【《基于FOGA的智能温控器的硬件介绍分析》3000字】

基于FOGA的智能温控器的硬件介绍分析目录TOC\o"1-3"\h\u32735基于FOGA的智能温控器的硬件介绍分析 1183731.1basys3开发板 1229821.1.1FPGA简介 1286961.1.2basys3开发板 1276011.2DS18B20数字温度传感器 244861.3HC-06蓝牙模块 458841.4VGA显示器 580111.5加热降温模块 617831.5.1电热丝 6118051.5.2风扇 7159641.6智能温控器的基本结构 7硬件的选取是FPGA设计的第一步，只有确定了设计使用的硬件器件，才能确定设计的方向并开始进行设计。本章介绍智能温控器选择的硬件器件，为智能温控器的设计做好基础。1.1basys3开发板1.1.1FPGA简介FPGA(FieldProgrammableGateArray)，现场可编程逻辑门阵列，是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA不但集成了ASIC（专用集成电路）大规模、集成度高、可靠性强的优点，而且克服了普通ASIC设计周期长、成本高、灵活性差等缺点，逐渐在复杂数字硬件电路设计中得到了广泛的应用，居于领先地位[3]。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)的概念，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块IOB和内部连线三个部分。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，这样构成的基本逻辑单元模块既可以实现组合逻辑功能又可以实现时序逻辑功能，这些模块要么连接到I/O模块，要么通过金属线相互连接。FPGA通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现它的逻辑，存储器单元中存储的值决定了逻辑单元的逻辑功能，也决定了各模块之间或模块与I/O间的连接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能[4]。1.1.2basys3开发板本次设计使用的basys3开发板为XilinxArtix-7系列的FPGA。该系列的器件在低成本的条件下提供了最高的每瓦性能(performanceperwatt)，是一些成本和功耗敏感型应用的最佳选择。basys3开发板使用XilinxArtix-7xc7a35tftg256-2L芯片，它可以满足各种各样复杂程度的设计任务需求：上到复杂的时序逻辑电路，如嵌入式处理器和控制器；下至入门的组合逻辑电路，如简单的多数表决系统[5]。如图2-1所示即为本设计使用到的basys3开发板。图2-1basys3开发板实物图basys3开发板可以满足各种各样复杂程度的设计任务需求：上到复杂的时序电路，如嵌入式处理器和控制器；下到入门的组合电路，如简单的多数表决系统。表2-1中对常用的组件进行了标注。表2-1basys3开发板组件信息序号描述序号描述1TLC7528C812个拨码开关2时钟源9XC7A35T3Pmod连接口10FPGA配置复位按键46位7段数码管1116个LED灯5VGA连接口12蜂鸣器6UART/JTAG共用USB接口13专用模拟信号Pmod连接口712个拨码开关1.2DS18B20数字温度传感器对于温度的采集，任务书中要求智能温控器的温度控制范围是0~140℃，分辨率为0.0625℃。在笔者对市面上比较常见的温度传感器调研后，发现以下三种温度传感器（其中DHT11为温湿度传感器），它们的测温范围、精度、分辨率3方面数据对比如表2-2所示。表2-2三种温度传感器对比温度传感器型号DS18B20LM75ADHT11测温范围-55℃~+125℃-55℃~+125℃-20℃~+60℃精度±2℃（-55℃~+125℃）±0.5℃（-10℃~+85℃）±2%（-25℃~+100℃）±3%（-55℃~+125℃）±2℃分辨率0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃0.125℃1℃通过对比发现，DS18B20在测温范围、精度、分辨率上都更符合任务书的要求，故本智能温控器选用DS18B20温度传感器。如图2-2为DS18B20温度传感器实物图。图2-2DS18B20温度传感器实物图如表2-3为DS18B20的3个引脚对应的功能。表2-3DS18B20引脚功能表引脚名称引脚功能VCC可选用的VCCDQ数据输入/输出GND接地随着现在科技的进步，温度传感器已经从早期的模拟温度传感器逐渐走向数字化、微型化、集成化，由美国DALLAS公司推出的DS18B20就是具有代表性的一种。DS18B20其因体积小、精度高、抗干扰能力强等特点，广泛应用在生产生活等多个领域，如粮仓、储罐、空调、冷柜等测温场合。DS18B20与本设计相关的一些特性如下：独特的单总线接口，只要1条口线就可以实现与微处理器之间的双向通讯。测温范围为-55~+125℃，具有可编程的9~12位分辨率，对应可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625℃。可以多个DS18B20并联实现多点组网测温。注意：如果数量过多（超过8个），要解决好供电问题，否则因电源点烟过低会造成信号传输的不稳定。工作电源:3.0~5.5V/DC。全部传感元件和转换电路都集成在芯片内，无需任何外围电路。以数字温度信号的形式直接输出测温结果，可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰能力和纠错能力。9位分辨率时，最多在93.75ms内把温度转换为数字量；12位分辨率时，最多在750ms内把温度转换为数字量，转换速度快。DS18B20的原理等内容将在后文进行详细介绍。1.3HC-06蓝牙模块根据任务书的要求，本设计中的智能温控器需要使用蓝牙或WiFi进行无线传输数据。经过对蓝牙和WiFi的使用及硬件模块进行比较，发现蓝牙模块应用更加广泛，且使用起来更加便捷，所以本设计中使用蓝牙模块完成无线传输功能。本设计使用的蓝牙模块是广州汇承信息科技有限公司的HC-06蓝牙模块，该蓝牙模块是基于BluetoothSpecificationV1.0带EDR蓝牙协议的数据传输模块。蓝牙无线工作频段为1.4GHzISM，调制方式为GFSK。模块的最大发射功率为4dBm，接收灵敏度为-85dBm，板载的PCB天线能够实现10米距离之内的无线通信[6]。其实物图如图2-3所示。图2-3HC-06蓝牙模块实物图HC-06各引脚功能如表2-4所示。表2-4HC-06蓝牙模块引脚功能表引脚序号引脚名称引脚定义1+5V正电源2GND接地3TX传送4RX接收HC-06蓝牙模块的默认名称为HC-06，初始配对密码为1234，如果有需要，可以使用AT指令进行更改。1.4VGA显示器按照任务书的要求，智能温控器的温度信息通过VGA显示器显示。VGA（VideoGraphicsArray），\t"/item/VGA%E6%8E%A5%E5%8F%A3/_blank"视频图形阵列，是1987年\t"/item/VGA%E6%8E%A5%E5%8F%A3/_blank"IBM提出的一个使用\t"/item/VGA%E6%8E%A5%E5%8F%A3/_blank"模拟信号的电脑显示标准，具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点。不过在目前的电脑市场，VGA已经比较过时了，取而代之应用更多的是HDMI。不过，性能最好的是DP接口，而与之相比VGA接口却能支持更多的产品，通用性更强，所以VGA仍然是很多制造商共同支持的标准之一，市面上的很多电脑仍能看到VGA的身影。图2-4basys3开发板上的VGA接口如图2-4为basys3开发板上的VGA接口，其管脚定义如表2-5所示（第一行右侧第一个管脚的序号为1，向左龙摆尾排列，第三行左侧第一个管脚的序号为15）。表2-5VGA管脚定义序号管脚定义序号管脚定义1红基色9保留（各家定义不同）2绿基色10数字地3蓝基色11地址码4地址码12地址码5自测试（各家定义不同）13行同步6红地14场同步7绿地15地址码（各家定义不同）8蓝地1.5加热降温模块1.5.1电热丝按照任务书要求，温控器用电热丝控制温度的升高，本设计采用聚酰亚胺电热膜，它具有以下特点：属面状发热，热效率高，一般在90%以上。形状可自由设计。温度灵活性。使用灵活性，一般有贴附式和机械式两种方法。聚酰亚胺电热膜的构成比较简单，其实物图如图2-5所示。图2-5电热膜实物图电热膜的部分相关参数见表2-6。表2-6电热膜部分相关参数产品电压0.1~380V表面温度室温-180℃~150℃内可长时间工作（不能放入液体中加热）整面温差＜3℃使用电压交直流均可使用，不分正负极绝缘电阻≥5MΩ绝缘材料0.05mm厚聚酰亚胺薄膜高压测试1500V/1min5mA，无击穿使用寿命70℃控温干烧≥8000小时功率密度最大0.5W/cm2（在生产及设计范围内）1.5.2风扇按照任务书要求，温控器用风扇实现温度的降低，本设计采用直流5V风扇，实物图如图2-6所示。图2-6直流风扇可以看到，该风扇共六个引脚，各引脚功能如表2-7所示。表2-7风扇引脚功能表引脚名称引脚功能LED指示灯GND接地INL风扇左转INR风扇右转VCC接正电源GND接地1.6智能温控器的基本结构经过上面的介绍，本智能温控器所需的所有器件均已挑选完毕，将各个器件利用杜邦线进行连接组合，即可组成