制的电子式自动开关电路元件,它们都需要具有一个控制驱动系统和一个受到电机控制的驱动系统,通常认为适合广泛应用于各种自动控制的开关电路中,即用较小开关电流电压去自动控制较大开关电流的一种"自动开关"。在控制电路当中的它扮演着自动温度调整、安全自动防护、变换控制电路的重要角色。该振动继电器在产品设计中主要选择采用的是电磁式振动继电器,该样一种继磁断电器一般主要包括振动铁芯、线圈、衔接带铁、触点和弹簧片三个大部分共同组成,给振动线圈内部施加了一个合适的振动电压,则线圈会自动出现由于有大量电流直接通过振动线圈所以因而产生的巨大电磁振动效应,衔接带铁铁芯可以在电磁力的巨大影响下有效克服触点弹簧的弹性牵引力,从而大大促进了线圈衔接带铁的弹性动触碰接点与静摩擦触点相互间的复合。当驱动线圈两端停止连续供电后,拉力发生损失,则线圈动触点与静接触点相互振动分离。3.6LED显示运用FPGA实现LED数码管动态显示控制N个引脚led,当数码管的工作方式是在静态状态下进行视频显示,这时需要分别使用8xn条引脚和导线。因此对于一次多个点的led系列数码管的动态显示,可以考虑通过同时采用自动扫描显示手段的多种方式来来实现一个led系列数码管的多次动态显示。实现的操作方法简单就是一一列列地点点照亮各个在eled中的数码管,循环地对它进行系统的自动显示,即一个新的数码管被系统显示之后另一个新的数码管马上被系统显示,利用了用户眼睛的一个视觉暂留器的特征,可以同时看到多个新的数码管同时被系统显示。根据我们传统的导线视觉瞬间停留显示原理,每隔1-2秒钟，led上的数码管就会使得导线至少接通16次,这时眼睛会因为放在led上的数码管灯光以一定频率快速闪动从而认为其灯光处于稳定明亮状态。正因如此眼睛看led上的数码管显示状态短暂同时屏幕没有任何闪烁显示,就逐渐非常无法准确地进行分辨。此时系统的延时(导通频宰)也不是越来就太小了,因为led数字信号管的亮度在达到一定的亮度上需要花费相当长的时间。若延时控制不稳定就可能使得车辆发生闪光,或者是灯光的亮度不够。据我们的实践经验,延时0.0050秒就能够达到令人满意的效果。四传感器的软件设计系统工作流程图ad590温度传感器的检测能力也就是温度每提高1k就可能会使传感器增加1a的一个电流数值,该一个传感器中的一次电流在其中一次电流流入10kq的一个电阻后将导致其中一次产生10mv的一个电压。而0°c(等于273k)时,输出一个交流电流273ua,经过i/v的转换后,将在此时输出一个2.73v的交流电压。如果我们所检测得的是工作电压值xv时,则我们认为可由(x-273)+0.01得到需要进行测量的而工作温度。adc0809的选择是8位的数模变换器。测量的精度范围为0.02v,当adc0809的温度变化值大于x时,所需要测得的温度范围t=(x*0.02-2.73):0.01=x*2-273.控制功能由FPAG实现。在FPGA中对测得的实际工作温度T值和标准值temp进行分析比较,若实际环境温度比设定的温度值要低,那么我们输出控制加热时间信号到后向加热器件,否则不进行研究加热。当检测到实际温度在tempconstant-3<t<tempconstant+3的标准值范围内时，时钟开始计时。如果温度在设定时间内保持在该范围内，FPGA向蜂鸣器输出信号，实现报警功能。五实验中的问题及解决方法对于FPGA的芯片并不是非常清楚是这次设计的主要问题,所以我就需要通过查阅许多相关资料来深入地理解这些FPGA芯片的一系列管脚,也就是它们的功能。其次是对单片机了解不足,明明很简单的转换,在不了解的情况下对我造成了很大的困扰。1、在理论上学习方面,查阅相关资料、通过各种网络和传播媒介等途径来弥补其不足;在学习中,我们通过虚心地向同学们请教,自己也努力去学习和实践,得到了一些困难的解决;专业性的解决问题,积极与学校指导老师取得联系,促进了问题的有效发现;在学习上,在态度上做了一些点滴的保持,在思想上做了一些端正,虚心向他人请教,得到了提高。2、多听，多问，多学，学会认真倾听是自我提高的好方法。俗话说“看四方，听四方”

，在日常工作中也非常有效，知识会让人有无限的力量，只有知道得更多，学习得更多，才能更好地利用他们所学到的知识来完成工作。六结语经过大学四年的学习研究，我终于完成了毕业论文的设计。这几个月的忙碌辛苦，离不开指导教师对我的督促指导，细心教诲，以及同学朋友给了我许多灵感，在此我真诚的感谢大家给与我的帮助。感谢我的指导教师李建老师，我在论文编写中遇到专业知识的问题，遇到论文排版的问题，遇到实验研究上的问题，多亏老师渊博的知识及督促指导，正因如此我的论文虽然遇到困难，但最终得到完美的解决，这都离不开老师的耐心解答。还有我的同学朋友给予了我源源不断的灵感，给了我很多宝贵真挚的意见，让我的论文更好的完成。还有全体的智能工程学院教职工四年来认真授课让我们学习了专业知识还有做人做事的道理，让我们成了更完美的自己，非常感谢大家！毕业论文就是对我四年来的一种考验，考验我们这四年学习到了什么专业知识，这些专业知识能否很好的运用到生活中，工作中。考验我们为人是否正直严谨，对学术是否有严格的要求。考验我们是否自律，做事是否有章法，在撰写论文时的步骤是否规范可行，还有很多很多，都体现在论文中。不仅是考验，也是对我们一些能力的提升，并且对未来提供莫大的帮助。七参考文献[1]王晓辉，基于FPGA的温度控制电路测量系统设计，西安工业大学，2013[2]

黄志伟，FPGA