1、 1 温控风扇的设计 摘 要 : 温控风扇在现代社会中的生产以及人们的日常生活中都有广泛的应用，如工业生产中大型机械散热系统中的风扇、现在笔记本电脑上的广泛应用的智能 CPU 风扇等。本文设计了基于 altera FPGA 温控风扇系统，采用 FPGA 作为控制器，利用温度传感器 DS18B20 作为温度采集元件，并根据采集到的温度，通过放大电路驱动风扇电机。采用热释电红外传感器，并根据检测到的温度与系统设定的温度的比较实现风扇电机的自动启动和停止，并能根温度的变化自动改变风扇电机的转速 ，同时在 LCD1602 显示检测到的温度与设定的温度。 【关键词】 altera cyclone IV；
2、按键模块； LCD1602 显示模块；人体模块 ; 2 目 录 第 1 章 前言 . 3 第 2 章 整体方案设计 . 错误 !未定义书签。 2.1 系统整体 设计 .4 2.2 方案论证 .5 2.2.1 温度传感器的选择 .5 2.2.2 调速方式的选择 .6 第 3章 各单元模块的硬件设计 .7 3.1 系统主要件 .7 3.2 系统器件介 .7 3.2.1 DS18B20 单线数字温度传感器简介 .7 3.2.2 DAC0832 芯片的 简介 .7 第 4章 软件设计 .8 4.1 程序设置 .8 第 5章 时序分析和综合 .9 5.1 RTL Viewer.9 5.2 Technol
3、ogy Map Viewer.9 5.3 时序仿真 .10 第 6章 硬件实物 .10 第 7章 结论 .14 参考文献 .15 附录 程序代码 .15 3 第 1 章 前言 随着人们生活水平及科技水平的不断提高，现在家用电器在款式、功能等方面日益求精，并朝着健康、安全、多功能、节能等方向发展。过去的电器不断的显露出其不足之处。电风扇作为家 用电器的一种，同样存在类似的问题。 现在电风扇的现状：大部分只有手动调速，再加上一个定时器，功能单一。 存在的隐患或不足：比如说人们常常离开后忘记关闭电风扇，浪费电且不说还容易引发火灾，长时间工作还容易损坏电器。之所以会产生这些隐患的根本原因是：缺乏对环境
4、的检测。 如果能使电风扇具有对环境进行检测的功能，当温度下降时能自动的减小风速甚至关闭风扇，这样一来就避免了上述的不足。 第 2 章 整体方案设计 2.1 系统整体设计 本设计的整体思路是：以 altera FPGA 作为控制中心，通 过提取热释电红外传感器感应到的人体红外线信息，并利用温度传感器 DS18B20 检测环境温度并直接输出数字温度信号给 FPGA 进行处理，在 LCD1602 上显示当前环境温度值以及预设温度值。通过独立键盘输入预设温度值，其中预设温度值只能为整数形式，检测到的当前环境温度可精确到小数点后一位。同时采用 OCL 放大电路方式来改变直流风扇电机的转速。并通过两个按键
5、改变预设温度值，一个提高预设温度，另一个降低预设温度值。系统结构框图如下： 4 2.2 方案论证 本设计要实现风扇直流电机的温度控制，使风扇电机能根据环境温度的变化自动启停及改变转速，需要比较高的温度变化分辨率以及稳定可靠的换挡停机控制部件。 2.2.1 温度传感器的选择 在本设计中，温度传感器的选择有以下两种方案： 方案一：采用热敏电阻作为检测温度的核心元件，并通过运算放大器放大，由于热敏电阻会随温度变化而变化，进而产生输出电压变化的微弱电压变化信号，再经模数转换芯片 DAC0832 将微弱电压变化信号转化为数字信号输入 FPGA 处理。 方案二：采用数字式的集成温度传感器 DS18B20
6、作为温度 检测的核心元件，由其检测并直接输出数字温度信号给 FPGA 进行处理。 对于方案一，采用热敏电阻作为温度检测元件，有价格便宜，元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不太敏感，在信号采集、放大以及转Altera FPGA 按键输入 温度传感（ DS18B20） LCD1602 显示模块 D/.A 转换（或 PWM 驱 动） 直流电机 人体红外传感器模块 放大电路 5 换的过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的 R-T 关系的非线性，其自身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路来修正，但这不仅将使电路变得更加复杂，而且在人体所处环境温度变化过程中难以检测到小的温度变
7、化。故该方案不适合本系统。 对于方案二，由于数字式集成温度传感器 DS18B20 的高度集成化，大大降低了 外接放大转化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与 FPGA 的接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。 2.2.2 调速方式的选择 方案一：采用数模转换芯片 DAC0832 来控制，由 FPGA 根据当前环境温度值输出相应数字量到 DAC0832 中，再由 DAC0832 产生相应模拟信号控制
8、晶闸管的导通角，从而通过无级调 速电路实现风扇电机转速的自动调节。 方案二 ：采用其他串行口数转换芯片，或 FPGA 软件编程实现 PWM（脉冲宽度调制）调速的方法。 PWM 是按一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调节方式，在 PWM 驱动控制的调节系统中，最常用的是矩形波 PWM 信号，在控制时需要调节 PWM 波得占空比。 对于方案一，该方案能够实现对直流风扇电机的无级调速，速度变化灵。 对于方案二，相对于其他用硬件或者软硬件相结合的方法实现对电机进行调速而言，采用 PWM 用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性能够 充分发挥 FPGA 的功能，对于简单速度
9、控制系统的实现提供了一种有效的途径。 第 3 章 各单元模块的硬件设计 3.1 系统主要器件 DS18B20 温度传感器、 Altera FPGA、 LCD1602、风扇直流电机。 6 3.2 系统器件简介 3.2.1 DS18B20 单线数字温度传感器简介 单线数字温度传感器 DS18B20 简介新的 “一线器件 “体积更小、适用电压更宽、更经济 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片支持 “一线总线 “接口的温度传感器。一线总线独 特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为丈量系统的构建引进全新概念。 DS18B20、 DS1822 “一线总线 “
10、数字化温度传感器 同 DS1820一样， DS18B20也 支持 “一线总线 “接口，丈量温度范围为 -55C+125C ，在 -10+85C 范围内 ,精度为 0.5C 。DS1822 的精度较差为 2C 。现场温度直接以 “一线总线 “的数字方式传输，大大进步了系统的抗干扰性。 DS18B20 内部结构主要有四部分： 64 位 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器 。其管脚有三个，其中 DQ 为数字信号端， GND为电源地， VDD 为电源输入端。 3.2.2 DAC0832 芯片的 简介 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器
11、完全兼容。这个DA 芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。 D/A 转换器由 8 位输入锁存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A转换电路及转换控制电路构成。 根据对 DAC0832 的数据锁存器和 DAC 寄存器的不同的控制方式，DAC0832 有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 DAC0832 引脚功能电路应用原理图 DAC0832 是采样频率为八位的 D/A转换 芯片 ，集成电路内有两级输入寄存器，使 DAC0832 芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要 (如要求多路 D/A 异步输入、同步转
12、换等 )。所以这个 芯片 的应用很广泛 ,关于 DAC0832 应用的一些重要资料见下图 ： D/A 转换结果采用 电流 形式输出。若需要相应的模拟 电压 信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈 电阻 可通过 RFB 端引用片内固有电阻，也可外接。 DAC0832 逻辑输入满足 TTL 电平，可直 接与 TTL电路或微机电路连接。 第 4 章 软件设计 7 顶层文件开始 4.1 程序设置 程序设计部分主要包括 主程序、 DS18B20 初始化函数、 DS18B20 温度转换函数、温度读取函数、键盘扫描函数、 LCD1602 显示函数、温度处理函数以及 DAC0832转换。
13、DS18B20 初始化 函数完成对 DS18B20 的初始化 ； DS18B20 温度转换函数完成对环境温度的实时采集； 温度读取函数完成主机对温度传感器数据的读取及数据换算，键盘扫描函数则根据需要完成初值的加减设定；温度处理函数对采集到的温度进行分析出理，为 DAC0832 的转换提供条件；风扇电机控制函数则根据温度的数值，再经过功率放大电路对电机转速及启停的控制。 第 5 章时序分析和综合 5.1 RTL Viewer 温度测量模块 LCD1602 显示模块 D/A转换模块 人体红外检测模块 键盘模块 8 5.2 Technology Map Viewer 9 5.3 时序仿真 第 6 章 硬件实物 10
