电科1101-陈永-开题报告

1、 毕业设计(论文)开题报告题 目： 基于FPGA的空调温度控制电路的设计 系： 电气信息学院 专 业： 电子技术 学生姓名： 陈永 学 号： 201101040118 指导教师： 陈 意 军 年 月 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并

2、直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文献综述1引言 温度和空气调节关系到人们的生活状况。传统空调器具有“开一关”调节模式。不仅噪音和温度波动大，往往不能给人们带来一个舒适的环境，而且开关时对空调压缩机

3、有很大的损害。随着计算机技术、变频技术、智能控制技术的不断发展。人们摒弃了传统定频定速空调器的那种固定的调节模式。开发出性能更为优良的变频变速空调器。世界空调的发展可分为四个阶段。首先是后风扇时代。典型特征是，功能仅限制于制冷制热，技术含量低；接下来是纯空调时代。这个时代的最显著标志是空调成为真正意义的空气调节器。不光调节空气的温度，对空气的舒适度也进行调节；随着各国政府对空调的能耗标准提出要求。空调进入了超空调时代，其显著特点是空调不仅仅是空调。还能满足节能环保的要求；在以网络信息代表的2l世纪。作为家电产品的空调器也必将随之步入网络信息时代。为了最大限度地节约能耗，开辟新能源的利用2、温度

4、控制技术2.1 温度控制技术的概念在一定的控制系统中，首先将需要控制的被测参数（如温度）由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制值送给控制系统进行相应的控制，不停地进行上述工作，从而达到调节的目的。如果上述过程均由人工参与完成，则该过程为手段控制，如果上述过程全部自动实现则为自动控制过程。除了少数控制要求不高的领域还在运用手动控制外，现在温度控制系统均为自动控制系统2。2.2温度控制技术的现状与应用 针对各行各业中的温度控制对象，已经有了各种具体的温度控制方法。总体上来看，温度的控制方法按划分标准不同可分为不同温度控制

5、方式。按操作途径分为两种：手动控温和自动控温；按调节原理分，主要有位式、PID、模糊控制、PID加模糊控制等。对控温对象来说，调节手段采用调节负载电压或调节功率以实现温度控制。前者是调温调压方式，属于连续调节，调节结果容易实现能量平衡，但在调节过程中将对电网造成干扰；后者是调功方式，属于断续调节，调解过程中实现能量真正平衡，但对系统硬件、软件要求较高。而准确的测量和采用合理的温度控制方式是实现高精度温度控制的有效途径。温度控制的对象不同，我们需要设计不同的温度控制装置，即使有时候应用了相同的控制原理。而且不同的行业对温度的控制要求也各不相同，因此在具体实际设计温度控制装置时我们应该考虑实际需要

6、。半导体制冷器件具有体积小、致冷速度快、可致冷温度低（多级串联使用时）、价格便宜及使用方便等特点，再配合数字式温度传感器、单片机构成一个小型的温度检测和控制系统，可以得到广泛的应用。例如，在电子、医药及科研实验室的实验室装置方面：冷箱、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验室仪器；在日常生活方面：冷热饮水机、PC机芯片制冷等。针对大型罐的热容较大，在加温或降温过程中时间滞后较大的特点，可以采用分段PID加经验预估的复合控制方法；在冷藏库优化温度控制中，可以采用断续PID调温方法；针对电厂主汽温控制可以应用神经PID控制。大空间温度控制主要通过给需要控制温度空间内送相应温度流体来实现热交换达到控

7、温目的。由于空间较大，采用加热器及传感器装置会增加系统成本及体积，以及也不能保证温度分布均匀，而往封闭空间送流体，只要控制好输送介质温度，空间内的温度要求是可以满足的。这种装置的应用特点是空间较大，相对封闭。在控制设备中，除温度传感器，A/D转换器，温度显示仪表，控制面板，PLC，报警器和电加热这些常规温控装置外，还必须包括传输介质的循环系统及该系统的控制。在控制过程中，需要同时监测封闭空间温度和传输介质系统的温度。在具体实际中，采用冷却水-空气热交换方式的温控系统，已经达到±0.04的温控精度。采用气喷淋系统在较低的成败下，已经实现了超精密环境±0.05的温度控制精度。在

8、航天领域中，热控制实际就是温度控制。在卫星系统中有些特殊部件对温度环境要求很高，它不仅要求温度均匀，而且对其自身各部分的温度梯度也有严格的限制。这就要求采用高精度的控制方式实现对特殊部件的温度控制。卫星温度控制采用被动热控制技术和主动热控制技术。被动热控制技术通常选择具有一定热物理性能的结构材料、表面涂层、隔热材料、相变材料及热管等措施，合理安排星体表面与空间环境之间及星体内部仪器部件之间的热传递，使卫星各部分处于期望的温度范围内。其特点在于技术简单、运行可靠、工作寿命长及经济性能好。主动热控制技术的主动热控制器一般包括电加热器、控制器和温度传感器三个部分，构成闭环控制回路。主动热控制的特点在

9、于可适时调节被控对象的热传递特性，对外部变化反应灵敏，温度调节精度高，但在寿命和可靠性方面受到限制，质量和能耗也相应增加。在工业现场实际应用中，对线圈压型常根据经验用位式调节器来控制加热功率时间，由于压型机是感应加热电源，非线性特性严重，经常出现加热电源在加热过程中功率输出不稳定，造成加热线圈的整体加热温度不均匀现象，使线圈定型不准确，影响电机质量。为了解决这个问题可采用基于Fuzzy调整的压型温度控制方法。该方法不仅对被控对象参数变化适应性强，在对象模拟结构发生较大变化时，也能获得较好的温度控制效果。采用Fuzzy控制算法，可以得到精确的可控硅的出发信号，使得整个系统具有自动化程度高、可靠性

10、高、控制精度高、宽范围的温度控制调节，实现了加热电源的功率调节，解决了电视线圈压型机加热源的加热温度不均匀的校正和非线形补偿问题。如果温控控制区域较大，为了全面准确地测量并精确地控制空间内各部位的温度，可将空间分为不同温区，在不同的位置选择具有代表性的测温点，并采用多路温度控制系统平行地对空间内温度进行较为精确的控制。如果温度范围较大，可在不同温度阶段用不同的仪器进行测量与控制：例如在室温1500的低、中温阶段，采用双铂铑热电偶与M900微机温控仪；在15001800的高温阶段，采用红外测温仪与XMZ数字显示仪，并用光学高温计定时进行人工监控。干式变压器温度控制器是随干式变压器而发展的温度控制

11、器，它主要用于对干式变压器的保护，防止其绕组温度过高烧坏而损坏变压器。此外，它还具有综合测温、显示功能，可显示三线绕组的温度，最高温度、整定温度、以及用户设定的门级温度等；能指示超温、超高温、故障状态；通过按键可更改门级温度等，通过远距离测量传送数据实现保护，随着计算机技术控制在这方面的应用，温度控制系统达到自动化、智能化，比过去单纯采用电子线路进行PID调节的控制效果要好得多。热物理性能、材料力学性能、磁力学性能、材料超导性能、光学物理性能及生物医药研制等的研究和测试领域需要低温恒温器作为进行低温实验的保障。低温恒温器能够为实验提供低温环境，同时能够屏蔽外界温度、空气及水汽等对实验的影响。现

12、在在的低温恒温器主要采用低温液体作为冷源来满足实验所需要的低温要求，为了能够工作较长时间，低温恒温器大多数采用了高真空多层绝热，设备多为不可拆结构或实验过程中部件间没有相对运动的结构。在光学实验中要求试样、入射角、反射角角度可调，因而要对传统的低温恒温设备中进行实际改调，以满足实验要求2。2.3 温度控制系统的的优缺点对于各种不同的温度控制系统它存在着各种优缺点，把握好各个温控系统的特点是其更好的利用于所需要的工程中去。温度控制是工业生产及科研工作过程中经常遇到的问题。由于控制对象种类繁多，各自内在机理不同，所建数学模型存在一定局限性，且控制对象普遍具有时间常数大、纯滞后时间长、时变性较明显等

13、特点。各种控制方法有着自己的优点，也同时存在不足。位式调节最为简单，但因没有真正稳定点，余差大，多用于控制指标要求不高的场合。PID调节规律较成熟，具有超前、及时有力且可以消除余差等作用，但在大偏差时，容易出现积分饱和，控制时间过长参数整定也很困难，对象工况不同时PID参数应作相应调整才可以获得较高质量指标。模糊控制的优点是能够得到较好的动态响应特性，并且无需知道被控制对象的数学模型，适应性强，鲁棒性好。单纯的模糊控制对系统的动态品质不利，系统稳定性差。而且在恒温端的温度波动依然很大，且随着系统的物性参数的逐渐改变，会出现波动现象，难以控制在要求的精度范围内，所以常规的模糊控制所存在的主要问题

14、是如何提高稳态精度。PID加模糊控制能够改善系统动态品质，但需PID参数进行整定，控制指标的优劣取决于PID参数的整定结果2。3 现场可编程FPGA现场可编程逻辑门阵列（英语：Field Programmable Gate Array, FPGA），是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者现场程序化的逻辑门阵列元件。 31 FPGA的设计流程：下图是基于EDA软件的FPGA/CPLD开发流程框图，以下将分别介绍各设计模块的功能特点。对于目前流行的EDA工具软件，下图的设计流程具有一般性。 原理图/VHDL文本编辑 综合 FPGA适配 FPGA编程下载 图1 应用于FPGA的EDA开发流程F

15、PGA是可编程器件，从而使得其的设计过程包括两个方面：硬件设计和软件设计。硬件设计是由FPGA芯片、输入输出接口、存储器以及相应的其他硬件，而软件设计就是运用Verilog HDL（VHDL）语言写程序。FPGA是采用的自顶向下的设计方式，由最初的系统级到后面的二级单元，三级单元等设计。一般来说FPGA的设计流程分为下面几个部分。3.11功能定义/器件选型 在设计FPGA工程之前，就需要我们队系统功能的定义和模块进行划分，另外一点就是要根据工程的要求，选择最为合适的设计方案和性价比较高的器件。3.12设计输入一般设计输入分为以下两种类型：（1）.图形输入图形输入通常包括原来图输入、状态图输入和

16、波形图输入等方法。状态图输入方法就是根据电路的控制条件和不同的装换方式，用绘图的方法在EDA工具的状态图编辑器上绘出状态图，然后由EDA编译器和综合器将此状态变化流程图形编译综合成电路网表。波形图输入方法则是将待设计的电路看成是一个黑盒子，只需告诉EDA工具该黑盒子电路的输入和输出时序波形图，就能根据此完成黑盒子电路的设计。原理图输入方法是一种类似于传统电子设计方法的原理图编辑输入方式，即在EDA软件的图形编辑界面上能完成特定功能的电路原来图。原理图由逻辑器件和连接线构成，如与门、非门、或门、触发器以及含74系列器件功能的宏功能块，甚至还有一些类似与IP的功能块。其特点是输入比较直观但效率低，

17、不容易维护，不利于模块结构的重用、可移植性差，当芯片结构设计后，所以的原理图都等要改动。（2）硬件描述语言文本输入这种方式与传统的计算机软件语言编辑输入基本一致，就是将使用了某种硬件描述语言的电路设计文本，如VHDL的源程序，进行编辑输入。其特点是设计与芯片工艺无关，可以方便的进行自顶向下设计、输入效率很高、有利于模块的划分和移植、可移植性好、同时具有很强的逻辑描写和仿真功能。3.13 功能仿真 功能仿真也可以称之为前仿真。是指在编译之前对用户所设计的硬件电路进行逻辑功能验证，由于没有延时信息，所以仅仅是对功能的初步检测。3.14 综合优化综合，就其字面含义应该为把抽象的实体结合成单个或统一的

18、实体。对于电子设计领域的综合概念可以表示为:将用行为和功能层次表达的电子系统转换为低层次的便于具体实现的模块组合装配而成的过程。3.15 仿真在编辑下载前必须利用EDA工具对适配生成的结果进行模拟测试，就是所谓的仿真。仿真就是让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对EDA设计进行模拟，以验证设计，排除错误。有两种不同级别的仿真测试:时序仿真和功能仿真。3.16 下载和硬件测试把适配后生成的下载或配置文件，通过编程器或编程电缆向FPGA进行下载，以便进行硬件调试和验证12。3.2 硬件描述语言VHDLVHDL的英文全名是VHDIC，于1983年由美国国防部发起创建，由IEEE进一步发展并在1987

19、年作为“IEEE标准10776”发布从此，VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一并在电子设计领域得到了广泛应用，逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。VHDL具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并具有良好的电路行为描述和系统描述的能力，在语言易读性和层次化结构化设计方面表现了强大的生命力和应用潜力。因此，VHDL的设计方法为自顶向下。在EDA技术应用中，自顶向下的设计方法，就是在整个设计流程中各设计环节逐步求精的过程。一个项目的设计过程包括从自然语言说明到VHDL的系统行为描述，从系统分解、RTL模型的建立、门级模型产生到最终的可以物理布线实现的底层电路，就是从高抽象级别到低抽象级别的

20、整个设计周期。后端设计还必须包括涉及硬件的物理结构实现方法和测试。应用VHDL进行自上而下的设计，就是使用VHDL模型在所有综合级别上对硬件设计进行说明、建摸和仿真测试。自顶向下的设计方法是系统被分解为各个模块的集合之后，可以对设计的每个独立模块指派不同的工作小组。这些小组可以工作在不同地点，甚至可以分属不同的单位，最后将不同的模块集成为最终的系统模型，并对其进行综合测试和评价。图2给出了自顶向下设计流程的框图说明，它包括如下设计阶段：（1） 提出设计说明书，即用自然语言表达系统项目的功能特点和技术参数等。（2） 建立VHDL行为模型，这一步是将设计说明书转化为VHDL行为模型。在这一项目的表

21、达中，可以使用满足IEEE标准的VHDL的所有语句而不必考虑可综合性。（3） VHDL行为仿真。这一阶段可以利用VHDL仿真器对顶层系统的行为模型进行仿真测试，检查模拟结果，继而进行修改和完善。（4） VHDL-RTL级建模。如上述，VHDL只有部分语句集合可用于硬件功能行为的建模，因此在这一阶段，必须将VHDL的行为模型表达为VHDL行为代码。（5） 前端功能仿真。在这一阶段对VHDK-RTL级模型进行仿真，称为功能仿真。（6） 逻辑综合。使用逻辑综合工具将VHDL行为级描述转化为结构化的门级电路。（7） 测试向量生成。这一阶段主要是针对ASIC设计的。FPGA设计的时序测试文件主要产生于适

22、配器。对ASIC的测试向量文件是综合器结合含有版图硬件特性的工艺库后产生的，用于对ASIC的功能测试。（8） 功能仿真。利用获得的测试向量对ASIC的设计系统和子系统的功能进行仿真。（9） 结构综合。主要将综合产生的表达逻辑连接关系的网表文件，结合巨日的目标硬件环境进行标准单元调用、布局、布线和满足约束条件的结构优化配置，即结构综合。（10） 门级时序仿真。在这一阶段将使用门级仿真器或使用VHDL仿真器进行门级时序仿真，在计算机上了解更接近硬件目标器件工作的功能时序。（11） 硬件测试。这是对最后完成的硬件系统进行检查和测试。 与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有较强的行为仿真级与综合级的建

23、模功能，这种能远离具体硬件，基于行为描述方式的硬件描述语言恰好满足典型的自顶向下的设计方法，因而能顺应EDA技术发展的趋势，解决现代电子设计应用中出现的各类问题。4、小结 近几年来，随着中国科学技术的进步和人民生活水的不断提高，空调数量显著增加，空调技术也不断提高，传统的空调在空气调节方面和空气污染方面存在的问题也相应的解决了。当然也存在相应的负面问题，耗能的日益增加已成为我国部分地区能源及电力供需矛盾的主要原因之一，当务之急必须采取有效措施降低空调的能耗。如何降低空调能耗，实现空调自动控制，利用空调改善室内温度，延长空调使用寿命已成为当前首要课题。6、参考文献 1 王晓辉，基于FPGA的温度

24、控制电路测量系统设计，西安工业大学，20132 柯维娜、蔡国飙、朱定强，温度控制技术的发展与应用综述，北京航空航天大学3 张永坚，空调技术的发展与前景，百度文库4 魏巍、刘京、赵加宁，电信基站用新风冷却热换装置的开发应用研究J，电信电工技术与标准化，20065 黄志伟，FPGA系统设计与实践M，北京：清华大学出版社。2007 5 黄志伟，FPGA系统设计与实践M，北京：清华大学出版社。2007 6 席在芳、欧青立、曾照福，空调控制器设计实验教学的探索与实践J，实验管理，2008     7周立功，EDA实验与实践M，北京：北京航空航天大学出版社，20078 陈传好

25、，空调电机集散式微机自动检测系统J，电机电器技术，2009 李溯、田成方，模糊控制技术在空调器上的应用J，北方工业大学学10 江亿、朱伟峰，暖通空调系统传感器的故障检测J，清华大学学，2009 12 潘松 黄继业. EDA技术实用教程. 北京：科学出版社，200513 潘松 黄继业. EDA技术与VHDL. 北京：清华大学出版社，200514 李杰智，空调器出厂检验自动测试系统J，电机电器技术，200715 李宗伯，VHDL设计表示和综合. 王蓉晖译， 北京：机械工业出版社，200216 李树江，多联机小型商用集中空调技术的现状及发展趋势，沈阳工业大学，2007 毕 业 设 计（论 文）开 题

26、 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告1、 一、课题的目的与意义 随着我国近几年来空调业得迅猛发展与空调的普遍应用，其能耗占我国总能耗的比重日益增大，已成为我国部分地区能源及电力供需矛盾的主要原因之一，而且由于空调回风等问题很难保证室内人员获得的新风质量。我国已成为世界上空调用户最多的国家，也是“空调病”发病率最多的国家。因此如何改善和提高空调系统运行效率，减少能耗，改善室内空气品质，已成为我国空调业发展的一个急需解决的问题，比如电信、移动的基站。 本次用FPGA设计空调控制器对如何降低空调能耗，开发

27、周期短，可移植性好，升级灵活等有重要意义。2、 课题发展现状和前景展望 目前，国内外空调控制器的实现方法有很多种： （1）基于ARM7的空调控制器的实现。这种方法的缺点是PID控制参数调整有一定的难度，并且应用程序不够完善。 （2）用单片机来实现。单片机的接口性能比较良发好，容易实现人机接口。但是由于单片机集成度通常较低，系统设计比较复杂。 （3）基于嵌入式的VRV空调控制器的研究。 （4）利用特殊用途的芯片实现。这种方案的缺点是灵活性差，而且开发工具很不完善8。 （5）用FPGA等可编程器件来设计空调控制器。由于FPGA产品的迅速发展，人们可

28、以利用Altera、Xilinx等公司提供的产品，使用其相关开发工具和VHDL等硬件开发语言，通过软件编程用硬件实现特定的功能。这一方法由于具有通用性的特点并可以实现其他功能，因此目前都是有比较活跃的研究领域。三、课题主要内容和要求 3.1 总设计本设计以FPGA为核心控制器件，采用数字温度传感器DS18B20和湿度传感器进行温湿度采集，将采集到的温湿度数字直接以数字信号传输给FPGA控制器，与用户设置的温湿度进行比较，然后进行相应温湿度调节以达到用户的要求。根据用户的定时对空调的湿度进行比较，然后进行相应温湿度调节以达到用户的要求。根据用户的定时对空调的开关进行控制。 开始 系统初始化 温湿

29、度采集定时时间对比 Y 温湿度与设定值对比 N 启动调节 Y 结束 图2 3.2 硬件设计的内容 研究方硬件电路主要包括电源电路、石英晶振、温湿度传感器、FPGA控制器、时钟、LCD1602显示、按键组成。本设计采用Altera公司高性价比FPGA，温度传感器采用高精度数字温度传感器DS18B20。整个电路的工作原理是由50MHz石英晶振FPGA提供时钟信号,数字式温湿度传感器将采集的温湿度信息以数字信号的形式直接传递给FPGA芯片，用户也可通过按钮根据需要自己设定温湿度值。采集温度和设定温度都送给FPGA控制器，控制器通过对两个温度值的比较做出判断，当测量温度大于设定温度时就想空调的电机发出

30、制冷的控制信号；当测量温度小于设定温度时，则发出一加热的控制信号；当两者相等时则不制冷也不加热。通过执行机构工作状态的转换来达到改变环境温度的目的。同时，FPGA还可以对设定温度进行定时，并将定时的时间、测量温度和设定温度的值通过LCD1602显示出来。按键输入按键输入温度传感器温度传感器液晶显示 FPGA 控制器湿度传感器 时钟输入JTAG下载电源 图3 3.3软件设计的内容在QuartusII11.0平台使用VHDL语言编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。程序中主要使用了状态机对温湿度传感器进行了时序控制，通过一些命令使温湿度传感器采集获得温湿度值传送到FPGA控制器。最后将数据送给LCD显示电路进行显示，从而可以实时地观察到温湿度变化，同时LED闪烁进行模拟空调电机运作。根据用户的要求可以进行定时。 FPGA液晶显示驱动模块时钟编程及定时模块总控制模块对数据进行处理模块湿度传感器控制模块温度传感器控制模块 图4 3.4 设计要求本次设计是利用FPGA实现空调温度控制的设计。1 研究可编程逻辑器件的结构，重点了解ACEX1K器件和ISPAC20器件2 掌握数字