1、 1 基于 FPGA 的恒温控制系统 孵化器是一种最新的孵化禽蛋的机器，通过人工制造适合禽蛋孵化的恒温环境，来以较小的经济投入孵化禽蛋，通过调查，市面上的孵化器多数是以模拟电路的方式制造恒温环境 ,如下图 这种模拟电路控制在实际应用中很 难做到恒温控制，温度会在最终归的预设值附近上下浮动，影响禽蛋的孵化。而且，孵化器的温度设置也是模拟电路，这样是完全达不到精准的温度设置。通过学习 FPGA，我设想运用数字电路来对禽蛋孵化器内部温度进行控制，来实现可控，可调，温度恒定的禽蛋孵化器。 具体的设计框架如下 通过前向温度采集电路，采集当前孵化器内部的温度信号，将采集到的模拟信号通过ADC0809模数转
2、换芯片，转变为 FPGA 可控的数字信号， FPGA 芯片根据输入的当前实际温度，控制输出合理的数字信号，再由 DAC0832转换为模拟信号，输入到后向加热执行电路，2 以此来完成对整个孵化器的温度控制。整个系统中，带有温度传感器的前向温度采集电路作为系统的反馈环节，实时反映当前环境的具体温度，具体的电路图如下。 前向温度采集电路图 此电路设计以 AD590 作为温度触感器，通过添加相应的调节电阻，让温度与输出电压保持一个相对线性的关系 其中： W1R为调零电阻 2w为调满度电阻 最终得到的温度与输出电压的关系式为： 0U5T100模数转换芯片采用的是 ADC0809，具体的连接电路图如下 3
3、 IN0 IN7管角中任选一路作为前向温度采集电路的输入， VCC 与VREF同时接 +5V 电压，_VREF与 GND 接地， OUT1 OUT8数据输出端连接 FPGA， START，OE， EOC， ADDA-C 均连接 FPGA，根据 ADC0809的工作时序图，由 FPGA 给出相应的信号控制 ADC0809。 数模转换部分采用的是 DAC0832，具体连接图如下 DI0-DI7分别于 FPGA 的 8位数据输出端相连，因为 DAC0832工作在连续的负反馈电路中，故采 用直通的工作方式，将 WR1与 WR2直接与地相连， ILE 与 CS，Xfer 引脚均接至 FPGA，有 FPG
4、A 发送控制信号来控制 DAC0832的工作。输出引脚Iout1与 Iout2连接一个流压转换器，将输出的电流信号转换为需要的电压信号，并进行适当的放大。最后输出到孵化器的加热电路。 FPGA 模块控制 ADC0809的工作状态，并接收来自 ADC0809的数字信号，与键盘输入的预设信号进行比较后，将控制信息传送给 DAC0832，经由数模转换器转换后加在发热装置两端，对整个孵化器内部温度进行控制。整个的 FPGA 模块分为以下 几个部分； 分频模块： 4 由于外界的时钟源一般都较高，而 ADC0809以及键盘扫描模块需要的时钟频率较低，故需要对外界时钟源进行分频，这里外界输入时钟源为 20M
5、Hz，对其进行 64分频。波形仿真图如下： 从波形图可以看出， clk 每经过 64个脉冲， clk1跳转一次。分频模块工作正常； 统计报告图如下： 5 分频模块的 VHDL 文件见附录 1. 键盘模块： 键盘模块的脉冲输入来自分频模块。其中， 输入端口为两位二进制数，分别接两个按键，来对预设温度进行加减调控。输出有两个端口， xianshi 端口作为保留端口，存储着当前预设温度的数值，可外接显示设备。 zhi 端口为信息传送端口，其存储值为当前预设温度值经由采集电路温度 电压公式换算后的十进制数值。换算公式如下： 0U5T100例： 38摄氏度对应的 ADC0809输出数据为 5*38*25
6、6/100/5,得到十进制值为97； 波形仿真图如下： 6 图（ 1） 图（ 2） 图中， shuru（ 1）为温度减按键， shuru（ 0）为温度加按键，相应的预设温度对应相应的 ADC0809输出值，由图 2得，当预设温度为 38摄氏度时，对应换算后的 ADC0809输出数据为 97，与计算相符。键盘输入模块工作正常。 统计报告图如下： 7 键盘模块的 VHDL 文件见附录 2. ADC0809控制模块： 经查阅 资料， DAC0832需采用直通式，故，将 DAC0832的控制语句直接写在了 ADC0809的控制语句块内。 ile 为输出到 ADC0832的输入锁存允许信号， cont为
7、 ADC0832WR1,WR2,CS 等引脚。 Wendu 为预设温度的输入引脚。 din 为 ADC0809转换后的输出信号， dout 为受 FPGA 控制的输出到 DAC0832的控制信号。 clk8为来自为频器的时钟信号。 根据 ADC0809的时序图，总结出相应的状态转移图，一次来编写控制 ADC0809的VHDL 语 言 文 件 ， 状 态 转 移 图 如 下 ：8 具体波形仿真图如下： 波形仿真建立在预设温度为 38摄氏度的条件下。前面提到， 38摄氏度对应的ADC0809输出值为 97， VHDL 程序中设定，当 ADC0809输入值大于或等于 97时（当前温度大于或等于预设温
8、度）， FPGA 输出到 DAC0832的控制信号为 0，即停止加热。当 ADC0809输入值小于 92（即 36摄氏度，与设定温度相差大于两度）时， FPGA输出到 DAC0832的控制信号为 255，即以最大功率加热。当 ADC0809输入值小于 92时，将会细分为 5个阶段，即以逐次递减 的功率加热。由图可知， ADC0809工作正常。 统计报告图如下： 9 ADC0809模块的 VHDL 仿真文件见附录 3. 最后，将三个模块运用元件例化语句连接在一块，并进行电路观察，生成相应的逻辑电路，如下图： 总体波形仿真如下图 10 波形分析： 刚开始， FPGAjia 置 1，预设温度逐渐增加，如下图 当温度到达 38摄氏度后停止增加，即将 38摄氏度作为预设温度，随后，观察FPGAin 与 FPGAout。当预设温度为 38摄氏度时，输入为 97时，对应输出为 0，当为 92时，对应输出为 5，当为 96时，对应输出为 1，当输入不在 92-97之间，输入大于 97时，输出为 0，输入小与 92时，输出为 255.观察上图波形仿真，完全符合程序设计。 后面给 FPGAjian 置 1，预设温度会随之降低。 统计报告图如下：
