【正文】 .................. 27 致 謝 ................................................... 28 參考文獻(xiàn) ................................................. 29 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 1 1 緒論 引言 生活中，我們經(jīng)常會使用一些與溫度有關(guān)的設(shè)備。要使電子產(chǎn)品保持較低的溫度，必須用大功率、高轉(zhuǎn)速、大風(fēng)量的風(fēng)扇，而風(fēng)扇的噪音與其功率成正比。它的廣泛應(yīng)用和普及給人們的日常生活帶來了方便。 它廣泛應(yīng)用于城市、農(nóng)村、 各種工業(yè)生產(chǎn) ， 在一定情況下 亦適用于太陽能、鍋爐及 對溫度敏感的產(chǎn)業(yè) 的自動控制和 溫度 報警，是實現(xiàn)無人值守的理想產(chǎn)品，市場極為廣闊，需求量大。盡管電風(fēng)扇有其市場優(yōu)勢，但傳統(tǒng)電風(fēng)扇還是有許多地方應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改良的，最突出的缺點是它不能根據(jù)溫度的變化適時調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，對于夜間溫差大的地區(qū)，人們在夏夜使用電風(fēng)扇時可能遇到這樣的問題：當(dāng)凌晨降溫的時候電風(fēng)扇依然在工作，可是人們因為熟睡而無法察覺，既浪費電資源又容易引起感冒，傳統(tǒng)的機械定時器雖然能夠控制電風(fēng)扇在工作一定后關(guān)閉，但定時范圍有限，且無法對溫度變化靈活處理。 ℃ ； ② 可直接 220V交流供電 ； ③ 要求轉(zhuǎn)速隨溫度調(diào)節(jié)的級數(shù)在 50級以上； ④ 風(fēng)扇應(yīng)有手動模式和自動模式，手動模式風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由使用者選擇風(fēng)扇檔位，自動模式根據(jù)實時溫度控制轉(zhuǎn)速； ⑤ 能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前溫度和風(fēng)扇工作的狀態(tài)； ⑥ 對按鍵成功進(jìn)行提示 ⑦ 能夠夜間小范圍 照明 系統(tǒng)整體設(shè)計 本設(shè)計的整體思路是：以 ALTER 的 CycloneVFPGA 作為控制中心， 在自動模式下， 通過溫度傳感器 DS18B20檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給 FPGA進(jìn)行處理， 通過高精度的控制算法計算，將用于調(diào)速的 PWM 信號傳遞給 L298N驅(qū)動芯片，以控制電機的轉(zhuǎn)速。 系統(tǒng) 整體 結(jié)構(gòu)框圖 如圖 所示 ： 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 硬件電路原理及設(shè)計 4 圖 系統(tǒng)整 體結(jié)構(gòu)框圖 模塊功能描述 ① 溫度傳感器模塊： 本實驗中采用 PT100 鉑電阻溫度傳感器進(jìn)行測溫，鉑電阻的阻值與溫度成正比，可以用電橋法將傳感器的阻值變化量轉(zhuǎn)化為電壓信號，再將電壓信號通過ADC0809 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到 8 位的數(shù)字溫度信號 ② 溫度顯示模塊： 根據(jù) PT100 型鉑熱電阻分度表對溫度傳感器輸出的 8 位數(shù)字信號進(jìn)行譯碼，由于在本次設(shè)計中采用的是 4 位的數(shù)碼管，所以將溫度信號譯為 8 位的 BCD 碼，從而顯示出當(dāng)前的溫度。若溫度超出了上下限，則進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)內(nèi)，此時重新設(shè)定溫度值的上下限。檔位通過數(shù)碼管來顯示。 方案二 ：采用數(shù)字式的集成溫度傳感器 DS18B20 作為溫度檢測的核心元件，由其檢測并直接輸出數(shù)字溫度信號給 FPGA 進(jìn)行處理。溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)化成數(shù)字量直接輸出，簡化了系統(tǒng)程序設(shè)計，又由于該溫度傳感器采用先進(jìn)的單總線技術(shù)，與 FPGA 的接口變得非常簡潔，抗干擾能力強，因此該方案適用于本系統(tǒng)。占空比是指高電平持續(xù)時間在一個周期時間內(nèi)的百分比。綜合考慮選用方案二。 對于方案二，液晶體顯示屏具有顯示字符優(yōu) 美，不但能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形的優(yōu)點，這是 LED 數(shù)碼管無法比擬的。電設(shè)置有開關(guān)鍵、 reset 鍵和鎖存鍵，開關(guān)鍵控制電機的通電狀態(tài)， reset 鍵可以使電機的檔位回歸為最低的 檔位，鎖存鍵則是可以使電機的檔位保存在當(dāng)前的狀態(tài)，不隨溫度的變化而發(fā)生變化。電源電路的設(shè)計，通過橋式整流電路并運用 LM2575T實現(xiàn)交流轉(zhuǎn)直流，將其輸出的電壓提供給 L298N 驅(qū)動以及對 FPGA 提供電源 。 FPGA 的基本特點主要有： ① 采用 FPGA 設(shè)計 ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 ⑤ FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。當(dāng)需要修改 FPGA功能時，只需換一片 EPROM即可。 Cyclone V EP4CE6 芯片 芯片簡介 Cyclone V 是 FPGA 制造廠商 ALTER 下面的一個 系列 產(chǎn)品，其 采用了 TSMC 的28nm 低功耗 (28LP)工藝進(jìn)行開發(fā)，滿足了目前大批量低成本應(yīng)用對最 低功耗、最重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 硬件電路原理及設(shè)計 8 低成本，以及最優(yōu) 性能 水平的需求。為保護(hù)寶貴的 IP 投入，該系列還提供最全面的設(shè)計保護(hù)功能，包括支持易失和非易失密鑰的 256 位高級加密標(biāo)準(zhǔn) (AES)。提供一個全局復(fù)位按鍵，提供復(fù)位信號，時鐘部分電源均經(jīng)過了濾波處理，提高了電源的穩(wěn)定性。 然后 送給 AMS1117‐ 穩(wěn)壓，提供 FPGA 的內(nèi)核電壓。Altera FPGA 開發(fā)板 I/O 通過 P1 插座引出。所以這就需要設(shè)計單獨的電源電路，其能夠?qū)?220V 交流重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 硬件電路原理及設(shè)計 11 電壓經(jīng)過降壓，整流變到所需的直流電壓值。 LM2576 系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 3A 電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器 (52kHz)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器 ()，并具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路 。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的電機，其引腳排列如圖 中所示 。它的引腳 2， 3， 13， 14 為 L298N 芯片輸入到電動機的輸出端，其中引腳 2 和 3 能控制兩相電機，對于直流電動機，即可控制一個電動機。 邏輯功能 及 外接電路圖 EN A（ B） IN1（ IN3） IN2（ IN4） 電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H 同 IN2（ IN4）同 IN1（ IN3）快速停止 L X X 停止 控制使能引腳 ENA 或者 ENB 就可以實現(xiàn) PWM 脈寬速度調(diào)整。 其具體的其它參數(shù)如下： ① 邏輯部分輸入電壓： 6～ 7V ② 驅(qū)動部分輸入電壓 Vs： ～ 46V ③ 邏輯部分工作電流 Iss：≤ 36mA ④ 驅(qū)動部分工作電流 Io：≤ 2A ⑤ 最大耗散功率： 25W（ T=75℃） ⑥ 控制信號輸入電平：高電平： ≤ Vin≤ Vs 低電平： ≤ Vin≤ ⑦ 工作溫度： 25℃～＋ 130℃ ⑧ 驅(qū)動形式：雙路大功率 H 橋驅(qū)動 DS18B20 溫度傳感器 及驅(qū)動電路 DS18B20 簡介 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，是采用美國 DALLAS 半導(dǎo)體 公司生產(chǎn)的DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、 易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理 ,適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 ℃；可檢測 溫度分辨率為 9~12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃， ℃， ℃ ,℃，可實現(xiàn)高精度測溫；它單線接口的獨特性，使它與微處理器連接時僅需一條端口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通信；支持多點組網(wǎng)功能，即多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫的功能；工作電壓范圍寬，其范圍在 ~。 圖 DS18B20 驅(qū)動電路原理圖 DS18B20 的時 序 控制 由于 DS18B20 采用的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 實驗組將 FPGA 的 55引腳與 DS18B20 的單數(shù)據(jù)總線進(jìn)行對接以進(jìn)行通信。這些段分別由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 來表示。 圖 為數(shù)碼管顯示電路原理圖。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺 “ 暫留 ” 現(xiàn)象及發(fā)光二極管的 “ 余輝效應(yīng) ” ，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 圖 獨立按鍵電路原理圖 蜂蜜器 蜂鳴器主要是用于提示按鍵成功，便于使用者操作。 打 開 電 源檢 測 并 顯 示當(dāng) 前 溫 度是 否 有 按 鍵按 下 ？蜂 鳴 器 提 醒按 鍵 成 功是 否 選 擇 自動 模 式 ？按 自 動 模 式調(diào) 節(jié) 風(fēng) 扇 轉(zhuǎn)速按 手 動 模 式調(diào) 節(jié) 風(fēng) 扇 轉(zhuǎn)速顯 示 所 選 模式 或 者 檔 位是是否否 圖 程序整體流程圖 如圖，打開電源后， 溫度傳感器開始實時監(jiān)測周圍環(huán)境溫度，并通過數(shù)碼管將其顯示出來；然后不斷判斷看是否有按鍵輸入按下，若沒有繼續(xù)等待判斷，若有，則蜂鳴器進(jìn)行按鍵成功提示；然后進(jìn)一步判斷所選擇的模式，若選擇的是自動模式，則風(fēng)扇將根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行自動調(diào)速 ，并點亮相應(yīng)的檔位提示燈，若選擇的是手動模式，則根據(jù)所選擇的檔位進(jìn)行風(fēng)扇調(diào)速，并點亮相應(yīng)的檔位提示燈；最后將所選擇的模式或者檔位信息送數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 描述復(fù)雜的硬件電路，設(shè)計人員總是將復(fù)雜的功能劃分為簡單的功能，模塊是提供每個簡單功能的基本結(jié)構(gòu)。 “自底向上 ”方式是 “自頂向下 ”方式的逆過程。實際的電路元件。它具有兩個位選輸入信號、四個數(shù)據(jù)輸入，一個輸出端，在 Verilog 中可以表示為： module mux (out, select, in0, in1, in2, in3)。//具體的寄存器傳輸級代碼 endmodule。實例調(diào)用模塊時，需要將端口的連接情況按照這個模塊聲明時的順序排列。wire OUT。除此之外，還可以使用或者采用命名端口連接的方式。測試平臺還可以是另一種形式，即測試平臺并不直接連接所設(shè)計的功能模塊，而是在這個測試平臺之下，將激勵模塊和功能模塊以相同的抽象級別，通過線網(wǎng)相互連接。 Quartus II 可以在 XP、 Linux 以及 Unix 上使用，除了可以使用Tcl 腳本完成設(shè)計流程外，提供了完善的用戶圖 形界面設(shè)計方式。 此外， Quartus II 通過和 DSP Builder 工具與 Matlab/Simulink 相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)；支持 Altera 的片上可編程系統(tǒng)（ SOPC）開發(fā)，集系 統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜合性的開發(fā)平臺。 Altera Quartus II 作為一種可編程邏輯的設(shè)計環(huán)境 , 由于其強大的設(shè)計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計者的歡迎。 數(shù)碼管顯示程序 部分程序如下： always(i) begin case(i) 239。//display the [3:0] of the tempreture and choose the leftest bit end 239。 end 239。 end 239。 end default:sm_bit=839。d11。 539。b00100:get_key=839。d10。 default:get_key=get_key。 state = S0。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 軟件設(shè)計與仿真 24 end S1 : begin t_1us_clear = 0。 //up state = S2。//full speed runing else if(tm150) pwm_count=2139。 else pwm_count=(tm150)*29959。 displayb1(.sys_clk(sys_clk),.sys_rstn(sys_rstn),.intmd(temperature),.indwd(indwd),.sm_seg(out_seg),.sm_bit(out_bit))。 其主要性能特性如下： ① RTL 和門級優(yōu)化，本地編譯結(jié)構(gòu)，編譯仿真速度快，跨平臺跨版本仿真；