基于FPGA的空調(diào)硬件系統(tǒng)的研究

楊雪峰 李 琳

(江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 41000)

基于FPGA的空調(diào)硬件系統(tǒng)的研究

楊雪峰 李 琳

(江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 41000)

本設(shè)計以EP1K30TC144-3和DS18B20為設(shè)計平臺，實現(xiàn)了對溫度采集、測量、對比、處理等功能，具有很好的移植性，能應(yīng)用于現(xiàn)今大部分溫控系統(tǒng)。其硬件電路簡單，成本低，應(yīng)用靈活，測溫精度和轉(zhuǎn)換速度足以保證大多數(shù)測溫系統(tǒng)的需求，提高了溫度采集系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

FPGA；溫度測控；DS18B20

1 引言

目前大多數(shù)的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)都采用了以單片機(jī)作為控制器的設(shè)計，但是隨著可編程邏輯器件的發(fā)展，家用電器的控制部分也越來越多地使用可編程邏輯器件來實現(xiàn)。系統(tǒng)控制部分選用的是FPGA，溫度傳感部分選用的是高精度DS18B20傳感器。使用該傳感器采集的溫度無須經(jīng)過信號放大和A/D轉(zhuǎn)換以數(shù)字信號的形式傳遞給FPGA，簡化了電路的同時也減小了測量誤差。FPGA芯片與單片機(jī)相比，具有可編程修改和強(qiáng)大的邏輯功能，因此以FPGA為控制器件的設(shè)計更有市場競爭力[1]。

2 硬件總體設(shè)計

2.1 硬件整體結(jié)構(gòu)及原理

硬件電路主要包括晶振、電源模塊、FPGA、溫度傳感器、數(shù)碼顯示。本設(shè)計使用的FPGA芯片是Altera公司的ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3，溫度傳感器選用高精度DS18B20數(shù)字溫度傳感器。整個硬件的框圖如圖1所示。

電路原理：時鐘信號由20MHz石英晶振提供給FPGA。DS18B20將采集的溫度以數(shù)字信號直接送給FPGA，可根據(jù)需要通過按鈕設(shè)置溫度值和定時時間。FPGA控制器接收到設(shè)置和測量溫度后，比較兩個溫度值后做出判斷：（1）測量溫度大于設(shè)置溫度則FPGA發(fā)出制冷信號；（2）測量溫度小于設(shè)置溫度則FPGA發(fā)出加熱信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到FPGA的信號后改變環(huán)境溫度，與此同時數(shù)碼管顯示出定時時間和設(shè)置溫度[2]。

2.2 系統(tǒng)總電路圖

各模塊說明：TIM：定時時長設(shè)置模塊；TEMPCONDITIONER：控制模塊；FENPIN：分頻模塊；TIAOJIE：溫度設(shè)置模塊；SHOW:測量所得溫度顯示模塊；SHOWT：設(shè)置的時長顯示模塊；SHOWDE：設(shè)置的溫度顯示模塊。系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖1 整個硬件框圖

圖2 系統(tǒng)電路圖

3 控制器芯片介紹

本設(shè)計使用的是Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3。ACEX 1K是2000年推出的2.5V低價格的SRAM工藝的PLD。ACEX1K器件的特點：

(1)不僅具有一般功能的邏輯陣列而且還實現(xiàn)了宏功能的增強(qiáng)嵌入式陣列，提供低價的可編程單芯片系統(tǒng)集成，單個EAB的雙口能力可達(dá)16-bit。

(2)高密度：不僅有高達(dá)49152位內(nèi)部RAM而且還有1萬到10萬個典型門。

(3)系統(tǒng)級特點：多電壓接口支持2.5V、3.3V和5V設(shè)備；低功耗；雙向I/O性能達(dá)到250MHz；完全支持在33MHz或66MHz下3.3V的PCI局部總線標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)置JTAG邊界掃描測試電路；JTAG端口、配制器件、智能控制器共同實現(xiàn)在線重配置。

(4)靈活的內(nèi)部連線：算術(shù)功能的專用進(jìn)位鏈的實現(xiàn)；內(nèi)部總線的三態(tài)模擬的實現(xiàn)；6個全局時鐘信號和4個全局清除信號；高速、多扇入功能的專用級聯(lián)鏈的實現(xiàn)；快速、可預(yù)測聯(lián)線延時的快速通道。

(5)強(qiáng)大的I/O引腳：可編程輸出電壓的擺率控制可減小開關(guān)噪聲；每個引腳都有一個獨立的三態(tài)輸入、勢能控制和漏極開路配置選項。

4 溫度檢測設(shè)計

4.1 溫度傳感器的選擇

按電阻的性質(zhì)可以分為半導(dǎo)體熱電阻（稱為熱敏電阻）和金屬熱電阻（稱為熱電阻）。

方案一：選用鉑電阻Pt1000溫度傳感器。鉑熱電阻在高溫和氧化性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，所以線性較好。在0OC--100OC時，最大線性偏差小于0.5OC。鉑熱電阻與溫度的關(guān)系是：Rt=Ro(1+At+Bt×t)；其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；Ro是溫度為0OC時的電阻；t為任意溫度值，A，B為溫度系數(shù)。但其成本太貴，不適合做普通設(shè)計。

方案二：選用DS18B20集成智能溫度傳感器。該傳感器是“一線器件”數(shù)字化，不僅體積小，電壓寬而且更經(jīng)濟(jì)。其測量溫度范圍為-55OC——-+125OC，以“一線總線”的數(shù)字方式直接傳輸，極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20能設(shè)置9～12位的分辨率，把設(shè)置的溫度存儲在EEPROM，掉電后依然保存防止丟失[3]。

方案選擇：選擇方案二。理由：電路不需要A/D轉(zhuǎn)換，直連FPGA芯片，不僅簡單且穩(wěn)定性、可靠性高。

4.2 DS18B20數(shù)字溫度測溫原理

DS18B20的測溫原理如圖3所示。圖中晶振（低溫度系數(shù)）的振蕩頻率幾乎不受溫度的影響，產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號作為減法計數(shù)器1的脈沖輸入；晶振（高溫度系數(shù)）振蕩頻率隨溫度變化很大，產(chǎn)生的信號送給減法計數(shù)器2。當(dāng)記數(shù)門打開時，DS18B20對晶振（低溫度系數(shù)）產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行記數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。記數(shù)門的開啟時間由晶振（高溫度系數(shù)）來決定，每次測量先將-55℃所對應(yīng)的基數(shù)（減法計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值）分別置入減法計數(shù)器1和溫度寄存器中。

減法計數(shù)器1對晶振（低溫度系數(shù)）產(chǎn)生的脈沖信號減法記數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器1的預(yù)置值減為0，溫度寄存器值加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置值重新裝入。減法計數(shù)器1重新開始對晶振（低溫度系數(shù)）的脈沖信號記數(shù)，以此循環(huán)直到減法計數(shù)器2記數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值就是所測溫度值。只要記數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，斜率累加器的輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，直到溫度寄存器值等于被測溫度值[1]。

圖3DS18B20測溫原理

5 結(jié)束語

本文采用了溫度傳感器DS18B20，Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3控制器。硬件主要有五大模塊：溫度檢測模塊、定時計數(shù)模塊、LED屏顯模塊、分頻輸出模塊、FPGA中央控制模塊?；驹硎荈PGA采集溫度后比較其值，然后給空調(diào)電機(jī)發(fā)出指令，控制溫度的升降，當(dāng)設(shè)定溫度與測量溫度相等時，不調(diào)節(jié)溫度。該課題研究將基于FPGA的控制器應(yīng)用于溫控領(lǐng)域，提高了溫度采集系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

[1]袁偉亭，周潤景．FPGA與DS18B20組成的測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J]．內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報，2006，(4)：459-463．

[2]邊計年，薛洪熙譯．用VHDL設(shè)計電子線路[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000．

[3]DS18B20 Programmable Resolution 1-wire Digital Thermometer [EB/OL]．http：//www．maximic．com，2006．

Research on the Air Conditioning Hardware System Based on FPGA

Yang Xuefeng Li lin
(Jiangxi College of Applied technology,Ganzhou 41000,Jiangxi)

Using DS18B20 and EP1K30TC144-3 as the design platform,this design achieves the functions of temperature collection,measurement,comparison,processing with good portability.It can be used for most of the current temperature control system.The hardware circuit is simple,the cost is low,the application is flexible,and the temperature measurement precision and conversion speed can meet with the need of most temperature measurement system.This design improves the reliability and stability of the temperature acquisition system.

FPGA;temperature measurement and control;DS18B20

TP212.11

A

1008-6609(2015)11-0068-02

楊雪峰，男，江西廣昌人，碩士研究生，研究方向：軟件工程、網(wǎng)絡(luò)組建。