基于VHDL的空调温度控制系统的设计

陕西理工学院毕业设计题 目 基于VHDL的空调温度控制系统的设计 学生姓名 王俊 学号 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电子1202班 完成地点 博远楼C1019 2016年6月12日陕西理工学院毕业设计基于VHDL的空调温度控制系统的设计 作者：王俊 （陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程专业1202班, 陕西 汉中） 指导老师：王婷 摘要 本论文主要完成了基于VHDL的空调温度控制系统的设计。本设计采用了温度传感器DS18B20，Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3控制器。控制器部分采用VHDL语言编写，硬件主要有六大模块：温度设置模块、定时模块、LED显示模块、分频模块、FPGA控制器模块、DS18B20温度传感器设置模块。最后实现使用FPGA比较设置温度与测量所得温度，并发出指令给空调电机执行部分，按设置的时长实现升温或降温，当设置温度与测量温度相等时，不执行调节温度功能。另外根据输入数据的变化和温度传感器测量得到的温度同步变化LCD上显示。利用 Quartus II 软件进行仿真。关键词 FPGA；温度测控；VHDL；DS18B20The Design Of Air Conditioning Temperature Control System Based On VHDLThe author:Wangjun （Grade12,Class 02,Major of Electronic information engineering,School of physics and telecommunication engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong ,Shaanxi）Tutor: WangTing abstract:This thesis mainly completed the design of air conditioning temperature control system based on VHDL. This design uses the temperature sensor DS18B20, Altera company ACEX 1K series of EP1K30TC144-3 controller. The controller part adopts VHDL language, Hardware mainly have six modules: temperature setting module, regular module, LED display module, points frequency module, FPGA controller module. finally realize the FPGA set temperature and compared using the temperature measurement, and sent out the instructions to air conditioner motor executive part, according to the set time heating or cooling realized, when set temperature and measuring temperature equal, not to enforce temperature adjustment function. In addition to the change of the data according to the input and temperature sensor measuring the temperature change get synchronous displayed on the LCD. Use Quartus II was simulated.Key words:FPGA;temperature measurement and control; VHDL;DS18B20 目录1绪论11.1 课题的背景及国内外研究概况11.2 课题的内容及方法22 可编程逻辑器件32.1 可编程逻辑器件介绍32.1.1 PLD的发展历程32.1.2 可编程逻辑器件的结构32.1.3 可编程逻辑器件的分类32.1.4 可编程逻辑器件的应用前景和趋势42.2 EDA技术52.3 VHDL语言52.3.1 VHDL的特点52.3.2 VHDL的设计步骤53系统及电路方案选择63.1 空调技术概述63.2 方案论证与确定63.2.1 方案的选择63.2.2 方案论证与确定74 硬件电路设计84.1 硬件整体结构及原理84.2 高精度数字传感器DS18B2084.2.1 温度传感器的介绍84.2.2 温度传感器的选择84.3 LED显示电路114.4 系统总电路图125 系统软件设计及仿真145.1 温度设置模块设计及仿真145.2 定时模块设计及仿真155.3 控制模块设计及仿真185.3.1 控制模块下的温度模块设计及仿真195.3.2 控制模块下的FPGA控制器模块设计及仿真205.3.3 控制模块整体设计及仿真215.4 显示模块设计及仿真225.5 分频模块设计及仿真245.6 基于VHDL的空调控制系统综合仿真25总 结27致 谢28参考文献29附录A 外文翻译30附录B 源程序351绪论1.1 课题的背景及国内外研究概况随着信息化和数字化的不断发展，数字集成电路扮演着愈来愈重要的角色，在当今社会具有重要的应用价值。它由初期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)和很多具备特定性能的专用集电路。然而，随着科学技术的不断前进，制造设计集成电路的任务己不在由半导体厂商亲自担当。电子设计师们愈加喜爱自己设计的专用集成电路(ASIC)芯片，而且有望ASIC的设计周期尽量短，尽可能在实验室里能够设计出符合的ASIC芯片，然后投入生活应用当中，于是涌现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，一个使用最广泛的现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。大规模可编程逻辑器件CPLD与FPGA为现今使用最普遍的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师借助它能够在实验室里设计出实用的专用集成电路，于是大大降低了产品的上市时期，使开发本钱减少。另外，可编程逻辑器件还拥有静态可重复编程与动态在系统重构的特点，硬件的性能与软件相似，能够通过编程来修正，因此很好的增强了电子系统设计的灵便性与实用性。因为拥有以上两方面的特征，CPLD与FPGA得到了国内国际电子设计工程师们的喜爱，具有普遍的市场应用价值。近年来，超大规模集成电路技术不断改进且日趋完善，选用FPGA或CPLD进行数字电路的设计愈来愈受到当代人们的欢迎。FPGA芯片的可编程性与VHDL语言的使用让数字电路的设计周期与复杂度均大大减少。空调温度控制系统在市场生活中具有重要意义，本文设计的空调温度控制系统包括温度设置模块、DS18B20温度传感器控制模块、定时模块、LED显示模块、分频模块等主要模块，系统采用传感器检测温度，然后经过模数转换器把对应的数字值送入FPGA；通过键盘输入目标温度值；这2个数字通过数码管显示出来，通过对比两值进行判断升温或者降温，以达到目标：温度控制和检测。空调控制系统科研是一种在现实生活中经常使用的控制系统，针对各个阶层的温度控制对象，呈现了各种特定的温度控制方式。整体看来，温度控制方法按照划分准则差异分为不同温度控制的方式。按操作方式分为手动控制和自动控制；按调节原理分，主要有位式、PLD、模糊控制、PLD加模糊控制等。随着电子技术和计算机的迅速发展,VHDL硬件描述语言得到了迅速发展和广泛应用。进入21世纪后，空调温度控制器向数字化、实用化、普遍化、智能化等高水平的方向不断迈进。基于VHDL的空调温度控制系统设计，使智能化水平不断提高，功能得到进一步优化，空调是一种适用特定空间范围对空气进行加工处理，作用是对该房间或一定范围内空气的温度、湿度、洁净度与空气流速等相关参数通过调整，来满足人们对舒适环境或工艺的需求，改变人们的生活方式,进而也满足了工艺加工过程对精度的要求。国际在20世纪70年代就发现了温度控制技术。开始选用模拟方式的组合仪表，对现场信息进行收集然后进行指示、记录与控制。80年代末出现了分布式控制系统。如今，正开发和研制具有多功能综合控制系统的计算机数据采集系统。当前各个国家的温度测控技术发展都比较快，部分国家在达到自动化的基础上向完全自动化、无人化趋势方向迈进。我国在20世纪80年才出现了对温度测控技术的研究，我国工程技术人员在借鉴发达国家温度测控经验的基础上，逐步掌握了温度室内微机控制技术，该技术只适用对单一温度环境因子的控制。我国在温度测控技术应用领域方面，正从简单适用阶段向实用性、可靠性、综合性应用阶段过渡。20世纪末，在计算机技术的影响下，电子技术取得了快速发展，当代电子产品大部分在社会各个领域占有一定地位，极大地推进了社会生产力的发展以及信息化水平的提高，EDA技术是当代电子设计技术的焦点，它依附于功能强大的计算机，通过在EDA软件平台上，对硬件描述语言VHDL系统逻辑描述并进行文件设计，进而实现逻辑化简、分割、以及布局综合，然后应用逻辑优化和仿真调试等功能，直到特定的电子线路系统功能得以实现。在20世纪90年代初，人们意识到VHDL不但能够适用系统模拟的建模工具，还能够适用电路体系的设计工具，该软件工具能够将VHDL源码自动地转化为文本方式表达所需的基本逻辑元件连接图，也就是网表文件。这种方法对于电路自动设计是一个明显的改善。随着电子技术发展，第一个软件设计工具在电子领域得以出现，即VHDL逻辑综合器，它能够将标准VHDL的部分语句描述变为特定电路完成的网表文件4。1.2 课题的内容及方法本文重点介绍了可编程逻辑器件在数字系统设计中的意义，本文主要研究的是以可编程逻辑器件为应用特性主线，对可编程逻辑器件进行应用分析和研究，研究其应用价值和市场价值;探究可编程逻辑器件结构和数字系统设计在特征上与传统电子器件的差别；重点分析PLD大公司的产品、设计用具与程序编程，比较各公司产品的特色与欠缺。本次设计基于VHDL的空调温度控制系统设计，充分呈现了可编程逻辑器件在数字系统设计中的应用前景，对技术的发展有一定的推动作用，进而对可编程逻辑器件的价值研究也有重要意义1。本次设计电路利用EDA技术得以实现，通过在Quartus II软件开发环境下实现温度控制系统的整体方案，用VHDL语言来编写各分模块设计，并对仿真结果进行分析比较。利用VHDL语言进行编写，系统采用温度传感器检测温度，然后经过模数转换器将对应的数字值送入FPGA；通过键盘输入目标温度值；这两个数字值都显示出来，两值通过比较确定升温或者降温，达到了温度检测和控制的目标。2 可编程逻辑器件可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）在20世纪70年代逐渐发展起来，它是一种新的集成器件。PLD在大规模集成电路技术发展的趋势下所产生，是一类半定制的适用性器件，和专用集成电路ASIC比较，PLD具备灵敏度高、周期设计较短、老本低、危害小等优势，所以得到了广泛应用。由于PLD的应用是离不开EDA技术与VHDL语言的支持，因此PLD应用是和EDA技术与VHDL语言有着密不可分的联系。下面分别对这三个部分进行介绍。2.1 可编程逻辑器件介绍2.1.1 PLD的发展历程可编程逻辑器件的发展历史大致经历了从PROM、PLA、PAL、可重复编的GAL，到采用大规模集成电路技术的EPLD，直到CPLD与FPGA的发展过程。它在布局、制造工艺、集成度、逻辑功能、速率和功能上都有了很大的提高与创新。通常，可编程逻辑器件的发展历史如下：20世纪80年代末，出现了FPGA；CAE与CAD技术在生活中也广泛应用，它们在PCB设计层面的原理图绘制，自动布局布线和PCB研究分析，以及逻辑设计等方面承担着密不可分的角色。20世纪90年代后，在工艺领域应用方面，可编程逻辑器件的线宽愈来愈小，集成门数愈来愈大，功耗愈来愈低；在测试技术方面，可采用可编程逻辑器件的边界扫描测试技术；在逻辑功能上，上实现DSP（数字信号处理）应用成为可能。支持标准硬件描述语言的设计和仿真EDA软件也在不断地更新，推动了科学技术的发展2。2.1.2 可编程逻辑器件的结构PLD基本结构：PLD的基本结构由输入缓冲电路、与阵列、或阵列、输出缓冲电路等4部分组成。 新型的PLD则将输出电路设计为单元，让用户能够依据需求选择各类灵便的输出方式。当前，应用最普遍流行的可编程逻辑器件是CPLD与FPGA。CPLD：初期的CPLD大部分用来取代PAL器件，因此其布局和PAL、GAL大体一致，运用了可编程的与阵列和固定的或阵列结构。当前，普遍的半导体公司，如Xilinx和AMD公司等。大部分的EPLD、CPLD器件中最少包含3种结构：可编程逻辑宏单元、可编程I/O单元与可编程内部连线。FPGA：在FPGA中，常用的编程工艺有反熔丝和SRAM两类。反熔丝占地面积小，有利于提高芯片集成，但需要专门的程序员，只有一次编程。Altera 公司的与非门结构是在一个由与门、或和异或门组成的逻辑模块的基础上改造的。这个基本电路能够用一个触发器与一个多路开关来设计组成。2.1.3 可编程逻辑器件的分类随着微电子技术的成熟和不断向前迈进，可编程逻辑器件种类愈来愈多，型号愈来愈复杂。如今，PLD还没有明确的区分准则，接下来从集成度、可编程原理和结构特征三方面对PLD进行单一的分类。按集成度分类：PLD按照集成密度可划分为低密度可编程逻辑器件（LDPLD）与高密度可编程逻辑器件（HDPLD）两类。日常生活中，当PLD中的等效门数高出500门时，就认为它是高密度。其具体的PLD结构图划分如图2.1所示：PLDLDPLDHDPLD PLAPLA PLA GALEPLD EPLD PLACPLD FPGA FPGAFPGAFPGAFPGAPROM 图2.1 PLD结构图 按可编程原理分类：根据可编程特性能够将PLD划分为一次性编程与重复可编程两类。一次性可编程的主要产物是PROM、PAL与熔丝型FPGA，另外的可编程产物大部分是重复可编程的。一次性可编程器件的特征是集成度高、工作频率实用、可靠性高、抗干扰能力强。但是重复可编程器件的特征是可多次修正设计，尤其对系统样机的研制比较适用。按结构特点分类：当前，经常使用的可编程逻辑器件均是从与阵列、或阵列和门阵列发展起来的，因此从布局上可以划分为两大类。一是阵列型PLD 阵列型PLD的基本结构由与阵列和或阵列组成。简单PLD（PROM、PLA、PAL和GAL、EPLD、和CPLD）均属于阵列型PLD。二是现场可编程门阵列FPGAFPGA拥有门阵列的结构特点，它是通过很多可编程逻辑单元（或逻辑功能块）排成阵列组成的，因此也将FPGA称为单元型PLD。2.1.4 可编程逻辑器件的应用前景和趋势一是PLD在ASIC设计中的应用专用集成电路ASIC的设计任务是把一个有特定目的，并且有一定规模的电路或子系统集成化并设计在一芯片上，通常ASIC的设计不是运用全定制电路设计方法，就是运用半定制电路设计方法进行设计检测，如果不满足需求，就需要重新设计并进行验证。当前，HDPLD拥有两种作用：一是适用最终产物；二是适用ASIC化的前道流程的开发并进行试制品检验。二是基于EDA的CPLD/FPGA应用高集成程度的数字电子产品是数字化的重要途径，我国的电子设计技术目前再一次面临新的改进即CPLD/FPGA在EDA基础上的普遍应用。CPLD/FPGA在电子技术领域是无法代替的地位，并且具备一定的经济实用价值，在IP芯核产业中慢慢发展崛起，正愈来愈受到很多人士的普遍欢迎和喜爱。三是CPLD/FPGA的设计开发运用功能强大的EDA软件，设计成功的逻辑功能软件有较好的兼容性与可移植性，开发周期短。可编程逻辑器件PLD/CPLD目前约占全球市场规模中6成,IP内核得到进一步应用与发展。主要体现在以下几方面：PLD正在从5V电压向低电压3.3V和2.5V器件靠近，使得功耗不断下降。ASCI与PLD之间互相融合。ASCI与FPGA之间的边界愈来愈不清晰。一体化不断提高,价格继续降低，直至系统级开发。2.2 EDA技术EDA是当今电子设计技术的焦点，它依附于功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，通过硬件描述语言HDL（Hardware Description Language）为系统逻辑实现相应的设计文件与编程，自动地实现逻辑简化、逻辑分割、逻辑归纳、布局综合（布局布线），以及逻辑优化与仿真测试等多项功能，直到对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射与编程下载等工作。在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念。 21世纪，EDA技术得到了快速的发展，主要集中表现在以下几个方面：（1） 有可能在自主知识产权（IP）的形式中表达和确认电子设计成果，促使电子技术的飞速发展。（2） 支持标准硬件描述语言的设计和仿真EDA软件也在不断地更新，推动了科学技术的发展。（3） EDA电子技术领域各学科的边界愈来愈不清晰，愈来愈包容，如模拟和数字，软件和硬件、系统和器件、ASIC和FPGA等。（4） 软、硬件的核心技术目前已经广泛应用于电子行业、技术和设计应用领域。（5） 电子技术已经进入到EDA时代，传统的电路设计已经发生了很大的改变，软件无线电的崛起推动了社会的不断进步3。2.3 VHDL语言VHDL诞生于 1982 年，VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)是超高速集成电路硬件描述语言，是可以描述硬件电路的功能、信号连接关系和定时关系的语言它比电路原理图更有效地表示硬件电路的特征。使用VHDL语言，可以从系统的总体要求出发，自上至下地将设计内容标准细化，最终实现系统硬件的整体设计。VHDL语言已作为一种IEEE的工业标准，设计结果便于复用与交流。当今，它还不能应用于模拟电路的设计，但已经有人投入研究。VHDL程序结构包括：实体(Entity)、结构体(Architecture)、配置(Configuration)、包集合(Package)及库(Library)。其中，实体是一个VHDL程序的基本单元，由实体说明和结构体两部分组成：实体说明用于描述设计系统的外部接口信号；结构体用于描述系统的行为、系统数据的流程或系统组织结构形式。配置用语从库中选取所需的单元来组成系统设计的不同规格的不同版本，使被设计系统的功能发生相应改变10。2.3.1 VHDL的特点通过对VHDL进行系统设计的研究和实验验证，也通过在软件开发环境下测试，我们发现它有下列方面的特点：(1)功能强大,拥有较强的语言结构，设计方式多种多样，具有多层次的设计描述功能和优势； (2)具有强大的硬件描述能力，设计灵便；(3)具有很强的移植能力，符合市场应用价值； (4)设计描述与器件无关，对设计的描述相对独立； (5)程序易于共享和复用，应用前景广泛； (6)具有易读和结构化、支持广泛、易于修改的优势。因为硬件描述语言VHDL是一种描述语言，模拟、集成、优化和布线的标准硬件描述语言，所以降低了硬件电路设计的工作量，缩短开发周期。2.3.2 VHDL的设计步骤采用VHDL的系统设计要求，一般有以下6个步骤：(1) 按照所要求的功能模块进行划分；(2) VHDL的设计描述（设计输入）；(3) 代码模拟仿真（前仿真）；(4) 设计综合、优化和布局布线；(5) 布局布线后的仿真模拟（后仿真）；(6) 设计的实现（下载到目标器件）；3系统及电路方案选择 3.1 空调技术概述世界空调的发展可分为四个阶段。第一个是后风扇时期，主要特点是功能只限定在制冷和制热，技术不是太成熟；然后是纯空调时期。这个时期最明显标志是：空调成了真正意义的空气调节器。不仅调整空气温度，而且对空气的舒适度也进行调节；随着社会的进步，人们对空调的能耗标准也提出新要求。空调进入到超空调时代，其明显特征是空调不仅仅是空调。还可以满足节能环保的需求；进入2l世纪网络信息化时代，家电产品空调器也必然随后迈进网络信息时代。为了尽可能节约限度能耗，对新能源进行利用，空调愈来愈向智能化发展。空调是一种能够对某室内区域的空气湿度、温度、洁净度和空气流速等参数进行调节,从而满足人体舒适或工艺过程要求的技术产品。空调湿度控制系统是全部产品的精髓,不但要求控制系统单一高效, 而且让其满足经济、实用等准则。FPGA 具有超强的逻辑控制能力，数字信号处理能力也为上述要求提供了可靠的技术支持。将FPGA引入到空调控制系统,不仅技术上是可行的，同时还具有节约成本、缩短开发周期、降低功耗和提高可靠性能等特点，以此来提升空调的市场优势。大体看来，空调调节技术的研究和开发是非常快的，而且设计出了品种众多的空调产品6。3.2 方案论证与确定3.2.1 方案的选择当前大多数的空调温度控制系统均采用了以控制器为系统进行设计，然而随着可编程逻辑器件的改进，家用电器的控制部分也愈来愈多地采用可编程逻辑器件来完成，所以下面提供了以单片机和可编程逻辑器件（FPGA）为核心控制器件的2个方案进行选择。方案1：该方案以AT89C51单片机为主要控制器件，通过它来控制每个单元电路的工作，并对其运行状况进行检测。起初运用温度传感器对空气进行温度收集，对收集的温度信号进行A/D转换，通过模拟信号转换为数字信号，而后输给单片机，并由单片机控制显示，判断比较收集的温度和设置的温度是否相同，而后驱动空调机加热或降温轮回对空气实行处理，达到模拟实现空调温度控制单元实际情况，本设计中运用的是AD590温度传感器，通过温度系统收集电路收集有关温度值，然后由AD0809组成的A/D转换电路进行模拟转换，最后得到数字信号，将其直接输给单片机，并由单片机根据内部程序判断，执行相关控制程序，驱动各单元电路的工作。 空调控制系统框图方框图3.1如下: AD590A/D转换 AT89S51LED显示可控制电路可控制电路风扇电炉图3.1 基于单片机的空调控制系统框图方案2：该方案采用FPGA作为主要控制器件，运用数字温度传感器DS18B20进行温度收集，将收集到的温度数字通过数字信号传输到FPGA控制器，通过控制器判断分析收集温度与设定温度，然后做出决定，驱动空调机加热或者驱动空调机降温。同时运用FPGA芯片还能够完成定时与控制显示，运用6个数码管将传感器测量得到的温度和设置的温度、定时时长均显示出来。本模块FPGA方框图如图3.2如下： 空调电机 控制器 FPGA 温度采集 LED显示温、时设置图3.2 FPGA空调控制系统框图3.2.2 方案论证与确定通过比较两个方案，方案1采用单片机为核心的控制器件，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。但温度测量电路，译码电路复杂，设备使用寿命低等问题容易产生误差并且对电路研究带来不便。方案2通过以FPGA为主要控制器件，并且以高精度的数字温度传感器DS18B20作为此次温度传感器，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，使电路的连接大大的简化了，降低功耗，缩短开发周期，减小了电路复杂所带来的误差等问题9。具有可编程性的FPGA芯片其强大的逻辑功能特点在单片机上实现，这样不仅给设计过程带来一系列的便利，并且和空调的功能越来越完善，智能化的发展趋势，FPGA作为控制装置的的设计具有更大的市场潜力和价值，更方便、更可靠。因此通过对两个方案的比较论证，本次设计采用方案2来实现，以此用来提高空调的市场价值优势。4 硬件电路设计4.1 硬件整体结构及原理硬件电路主要由电源、石英晶振、FPGA控制器、DS18B20温度传感器、数码管显示构成。本设计使用的FPGA芯片是Altera公司的ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3，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4.1所示： FPGA200Hz石英晶振 电源空调执行机构数码管显示 温度传感器按钮 图4.1 整个硬件框图整体电路的工作原理是通过200Hz石英晶振FPGA提供时钟信号。电源电压为3.3V和2.5V。数字式温度传感器DS18B20将收集的温度通过数字信号的形式送到FPGA芯片，用户能够根据需要来设定温度值和定时时间。测量温度与设定温度均传递到FPGA控制器，控制器根据两温度值大小进行比较判断，当测量温度大于设置温度的时候，控制器发出制冷指令；当测量温度小于设置温度的时候，则发出加热指令；当两者相等的时候既不制冷也不加热。通过空调执行机构达到改变环境温度的目的。并且，定时的时间长度与设定温度的值通过数6个码管显示。4.2 高精度数字传感器DS18B204.2.1 温度传感器的介绍温度传感器是一种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。假如没有传感器对原始参数进行准确可靠的测量，那么无论是信号转换或者信息处理，还是数据的显示和控制都是不可能实现的。下面介绍传感器的特征。衡量传感器静态特性的主要特征的关键指标是： （1）线性范围：也就是传感器的输出量和输入量成正比的范围。理论上线性范围如果越宽，那么量程就越大，而且可以保证一定的精度。当传感器品种确定时，最初看其量程是不是符合要求。 （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。于是，传感器的精度满足大体测控系统便可，没必要选的过高。 （4）灵敏度：传感器一般在线性范围内，那么其灵敏度就比较高并且好。4.2.2 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：选用铂电阻为Pt1000的温度传感器。铂热电阻的理化性能在高温下和氧化性介质中极其稳定，并且元件线性好。在0至100时，最大线性偏差小于0.5。铂热电阻和温度满足下列关系：Rt= Ro(1+At+Btt)；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；Ro是温度为0时的电阻；t为任意温度值，A，B为温度系数。但其成本比较贵，误差比较大，不容易实现，不适合做普通设计。方案二：选用集成温度传感器，比如DS18B20智能温度控制器。单线数字温度传感器DS18B20具有体积小、实用化、智能化等特征。DS18B20测温范围是 -55至+125摄氏度，便于运用数字方式传输，很好的提高了系统抗干扰能力。DS18B20能够设置9至12位的分辨率，并且设置的报警温度在 EEPROM中保留，断电后依旧存在。方案选择：选择方案二。理由：电路简单可靠，通过与FPGA芯片连接，不经过数字电路A/D转换，符合现在市场的需求，有重要的价值意义和应用前景。4.2.3 DS18B20数字温度传感器介绍 DS18B20特点：DS18B20拥有微型化、低功耗、高性能、高精度等特性。能够将温度转化为串行数字信号供微机处理。DS18B20有以下功能特点： （1）选用单总线技术，不但通过串行口线，而且通过I/O口线可以与其它微机接口，不经过其它电路转换，直接对被测温度值进行输出（9位二进制数，含符号位）； （2）测温在-55至+155摄氏度范围内，测量分辨率是0.0625摄氏度； （3）包括64位修改后的只读存储器ROM； （4）适配各种系统； （5）用户能够对各路温度的上、下限分别设置； （6）内含寄生电源； （7）零待机功耗 ； （8）可由数据线供电，电压范围是3.0至5.5； （9）负电压特性，电源极性反接时，不会由于发热而烧毁，却不可以正常工作。 DS18B20的内部结构： DS18B20数据部件主要有4个： （1）64位激光ROM，温度灵敏元件。 （2）非挥发温度报警触发器TH和TL。能够使用软件写入用户，并通过上限和下限报警。 （3）配置寄存器。DS18B20出厂设置为0，用户没有必要进行改动。 DS18B20的内部结构框图如图4.2所示:I/OVDDC64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发生器图4.2 DS18B20内部结构框图图4.2所示是DS18B20的内部结构框图。主要由寄生电源、温度传感器、64位ROM激光单线接口、中间数据的缓存存储、存储于控制逻辑的TH和TL的上为用户设置较低的温度范围存储触发器，8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分组成,当标志位S为0的时候，所测温度值为正值，能够直接将二进制转换为十进制；当标志位S为1的时候，所测温度值为负值，先将补码变成原码，然后计算十进制值。表4.1为一部分温度值对应的二进制温度数据。表4.1 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 07D0H+25.0625 0191H+10.125 00A2H+0.5 0008H0 0000H-0.5 FFF8H-10.125 FF5EH-25.0625 FE6FH-55 FC90H DS18B20的引脚： DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，它可以直接读出被测温度值，这是传统的光敏电阻等测温元件所不具有的，而且能够利用简单的编程实现912位的数字值读数方式满足实际需求。DS18B20外形和引脚排列结构如图4.3所示。 DS18B20引脚定义如下： （1）DQ端是数字信号输入/输出端。 （2）GND端是电源地。 （3）VDD端是外接供电电源输入端。 图4.3 DS18B20外形及引脚排列 DS18B20的测温原理： DS18B20温度传感器测温原理如图4.4所示。图中低温系数晶振的振荡频率受温度的影响极小，用来产生固定频率的脉冲信号送到减法计数器1；高温系数晶振随温度变化其振荡频率变化明显，所产生的信号为减法计数器2次脉冲输入。图中还包括记数门，当记数门打开的时候，DS18B20对低温系数振荡器所产生的时钟脉冲进行记数，进而实现温度测量。记数门的开启时间取决于高温系数振荡器，每次测量前起初将-55对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，减法计数器1与温度寄存器被预置在-55对应的一个基数值。减法计数器1对低温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，温度寄存器的值便加1，减法计数器1的预置值便重新被装入，减法计数器1重新开始对低温系数晶振产生的脉冲信号进行记数，这样循环直至减法计数器2记数为0时，停止温度寄存器值的累加，此刻温度寄存器中的数值便是所测温度值。斜率累加器用于补偿与修正测温过程中的非线性，其输出用于修改减法计数器的预置值，只要记数门没有关闭就循环上述过程，直到温度寄存器值与被测温度值相等7。DS18B20测温原理如图4.4所示: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图4.4 DS18B20测温原理4.3 LED显示电路发光二极管LED是一种可以将电信号转换成光信号的发光器件，它具有价格低廉、配置灵便和与单片机接口方便的特征。通常的七段LED显示器有八个发光二极管，其中七个发光二极管构成七笔字形“8”，另一个发光二极管构成小数点。当灯亮的时候对应的笔段显示出0-9的数字。它是由发光二极管显示字段组构成的显示器件，按照LED的接法差别可划分为共阴和共阳极两类，根据需要可以自己选择，其阴极并接在一起，构成公共端的为共阴式，按照阳极控制字段点亮或者熄灭。其阳极并接在一起，构成公共端的为共阳式。根据阴极控制字段点亮或者熄灭，但是电源极性有区别。以共阳举例说明，如果把阳极接地，在对应段的阴极接上正电源，则该段就会发光5。按照LED的显示方式不同，可将其划为静态显示与动态显示。LED在静态显示方式下工作，公共端不受控制，其共阴极接地或共阳极接+5V；每一位的段选线和一个8位并行I/O口相接。显示器的每一位可以单独显示，只要从段码口输出一个段码，该位就会保持显示相应字符，或运用BCD码二-十进制译码器译码进行驱动：其点亮与关闭通过该I/O端口来控制，并不影响其结果，由于MCU对I/O口驱动功效较弱，必须增加外部驱动芯片或三极管等器件。这种设计一般是使用在一个单一的LED驱动器、LED数量较少，与选定的MCUIO相对充裕的情况下。 LED的动态显示是把所有位的段码线并接在一个I/O口上，数码管动态显示接口是当今社会生产中应用最为普遍的一种显示方式，动态驱动是把每个数码管的八个显示笔划a,b,c,d,e,f,g, h，dp的同名端相互连接在一起，此外对每个数码管的公共极增添位选通控制电路，位选通通过各个单独的I/O线控制，当单片机输出字形码的时候，所有数码管会接收到一致的字形码，然而哪个数码管会显示出字形，主要是通过对单片机位选通端电路的控制。因此，我们只需要把显示数码管的选通控制打开，该位便显示出字形，如果无选通数码管便不出现亮。按照对各个数码管的公共极逐个控制，便会对每个数码管逐个控制显示。这样，对各位显示便是一个循环过程，在显示过程当中，各个数码管的点亮时段大体为12ms，尽管人的视觉停留及发光二极管的显示时间比较短暂，只是实际上各位数码管并不是一块点亮，然而如果扫描的速度十分快，留给人的记忆就是一组稳定的显示数据，不在出现闪烁感，动态显示的效果和静态显示是大体一致，然而可以节省很多I/O端口，并且功耗比较低。通过对两种显示方式的介绍和比较可以看出，选择动态显示方式才能够满足本次设计需要。由于本次系统设计对I/O端口的要求不是很高，因此能够采取静态显示方法来较少设计的复杂度。4.4 系统总电路图各模块说明：TIM：定时时长设置模块；TEMPCONDITIONER：控制模块；FENPIN：分频模块；TIAOJIE：温度设置模块；DS18B20:温度传感器模块；SHOW: 测量温度显示模块；SHOWT：设置显示时长模块；SHOWDE：设置显示温度模块；系统总电路图如图4.5所示: 图4.5 系统总电路图5 系统软件设计及仿真5.1 温度设置模块设计及仿真温度调节模块的功能是根据生活需要对室内温度进行设置。本设计基于空调使用中的一般性，设置的温度调节范围为16摄氏度至30摄氏度，温度调节的最小单位为1摄氏度。温度设置模块电路如图5.1所示： 图5.1 温度设置模块电路符号(1)端口说明 Clk：工作时钟； Rise：加热按钮；高电平的时候有效，低电平的时候无效。 Down：降温按钮；高电平的时候有效，低电平的时候无效。 Res：复位按钮；高电平的时候有效。低电平的时候计数器在时钟下开始加减工作。 Dout：输出设置温度值。 (2）原理分析该模块的设置起始温度为20摄氏度，当复位信号的上升沿来到时温度变为起始20摄氏度。当检测到 Clk的上升沿来到时，同时RISE信号是高电平、也满足当时的设置温度小于30摄氏度时，温度输出信号DOUT=RISE，温度值输出到控制模块与显示模块。同样，当检测到CLK的上升沿来到时，同时DOWN信号是高电平、也满足当时的设置温度大于16摄氏度时，温度输出信号DOUT=DOWN，温度值输出到控制和显示模块。该模块设置为调整温度范围是16至30摄氏度，超出这个范围时，空调自动调整并返回到默认20摄氏度。该温度设置模块VHDL语言描述：library ieee;use ieee.std_logic_11 64.all;entity tiaojie isPORT(CLK :IN BIT; RES :IN STD_LOGIC; RISE :IN INTEGER RANGE 30 DOWNTO 16; DOWN :IN INTEGER RANGE 30 DOWNTO 16; DOUT :BUFFER INTEGER RANGE 30 DOWNTO 16);END;ARCHITECTURE ONE OF TIAOJIE ISBEGIN PROCESS(CLK,RISE,DOWN,RES) BEGIN IF RES =1 THEN DOUT = 20; -默认初始值为20 ELSIF CLKEVENT AND CLK = 1 THEN IF RISE30 THEN DOUT 16 THEN DOUT 30) AND (DOWN16) THEN DOUT=20; END IF; END IF; END PROCESS; END; (3）温度调节模块的时序仿真波形如图5.2所示：图5.2 温度调节模块时序仿真波形图 当复位信号的上升沿来到时，温度回到初始设置值20摄氏度。当CLK的上升沿被检测，并且RISE信号是26摄氏度时，温度信号输出端口DOUT输出26。当CLK的上升沿被检测，并且DOWN信号是18摄氏度时，温度信号输出端口DOUT输出18摄氏度。超出