本科毕业论文-基于FPGA的空调控制系统设计.doc
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1、基于FPGA的空调控制系统设计作者姓名:专业名称:电子科学与技术摘 要 近几年来,随着中国科学技术的进步和人民生活水平的不断提高,各种产业在迅速开展,当然,空调业也包括其中,空调在公共场所,专用场地和普通家庭等场所都广泛应用。但是随着空调数量的增加,相应的负面问题也随之出现,耗能的日益增加已成为我国局部地区能源及电力供需矛盾的主要原因之一,当务之急必须采取有效措施降低空调的能耗。如何降低空调能耗,实现空调自动控制,利用空调改善室内温度,延长空调使用寿命已成为当前首要课题。本文介绍了空调控制器的设计,提出了一种采用现场可编程门阵列器件FPGA实现空调控制器的方法,该设计采用采用Altera公司高
2、性价比FPGA,CycloneIV 系列EP4CE6E22C8做主控制器,使用高精度的温度传感器DS18B20采集环境温度,LCD1602用于显示控制温度情况,并用按键调节控制温度和定时,LED灯模拟空调电机状态,本设计给出了用Verilog HDL语言实现高效率空调控制器的设计,最后给出了其在FPGA硬件上实现 关键词:空调控制器 FPGA CycloneIV Verilog HDL AbstractIn recent years , with the continuous improvement of scientific and technological progress and th
3、e Chinese peoples living standards , the rapid development of various industries in the course, which also includes the air-conditioning industry , air conditioners are widely used in public places , special venues and ordinary families and other places. However, with the increasing number of air-co
4、nditioning , the corresponding negative issues appeared, increasing energy consumption has become one of the energy and electricity supply and demand in some areas of the main reasons , it is imperative to take effective measures to reduce the energy consumption of air conditioning . How to reduce a
5、ir conditioning energy consumption for air conditioning automatic control , the use of air conditioning to improve the indoor temperature and prolong the life of air conditioning has become a priority issue.This paper describes the design of air conditioning controller presents a method using field
6、programmable gate array device FPGA controller for air conditioning , which is designed using Alteras high- cost FPGA, CycloneIV series EP4CE6E22C8 master controller, using high-precision temperature collecting the ambient temperature sensor DS18B20 , LCD1602 display control for temperature conditio
7、ns , with the temperature and timing adjustment control buttons , LED lights simulate air-conditioned motor state , this design gives the Verilog HDL language used to achieve high efficiency air conditioning controller design , Finally its implementation in FPGA hardware关键词:空调控制器 FPGA CycloneIV Veri
8、log HDL 温度传感器 LCD1602Keywords: air conditioning controller, FPGA, CycloneIV, Verilog HDL目录摘要IAbstractII目录III前言11 FPGA的概述21.1 FPGA的特点21.2 本设计中使用的FPGA具有的特点32 系统方案论证与确定42.1方案的选择4方案1:4方案2:52.2方案论证与确定63 硬件电路设计73.1硬件整体结构及原理73.2电源局部83.3时钟电路93.4按键电路93.5温度传感器DS18B20的特点93.6 DS18B20的测温原理103.7程序下载124.软件设计134.1顶
9、层结构框图:144.2 DS18B20的状态机框图:154.3 LCD1602的状态机框图:175 Modelsim仿真及仿真195.1 Modelsim介绍195.2 书写testbench鼓励信号205.3 时钟模块仿真205.3.1 时钟模块的鼓励信号testbench205.3.2 时钟仿真波形及分析225.4 温度数据处理及空调电机仿真235.4.1 LED模块鼓励信号testbench235.4.2 LED模块仿真结果及分析256 实际运行结果及总结266.1 配置管脚266.2 烧录程序276.3运行结果分析27致谢29参考文献30附件 程序代码31顶层模块VerilogHDL代
10、码:31DS18B20模块VerilogHDL代码:33LCD1602模块VerilogHDL代码:48clock模块VerilogHDL代码:55按键模块VerilogHDL代码:57LED模块VerilogHDL代码:59前言 本论文主要任务是设计基于FPGA的空调控制系统的设计。本课题的设计采用了温度传感器DS18B20作为前端温度采集,采用Altera公司高性价比FPGA:CycloneIV 系列EP4CE6E22C8做主控制器。控制器局部在Quartus II 平台使用VerilogHDL语言编写,主体程序采用了状态机作为主要控制方式。并使用Modelsim进行软件功能仿真,排除设计
11、错误,提高软件设计效率。硬件主要有五大模块:温度设置模块、定时模块、LCD显示模块、分频模块、FPGA控制器模块。最后实现使用FPGA比拟设置温度与测量所得温度,并发出指令给空调电机执行局部,使用LED灯模拟,根据按键设置温度实现升温或降温,当设定温度与测量温度相等时,不执行调节温度功能。另外要能根据输入数据的变化和温度传感器测量得到的温度同步变化LCD上显示。该课题的研究将有助于采用FPGA的系列产品的开发。同时可以大大缩短FPGA的开发时间。另外,由于模块的易用性,也将使得更多的采用FPGA产品应用于温控领域,为行业和我们的生活带来新的变化。1 FPGA的概述1.1 FPGA的特点FPGA
12、FieldProgrammable Gate Array,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的根底上进一步开展的产物。它是作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的缺乏,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。目前以硬件描述语言VerilogHDL或VHDL所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代 IC 设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些根本的逻辑门电路比方AND、OR、XOR、NOT或者更复杂一些的组合功能比方解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里
13、也包含记忆元件例如触发器Flipflop或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好似一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA采用了逻辑单元阵列LCALogic Cell Array这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLBConfigurable Logic Block、输出输入模块IOBInput Output Block和内部连线Interconnect三个局部。FPGA的根本特点主要有: 1 采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要
14、投片生产就能得到合用的芯片; 2 FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的试样片; 3 FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚; 4 FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一; 5 FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最正确选择之一。目前FPGA的品种很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的。因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程
15、方式。加电时,FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失。因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程不需专用的FPGA编程器,只需用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA、不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。 1.2 本设计中使用的FPGA具有的特点 (1) Altera新的CycloneIV FPGA器件系列扩展了Cyclone系列EP4CE6E22C8,本钱最低,功耗最低的FPGA。 (2) 具有
16、6272个逻辑单元LE。 (3) 50MHz时钟输入。 (4) 高达270Kbits 嵌入式存储器。 (5) 15个嵌入式18x18乘法器。 (6) 2通用PLL锁相环。 (7) 8个用户I/O块,提供91个I/0口。2 系统方案论证与确定 2.1方案的选择目前大多数的的空调温度控制系统都采用了以单片机作为控制器的设计,但是随着可编程逻辑器件的开展,家用电器的控制局部也越来越多地使用可编程逻辑器件来实现,所以下面提供了以单片机和可编程逻辑器件FPGA为核心控制器件的2个方案进行选择。方案1: 该方案采用的是AT89C51单片机为核心控制器件,用它来处理各个单元电路的工作以及检测其运行情况。首先
17、通过温度传感器对空气进行温度采集,将采集的温度信号作A/D转换,使其模拟信号转变成数字信号,然后输给单片机,再由单片机控制显示,并比拟采集的温度与设定的温度是否一致,然后驱动空调机的加热或降温循环对空气进行处理,从而模拟实现空调温度控制单元的工作情况,本设计中我们采用的是AD590温度传感器,通过温度系统采集电路采集相关温度数值,再由AD0809组成的A/D转换电路进行转换,最终的到数字信号,将其直接输给单片机,然后由单片机机根据内部程序判断,执行相关控制程序,驱动个单元电路的工作。其方框图如图2.1所示:按键输入 数码管显示ADC0809A/D转换器AT89C51 控制器 空调电机AD950
18、温度传感器图2.1方案一方案2: 该方案以FPGA为核心控制器件,采用数字温度传感器DS18B20进行温度采集,将采集到的温度数字直接以数字信号传输给FPGA控制器,控制器通过比拟采集的温度和用户设定的温度来做出发送降温还是加热的控制信号给空调机。同时通过FPGA芯片还可以实现定时和控制显示,使用LCD1602将传感器测量到的温度,设定的温度、定时时长都显示出来。其方框图如下列图2.2所示:按键输入LCD1602FPGA控制器DS18B20空调电机图 2.2 方案二2.2方案论证与确定 通过比拟两个方案,方案1采用单片机为核心控制器件,该方案的优点是容易控制,系统原理比拟简单,电路可靠,容易实
19、现控制目的。但是该方案中的温度测量电路,译码电路复杂,容易产生误差和由电路复杂而导致的设备使用寿命低等一系列问题。 方案2采用的是以FPGA为核心控制器件,同时温度传感器采用的是高精度的数字温度传感器DS18B20,通过该传感器采集的温度信息不需要经过信号放大和A/D转换直接以数字信号的形式传递给控制芯片,使得电路的连接大大的简化了,减小了电路复杂所带来的误差等问题。而且FPGA芯片所具有的可编程修改的特点以及其强大的逻辑功能都是单片机难以到达的,这样不但给设计过程中带来一系列的便利,而且在空调的功能日趋人性化和智能话的开展趋势下,以FPGA为控制器件的设计无疑更加具有市场竞争力。 所以同过上
20、面的对两个方案的比拟论证,本次设计采用方案2来实现。3 硬件电路设计3.1硬件整体结构及原理硬件电路主要包括电源电路、石英晶振、温度传感器、FPGA控制器、LCD1602显示、按键组成。本设计采用Altera公司高性价比FPGA,CycloneIV 系列EP4CE6E22C8做主控制器,温度传感器采用高精度数字温度传感器DS18B20。整个电路的工作原理是由50MHz石英晶振FPGA提供时钟信号,数字式温度传感器DS18B20将采集的温度信息以数字信号的形式直接传递给FPGA芯片,用户也可通过按钮根据需要自己设定温度值。采集温度和设定温度都送给FPGA控制器,控制器通过对两个温度值的比拟做出判
21、断,当测量温度大于设定温度时就想空调的电机发出制冷的控制信号;当测量温度小于设定温度时,那么发出一加热的控制信号 ;当两者相等时那么不制冷也不加热。通过执行机构工作状态的转换来到达改变环境温度的目的。同时,FPGA还可以对设定温度进行定时,并将定时的时间、测量温度和设定温度的值通过LCD1602显示出来。整个硬件的框图如图3.1所示:FPGA控制器DS18B20LED灯闪烁仿真空调电机机LCD1602电源管理50MHz时钟输入按键输入JTAG 下载图 3.1 硬件框图3.2电源局部 使用DC/DC电源芯片AMS1117系列的11173.3V、11172.5V、11171.2V,分别给FPGA提
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