基于FPGA 的防脈沖干擾溫控調(diào)速直流風扇研究

潘銀松，覃海洋

(重慶大學，重慶400044)

0 引 言

市場上的風扇，檔位固定，無法根據(jù)周圍環(huán)境溫度的變化自動調(diào)節(jié)風速，不僅浪費能源，而且不利于身體健康。同時，傳統(tǒng)電扇往往采用交流電機，不便于調(diào)速，且功耗較高。本設(shè)計可通過溫度傳感器DS18B20 實時監(jiān)測周圍溫度的變化，自動調(diào)整風速，給人更加舒適、健康的體驗，尤其適用于夜間睡眠，即能保證一個涼爽的睡眠，又可以避免因為溫度驟降風速卻沒有得到相應(yīng)調(diào)節(jié)而導致感冒的問題。風扇采用直流電機，其功耗相對更低，更加經(jīng)濟環(huán)保。

1 系統(tǒng)整體框圖

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖1 是系統(tǒng)的整體框圖。溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度;功能按鍵用于讀取用戶所選擇的工作模式;蜂鳴器用于提示按鍵成功;數(shù)碼管負責顯示當前溫度和用戶所選擇的工作模式;電機驅(qū)動用于驅(qū)動24 V 直流電機;直流電源電路用于給FPGA 和電機驅(qū)動提供電源。

2 直流電源電路

圖2 為直流電源設(shè)計電路。其原理是將220 V交流電通過兩路整流橋進行整流，并利用LM2576T－ADJ 芯片分別輸出3.3 V 和24 V 直流電壓，分別為FPGA 和直流電機提供驅(qū)動電源。其中，電阻值的選取是根據(jù)所需要的電壓值而定，電容C1，C2 分別為100 μF 和330 μF 電容用以濾除直流電源中的紋波成分，電感用于儲能并與二極管一起構(gòu)成續(xù)流回路，目的是將芯片輸出的脈沖電流轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電流，從而給負載提供穩(wěn)定的電壓輸出。

圖2 直流電源電路

3 防脈沖干擾滑動平均濾波，溫度自適應(yīng)100級轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法

本設(shè)計的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法基于DS18B20 溫度傳感器，其具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高、轉(zhuǎn)換速度快等特點。它獨特的單線接口設(shè)計僅需一個端口引腳進行通訊;可通過數(shù)據(jù)線直接供電，供電電壓范圍為3.0 ～5.5 V;測溫范圍為－55℃～+125 ℃，在－10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)精確度最高可為±0.062 5 ℃，可利用精度±0.1 ℃;最多在750 ms 內(nèi)將溫度信號A/D 轉(zhuǎn)換為16 位數(shù)字信號。

為了提高控制精確度，減小誤差，在溫度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速前，對采集到的溫度信號進行數(shù)字濾波。本設(shè)計中采用了防脈沖干擾平均值濾波算法，選取的溫度點數(shù)為5，這樣既可以保證濾波的精準度，又可以保證較快的數(shù)據(jù)處理速度。防脈沖干擾平均值濾波法的算法具體原理如下:對5 個溫度數(shù)據(jù)進行排序，去掉其中最大值和最小值，將剩下3 個溫度數(shù)據(jù)進行滑動平均，其運算結(jié)果作為當前時刻真實溫度。若5 個溫度數(shù)據(jù)分別為T1，T2，T3，T4，T5，其中T1，T2為前兩個時刻的真實溫度值，T3，T4，T5為當前時刻采集的三個溫度值，其中最大的溫度值若為TMAX，最小的溫度值為TMIN，那么當前濾波后的溫度T 應(yīng)為:

下一次濾波計算時，用此時濾波后的溫度T 去代替公式中的溫度數(shù)據(jù)T2，用前一時刻的溫度數(shù)據(jù)T2去代替公式中的溫度數(shù)據(jù)T1，以此類推。T1，T2的初始溫度值都為0。由此可見，這種算法可以很好地消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

設(shè)計中將溫度的控制范圍設(shè)定在22. 0 ℃～32.0 ℃，小于22.0 ℃時風扇進入休眠狀態(tài)，大于32.0 ℃時風扇滿速運行，可調(diào)轉(zhuǎn)速溫度差為10.0個單位，為了進一步細化溫度變化與風扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系，在算法中對溫度差乘以10，即溫度差變?yōu)?00個單位，這樣可以將轉(zhuǎn)速與溫度變化進行一個線性擬合，若當前每分鐘轉(zhuǎn)速為v，PWM 計數(shù)器位數(shù)為8，風扇滿轉(zhuǎn)速為V，當前溫度為T，那么其對應(yīng)關(guān)系:

如果采用精度達到±0.01℃的溫度傳感器，那么在此線性算法下可達到1 000 級調(diào)速的要求。

4 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。打開電源系統(tǒng)開始工作后，首先檢測當前環(huán)境溫度并顯示，并進入待機狀態(tài)。若按鍵被按下，顯示所選擇的檔位，檔位一顯示數(shù)字1，檔位二顯示數(shù)字2，檔位三顯示檔位3，自動模式顯示為英文字母A。手動模式根據(jù)所選擇的檔位，控制風扇的轉(zhuǎn)速;自動模式根據(jù)當前環(huán)境溫度，通過內(nèi)部處理算法，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實時控制。若檢測到的環(huán)境溫度低于22.0℃，風扇自動進入休眠狀態(tài);當大于22℃時，風扇被喚醒;若溫度大于32.0℃，風扇全速運行。最后，返回到循環(huán)的起點，不停掃描系統(tǒng)當前狀態(tài)，做出相應(yīng)的響應(yīng)，按下停止鍵，風扇進入待機狀態(tài)。轉(zhuǎn)速控制采用PWM 脈沖調(diào)寬的方法，將對應(yīng)的脈沖信號送給L298N 驅(qū)動芯片，以驅(qū)動直流電機工作。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

5 FPGA 時序仿真

在modesim 中對系統(tǒng)進行時序仿真，設(shè)定仿真溫度分別16.5℃，18.5℃，21.5℃，并設(shè)定為自動模式。

如圖4 所示，sys_clk 和sys_rstn 分別為系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)復位信號;indwd 表示所選擇的檔位，其值為a 即表示自動模式按鍵被按下;temperature 表示當前溫度變化;out_bit 與out_seg 分別表示數(shù)碼管的位選和段選，當溫度16.5℃時，其位選值為fe，fd，fb，bf，同時段選為f9，88，92，02，因為數(shù)碼管采用的是共陽動態(tài)掃描顯示，即顯示結(jié)果為a 16.5;out_contr 控制電機轉(zhuǎn)向，其值為1，即電機一直順時針轉(zhuǎn)動;led 控制LED 燈，且其為共陽電路，按下一檔亮一顆，二檔亮兩顆，三檔亮三顆，自動擋亮四顆，此時led 值為0，即表示自動擋被選中;Enable 即為輸出的PWM 信號，可見其隨著溫度的不同，其輸出波形的占空比明顯不同，并用它控制電機的轉(zhuǎn)速。此仿真的時鐘頻率為50 MHz，系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，滿足設(shè)計要求。

圖4 modesim 仿真時序圖

6 結(jié) 語

在傳統(tǒng)風扇設(shè)計的基礎(chǔ)上,本設(shè)計通過采用FPGA 對溫度信號進行處理,實現(xiàn)了環(huán)境溫度對轉(zhuǎn)速的精準控制,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑,讓人感到更加舒適。采用直流電機,降低了功耗,更加經(jīng)濟環(huán)保。 本設(shè)計不僅僅局限于在風扇上的應(yīng)用,通過相應(yīng)的修改,其可以移植到其它需要溫度控制的應(yīng)用中,且其可擴展性能強,未來可以在此基礎(chǔ)上添加其它功能模塊。

[1] 王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與Verilog HDL[M].4 版.北京：電子工業(yè)出版社,2011：121-214.

[2] 張文兵. 智能溫控無級調(diào)速電風扇[J]. 微特電機,2007,35(12)：023.

[3] 杜鵬英,任國海,江浩. 無刷直流電動機PWM 調(diào)速實驗系統(tǒng)[J].微特電機,2007,35(6)：48-50.

[4] 明德剛.DS18B20 在單片機溫控系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 貴州大學學報,2006,23(1)：106-110.

[5] 黃繼昌.電源專用集成電路及其應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社,2006：55-79.

[6] 童詩白,華成英等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].4 版.北京：高等教育出版社,2006：513-562.