【正文】 temperature fields, for the industry and our life brings new changes. Key words FPGA ,temperature measurement and control ,VHDL ,DS18B20 III 目 錄 摘 要 ...................................................... IV Abstract .................................................... II 1 緒論 ....................................................... 1 課題的背景和意義 ....................................... 1 課題的內(nèi)容及方法 ....................................... 1 論文結(jié)構(gòu)安排 .......................................... 2 2 可編程邏輯器件 ............................................. 3 可編程邏輯器件介紹 ..................................... 3 PLD 的發(fā)展歷程 ....................................... 3 可編程邏輯器件的結(jié)構(gòu) .................................. 3 可編程邏輯器件的分類 .................................. 4 可編程邏輯器件的應(yīng)用 .................................. 5 可編程器件的前景及趨勢 ................................ 5 EDA 技術(shù) ............................................... 5 VHDL 語言 .............................................. 6 VHDL 的特點 ......................................... 6 VHDL 的設(shè)計步驟 ...................................... 6 3 系統(tǒng)及電路方案選擇 .......................................... 7 空調(diào)技術(shù)概述 .......................................... 7 方案論證與確定 ......................................... 7 方案的選擇 .......................................... 7 IV 方案論證與確定 ....................................... 8 4 硬件電路設(shè)計 ............................................... 8 硬件整體結(jié)構(gòu)及原理 ..................................... 9 高精度數(shù)字傳感器 DS18B20 ................................ 9 溫度傳感器的介紹 ..................................... 9 溫度傳感器的選擇 .................................... 10 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器介紹 ............................ 10 控制器芯片介紹 ........................................ 13 ACEX1K 器件的特點 ................................... 13 ACEX1K 功能描述 ..................................... 14 LED 顯示 電路 .......................................... 15 系統(tǒng)總電路圖 ......................................... 16 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .............................................. 17 溫度設(shè)置模塊 ......................................... 17 定時模塊 ............................................. 19 控制模塊 ............................................. 22 控制模塊下的溫度模塊 ................................. 23 控制模塊下的 FPGA 控制器模塊 ........................... 25 控制模塊整體 ....................................... 26 顯示模塊 ............................................. 28 分頻模塊 ............................................. 31 基于 FPGA 的空調(diào)控制系統(tǒng)綜合仿真 ........................ 32 V 總 結(jié) ...................................................... 34 致 謝 ...................................................... 35 參考文獻 .................................................... 36 附 錄 ...................................................... 37 1 1 緒論 課題的背景和意義 當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會，數(shù)字集成電路 本身在不斷地進行更新?lián)Q代。 PLD 的廣泛應(yīng)用，為各行業(yè)的電子系統(tǒng)設(shè)計工程師自行開發(fā)本行業(yè)專用的 ASIC 提供了技術(shù)和物質(zhì)條件。同時也使的對可編程邏輯器件的應(yīng)用研究具體形象。說到 PLD 的應(yīng)用就不得不說到 EDA 技術(shù)和 VHDL 語言，因為 PLD 的應(yīng)用是離不開 EDA 技術(shù)和 VHDL 語言的支持。 新型的 PLD 則將輸出電路做成宏單元，使用戶可以根據(jù)需要選擇各種靈活的輸出方式。這個基本電路可以用一個觸發(fā)器和一個多路開關(guān)來擴充。而重復(fù)可編程器件的優(yōu)點是可多次修改設(shè)計，特別適用與系統(tǒng)樣機的研制。 CPLD/FPGA 以其不可替代的地位以及伴隨而來的具有經(jīng)濟特征的 IP芯核產(chǎn)業(yè)的崛起，正越來越受到業(yè)內(nèi)人士的觀注。 EDA 技術(shù)就是以計算機為工具，設(shè)計者在 EDA 軟件平臺上，用硬件描述語言 HDL 完成設(shè)計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、 6 分割、綜合、優(yōu)化、布局、布線和仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。這個時代的最顯著標(biāo)志是空調(diào)成為真正意義的空氣調(diào)節(jié)器。首先通過溫度傳感器對空氣進行溫度采集，將采集的溫度信號作 A/D 轉(zhuǎn)換，使其模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后輸給單片機，再由單片機控制顯示，并比較采集的 溫度與設(shè)置的溫度是否一致，然后驅(qū)動空調(diào)機的加熱或降溫循環(huán)對空氣進行處理，從而模擬實現(xiàn)空調(diào)溫度控制單元的工作情況，本設(shè)計中采用的是 AD590 溫度傳感器，通過溫度系統(tǒng)采集電路采集相關(guān)溫度數(shù)值，再由 AD0809 組成的 A/D 轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換，最終的到數(shù)字信號，將其直接輸給單片機，然后由單片機機根據(jù)內(nèi)部程序判斷，執(zhí)行相關(guān)控制程序，驅(qū)動個單元電路的工作 [11]。 AD590 A/D 轉(zhuǎn)換 AT89S51 LED 顯示 可控硅電路 可控硅電路 風(fēng)扇 電爐 控制器 FPGA 溫度采集 溫、時設(shè)置 空調(diào)電機 LED 顯示 9 4 硬件電路設(shè)計 硬件整體結(jié)構(gòu)及原理 硬件電路主要包括電源、石英晶振、溫度傳感器、 FPGA 控制器、數(shù)碼管顯示組成。 高精度數(shù)字傳感器 DS18B20 溫度傳感器的介紹 溫度傳感器是一種以一定的精確度把被測量溫度轉(zhuǎn)換為與之有對應(yīng)關(guān)系的便于應(yīng)用的某些物理量的測量裝置。因此只要傳感器的精度滿足整個測控系統(tǒng)即可，不必選的太高。 方案二：采用集成溫度傳感器，如 DS18B20 智能溫度控制器。 DS18B20的性能特點如下： (1) 獨特的單線接口引腳進行通信； (2) 多個 DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能； (3) 無須外部器件，零待機功耗； 11 (4) 可以通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍 ~； (5) 溫度以 9或 12位數(shù)字讀出； (6) 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置； (7) 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限 定溫度（溫度報警條件）的器件； (8) 負(fù)電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。當(dāng)符號位 S=0 時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位 S=1 時，表示測得的溫度值為負(fù)值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制值。 NC 為空腳。 減法計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法記數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，減法計數(shù)器 1 的預(yù)置值將重新被裝入，減法計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行記數(shù)，如此循環(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。 （ 5）強大的 I/O 引腳：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；可編程輸出電壓的擺率控制可以減小開關(guān)噪聲。每個 LAB 代表大概 96 個可用邏輯門。它們的發(fā)光原理是一樣的，只是電源極性不同。 通過對兩種顯示方式的介紹和比較可以看出，選擇動態(tài)顯示方式才能夠滿足設(shè)計需要。 Dout：輸出設(shè)置溫度值。 RES :IN STD_LOGIC。 默認(rèn)初始值為 22℃ ELSIF CLK39。 END IF。通過KEY 鍵可以設(shè)置定時長度，每按一次可以增加 個小時。 當(dāng) sel 為“ 10”時選擇 c3。 ENC :IN STD_LOGIC。 SIGNAL C3:STD_LOGIC。EVENT AND CLK=39。C1=39。C2=39。 IF ENC=39。 END IF。 ELSE IF QE=1799 THEN QE:=0。 P_B :PROCESS(KEY) VARIABLE SEL:STD_LOGIC_VECTOR(1 DOWNTO 0)。LED=5。 END CASE。 Temperature_in：室溫信號，此接口接溫度傳感器的低 5 位。hight 跟 lowt 都為低電平的時候分別對 heat 和 cool 賦值‘ 0’和‘ 0’。 COLD :OUT STD_LOGIC)。139。039。 該模塊中的溫度模塊的時序仿真波形如圖 56所示： 圖 56 控制器的溫度模塊時序仿真波形 25 測量所得溫度信號 TEMPERTURE_IN 為 20，設(shè)置溫度信號 TEMPERTURE_D 為 24，所以 COLD輸出信號為‘ 1’；測量所得溫度信號 TEMPERTURE_IN 為 24，設(shè)置溫度信號 TEMPERTURE_D為 20，所以 HOT 輸出信號為‘ 1’。 END。COOL = 39。139。COOL = 39。 控制模塊整體 該模塊整體用 VHDL 語言描述如下： LIBRARY IEEE。 END。 THEN 27 IF EN=39。LOWT = 39。LOWT = 39。LOWT = 39。139。 IF HIGHT=39。039。 END IF。 這里以溫度顯示為例來說明，其中本文的溫度顯示數(shù)據(jù)位 0℃～ 31℃，使用其中的 32種輸入碼方式，每個驅(qū)動可同時驅(qū)動兩個數(shù)碼管。 ENTITY SHOW IS PORT(A:IN STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0)。 WHEN 00010 = B=1011011。 WHEN 00110 = B=1111101。 WHEN 01010 = B=0000000。