《智能温度控制系统-FPGA技术的集成应用9800字》

[10]。2.5小结本部分阐述了器件的原理，主要是对温度传感器和数码管进行了简要的描述，并对该温度控制系统的可行性进行了分析，最后将本设计所用到的FPGA和所需的QuartusII、AltiumDesigner等软件进行了分析介绍，为后续的研究奠定基础（侯博文，余思远，2019）。3智能温度控制系统的设计分析3.1智能温度控系统的总体结构设计如图3.1所示为智能温度控制系统的总体结构图。本文的整个系统是利用FPGA来实现控制的，所以采用的是自顶向下的设计方法，根据现有结果可推断基本单元包括温度传感器、数码管显示、按键和风扇等（姜立军，陆晓峰，2021）。温度传感器温度传感器按键FPGA按键FPGA风扇风扇数码管数码管图3.1智能温度控制系统的总体结构图由于此设计是为了实现对温度的有效控制，所以要给系统设置一个阈值温度，用来实现对温度的比较（翁志强，柏晓红，2023）。首先把DS18B20采集到的环境温度和阈值温度进行比较，当环境温度超过阈值温度的时候，FPGA控制风扇开始工作，进行降温（袁晓天，孟志远，2018）。于此相似条件下可以推知其趋势为了防止由于温度的突然升高或降低使得风扇频繁开启，造成电源和电路损坏，将风扇的阈值设置为迟滞比较，这样可以有效保护电路。其次数码管采用的是LED，高两位显示阈值温度，低两位显示当前温度。和其他类型的数码管相比，LED数码管具有功耗小、无热量、耐冲击、寿命长等优点（姚建新，黄思远，2024）。3.2智能温度控制系统的性能需求分析本系统的设计主要和温度有关，所以对温度的处理是非常重要的。在设计中对温度的处理包括两方面，一是利用DS18B20实现对环境温度的采集；二是利用LED实现对温度的显示。FPGA用来实现对传感器，数码管，风扇，按键等的控制，整个系统比较复杂，所以对系统的性能有一定的要求（高鹏，蔡晓刚，2020）：（1）可操作性要确保上电之后系统可以运行，能够正常的进行温度采集和数码管显示，风扇可以正常开启。（2）稳定性要确保在正常的温度条件下，系统可以实现对各模块的控制。（3）可编程性为了后期可以进行二次开发，程序编写，要在硬件端留下串口程序下载的接口。3.3小结本部分对智能温度控制系统的设计分析进行了介绍，具体包括总体结构图和性能需求分析的介绍，并阐述了智能温度控制系统的工作方法（卢振华，丁晓宇，2022）。4智能温度控制系统模块设计和硬件实现4.1总体硬件电路介绍如图4.1所示为智能温度控制系统的硬件电路图。可以利用制图软件AltiumDesigner绘出，整个系统的硬件电路主要由EP1C12FPGA小系统电路和数码管、温度传感器电路构成（马思远，樊立新，2019）。本文在行为思路上也有所创新，作者创新性地融入了前人关于此主题已有的研究成果，在研究深度上有所加强，首先通过综合分析现有文献中的关键理论和实证发现，本文构建了一个更为系统且全面的框架，旨在为该领域的研究提供新的视角和方法论指导。其次，为了确保研究的有效性和可靠性不仅验证了前期理论假设，还进一步探索了未被充分关注的研究空白。除此之外，还设计了外围电路，具体的电路有电源电路、晶振电路、时钟电路、下载电路、复位电路等。整个系统采用5V电压供电，以上是对系统硬件电路的介绍。图4.1智能温度控制系统的硬件电路4.2温度采集模块设计如图4.2所示为DS18B20的测温原理图。温度变化对低温度系数晶振造成的影响很小，所以当温度变化时，低温度系数晶振的振荡频率不会发生很大变化，它会产生一个频率固定不变的计数脉冲信号，在此特定情境之中不难看出然后将该信号发送到计数器1，计数器1会对这个计数脉冲信号计数（倪晓峰，许志强，2021）。相反的是，温度变化对高温度系数晶振造成的影响很大，其振荡频率会在温度变化时产生较大变化，它会产生一个频率变化的计数脉冲信号。计数器1和温度寄存器的值会被预设为基准值-55℃，每当计数器1的值从基准值减为0时，遵循这种理论框架进行调研可获知温度寄存器中的值就会增加1℃。重复进行此过程，直到计数器2的值为0时，温度寄存器中的值才会停止累加。此时，温度寄存器的值就是测量到的环境温度（彭博宇，叶晓红，2023）。结合之前的成果可以推导出一般情况下，在测温过程中出现的非线性变化会利用斜率累加器进行补偿与校正。斜率累加器斜率累加器比较预置比较预置低温度系数晶振 LSB低温度系数晶振预置计数器1 置位预置计数器1 清除=0温度寄存器=0温度寄存器计数器2高温度系数晶振计数器2高温度系数晶振=0 停止=0图4.2DS18B20测温原理图如图4.3所示为温度传感器模块电路图。本系统中，温度传感器采用寄生电源方式进行供电，从图中可以看出DS18B20的接线非常简单，VDD端接电源，GND端接地，中间的为数据输入输出引脚，也就是作为温度采集信号的输出脚，把高低不同的电平加在中间引脚上，这充分说明了就可以实现对芯片发送指令（冉志国，殷志远，2018）。但需要注意的是，DS18B20的通信方式是单线通信，导致它的数据接收和数据发送是同一个引脚，在接收的时候是高电阻输入，在发送的时候是开漏输出，所以在输出0时通过三极管下拉为低电平，在输出1时，则为高阻，需要外接上拉电阻将其拉为高电平（傅智渊，狄晓鹏，2022）。这一结果与已有的文献结论大致相同，这也验证了前期研究中所提出的构思，从而进一步拓展了该领域的理论边界。本研究通过引入新的变量和分析方法，为现有理论体系注入了新的活力，使其能够更全面地解释相关现象。同时，这一发现也为后续研究提供了新的理论支点，有助于推动该领域理论的进一步深化和精细化。因此，吸纳已有成果可以推导出新的结论在输入输出口要接一个4.7k的上拉电阻，用来提高电平的稳定性。图4.3温度传感器模块电路图4.3数码管显示模块设计如图4.4所示为数码管模块电路图。在本系统中，数码管用来显示环境温度和阈值温度，高位显示阈值温度，由此可以窥探低位显示环境温度（耿立新，闵晓妍，2019）。本文选用的是共阳极的LED数码管，在这个系统中，PNP的作用是控制位选信号，由三极管的原理可知，当基极电压为低电平时，三极管会导通，从而输出高电平。图4.4数码管模块电路图4.4电源模块设计4.4.1电源电路电源电路在电路设计中至关重要，其主要作用就是给整个系统供电，电源电路有开关电源电路、稳压电源电路、稳流电源电路、逆变电源电路等，依这些表现可以推测得出由于涉及到电压的转换，所以采用稳压电源电路（靳志宏，卞晓宇，2020）。如图4.5所示为电源模块电路图。该电路主要由电源接口USB1、开关SW3、电压转换模块AMS117，以及晶振组成。根据现有结果可推断在USB口采用5V电压供电，连接一个开关SW3；在后续的研究中会对已有的研究成果进一步从不同的角度进行优化，会考虑引入国际视角和比较研究的方法，以丰富研究内容并提升其普遍适用性。通过借鉴国外先进经验，结合本土实际情况，努力提出具有前瞻性和实用性的解决方案，推动全球范围内的知识共享和技术进步。再经过稳压芯片，将电压转成3.3V；再连接到50MHz晶振，用来产生振荡，给系统提供时钟信号，最后输出到全局时钟（匡晓龙，湛志远，2023）。图4.5电源模块电路图4.4.2稳压电路如图4.6所示为稳压电路图。由于本设计使用的芯片是EP1C12Q240C8，参考芯片资料可知，该芯片的工作电压是3.3V，由于采用的是5V电压供电，所以要再设计一个稳压电路（赖博文，覃思远，2018）。鉴于本文的研究环境我们考虑了这种情况的发生稳压就是将电压从一个“高”电压的状态转换成一个“低”电压的状态，常用的稳压方式有两种，一种是利用LDO稳压，即低压差线性稳压器；从上可以可以看出该方案相比于其他方案具有更好的性价比，同时其高度的定制化能力允许根据特定需求进行调整优化。这种个性化的解决方案能够更好地满足不同客户的独特要求，提高客户满意度和忠诚度。另一种是利用PWM稳压，即脉冲调制开关电源。PWM相对于LDO效率更高，而LDO相对于PWM响应更快。于此相似条件下可以推知其趋势在本系统中选用LDO，稳压器选择AMS117，该芯片内部有过热保护和限流电路，能更好的保护电路，在5V电压经过开关SW3后，会分成V1、V2两路，V1在经过AMS117-3.3后输出电压变为3.3V，实现电压变换（令狐翔，禹晓峰，2024）。 图4.6稳压电路图4.5复位电路如图4.7所示为复位电路图。由于温度的随机变化性，在一些情况下电路可能会出错从而导致温度显示错误，在此特定情境之中不难看出所以在电路中要有一个复位电路，用来使电路恢复到起始状态（慕容志，寇晓红，2021）。复位电路就像是使用的计算器上的清零按钮，可以消除现在显示的计算，从而回到原始状态，重新进行计算。复位电路主要由2个开关SW1、SW2和2个上拉电阻R1、R3组成，每个开关都会连接一个10K的上拉电阻，一端连接到大小为+3.3V的电源上，另一端连接到地（南宫博，邬志新，2019）。如果没有上拉电阻，那在按下复位按键以后，电路中的电压会立刻发生变化，这个变化可能导致电路出错或者电源损坏，遵循这种理论框架进行调研可获知而上拉电阻的存在，可以形成一个稳定的充放电周期，使电平可以从高电平逐渐过渡到低电平，从而提高电路稳定性（欧阳骏，茹晓刚，2022）。图4.7复位电路图4.6小结本部分主要阐述了智能温度控制系统的总体硬件电路设计和单元电路设计，分别介绍了智能温度控制系统所需的各模块电路，结合之前的成果可以推导出具体包括温度传感器模块、数码管显示模块、电源模块、复位电路等，并对各单元电路的工作原理进行了介绍（裴晓天，轩辕志，2020）。5系统的仿真与实现5.1智能温度控制系统的仿真完整的设计包括必要的仿真，在所有的电路设计工作完成以后，需要对程序进行仿真，根据仿真结果判断程序编写的是否正确，如果正确就可以下载，如果仿真有误，就要进行一定的修改（漆志远，阎晓宇，2023）。结合之前的成果可以推导出在本设计中用到的编程工具是QuartusII，仿真工具是ModelSim，两个软件相结合才能完成仿真。5.1.1温度采集程序的仿真如图5.1所示为温度传感器控制程序仿真图。从图中可以看出，dq端作为输出端，发送写命令，dq端的值会从data端的最高位依次移位，最后从data端读到的值是110010011，这充分说明了对应的十进制数字是403，而DS18B20内部的配置寄存器可以通过配置不同的位数来确定温度和数字的转化，本系统选用的是12位的，对应的分辨率是0.0625，所以再乘以系数0.0625得到温度为25.1875，这与传感器附近的空气温度相差不大，说明DS18B20的控制程序是正确的（冉晓辉，司徒博，2018）。图5.1温度传感器控制程序仿真图5.1.2数码管程序的仿真如图5.2所示为数码管控制程序仿真图。程序仿真就是功能仿真，也可称为时序仿真，当仿真结果和数码管的工作原理一致时，吸纳已有成果可以推导出新的结论程序就是正确的（司晓楠，尉迟志，2024）。以温度是27℃为例，首先数码管会进行个位扫描，在162000000ps左右，温度变为27，此时会延时一段时间，用来计算十位，在163500000ps左右，位选变为111110选中最右侧数码管（个位），段选为11111000；然后是十位扫描，此时位选变为111101，选中十位位选，段选为10100100；由此可以窥探再依次扫描其他位（滕思远，濮阳晓，2021）。得到的仿真波形与数码管的工作原理是一致的，说明数码管的控制程序是正确的。图5.2数码管控制程序仿真图5.2PCB板的制作利用AltiumDesigner软件可以把绘制好的原理图生成PCB文件，如图5.3所示。5.3智能温度控制系统PCB图5.3小结本部分主要对智能温度控制系统的仿真和PCB板的制作进行了阐释，主要包括温度采集程序和温度显示程序的仿真，确保可以实现对温度的控制功能。6结束语本文研究的是基于FPGA的智能温度控制系统，主要是要实现对环境温度的采集、显示以及控制功能。温度传感器采集到的温度会在数码管上显示，为了防止温度的突然变化，在系统中将风扇设置为迟滞比较，当延迟时间过后，温度仍然高于阈值温度时，FPGA就控制风扇开始工作进行降温，当温度低于阈值温度以后，风扇就停止工作,从而实现了对温度的有效控制。本设计也存在一些不足之处，例如在用温度传感器采集温度时，精度上会存在一定的误差，但误差范围较小，总体上是可以实现对温度的控制的。参考文献李明，张思远.智能温度传感器的发展趋势[J].电子技术应用，2022，05.王志刚，赵文涛.数字式温度传感器DS18B20在温室环境检测中的应用[J].仪表技术与传感器，2023(9)：29-31.陈立新，刘建伟，王锐.PID模糊控制在烟气加热炉炉温控制系统中的应用[J].冶金设备，2021，04.韩晓峰，孙志远.基于单片机的智能温度控制系统设计与实现[D].徐州：中国石油大学(华东)，2021.张卫东，李俊杰.基于FPGA的智能温度控制系统的设计[D].武汉：武汉理工大学，2022.周慧敏，吴天瑜.DS18B20数字式温度传感器的特性与应用[J].电子技术，20