基于FPGA的智能温度控制系统设计

湖南文理学院课程设计报告课程名称：通信系统课程设计专业班级：通信1101班学号（06位）学生姓名：指导教师：戴正科完成时间：2014年11月21日报告成绩：评阅意见：评阅教师日期2014.11.21基于FPGA的智能温度控制的设计目录1.设计题目...............................................................12.设计要求...............................................................13.设计作用与目的.........................................................14.所用设备（仪器）和软件.................................................25.系统设计方案...........................................................25.1系统总体设计.....................................................25.2工作原理.........................................................35.2.1温度控制系统特性研究........................................36.智能温度控制器系统硬件设计.............................................46.1系统方案设计.....................................................46.1.1FPGA与DAC0832结合的目的...................................46.1.2系统需求分析................................................46.1.3系统需求分析................................................56.2系统结构..........................................................66.2.1调试/配置电路...............................................67.智能温度控制系统软件设计...............................................87.1软件总体设计.....................................................87.1.1设定定义....................................................87.1.2VHDL实现...................................................87.2软件程序设计.....................................................97.2.1分频模块....................................................97.2.2键盘模块...................................................107.2.3ADC0809控制模块...........................................127.2.4三模块连接在一块...........................................137.3本章小结........................................................158.实验调试结果..........................................................158.1实验条件........................................................158.2实验结果及分析..................................................158.3本章小结........................................................179.设计中的问题及解决方法................................................1810.设计心得.............................................................1811.参考文献.............................................................1812.附录.................................................................1811.设计题目基于FPGA的智能温度控制的设计2.设计要求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，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。3.设计作用与目的在空间生命科学试验中，生命培养模拟地面环境要求，主要研究宇空间因素，如失重、宇宙辐射、真空、高温（或低温）等对生命过程的影响。其中温度对空间生命的生存有直接作用，是空间生物学研究的主要对象。同时由于空间、体积、电功率的限制，对电功率加热器和控制电路方面尽量做到节能、低功耗、小体积。假设模拟地面培养箱内的温度在18℃。这样对控制精度和芯片必须有更高的要求。传统的温度控制方法以设定为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控，低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。对于空间生命科学的温度控制，这样的控制过程远远达不到控制要求。FPGA是通过硬件语言描述实现并行计算机功能的硬件电路。应用FPGA实现PID控制可以提高PID运算的速度，避免了用单片机实现PID控制按顺序执行命令对运行速度延时性，非线性的影响。同时FPGA实现的PID控制的内在电路可以根据现实需要进行修改，提高了系统的灵活性。采用智能PID控制温度则具有测量控制精度高、成本低、体积小、功耗低的优点。将传统的电路温度控制用芯片取代，因此利用FPGA实现PID的智能温度控制具有深远的意义24.所用设备（仪器）和软件整个系统的主芯片采用PFGA即现场可编程门阵列，FPGA在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并且有可编程的内部连线连接功能块实现的一定的逻辑功能。FPGA由掩膜可编程门阵列可编程逻辑器件演变而来，它具有门阵列的高逻辑密度和通用性，还具有用户可编程的特性。利用功率继电器的通断作为自动开关，控制设定值与控制输入量的关系，通过串口模块和上位机进行通讯，进一步实现在用户操作界面上进行在线修改，时间采样、图形显示、数据保存等功能5.系统设计方案5.1系统总体设计近百年来，温度传感器的发展大致经历以下三个阶段：第一阶段是传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；第二个阶段是模拟集成的温度传感器/控制器；第三个阶段是智能温度传感器。在近几年中，国际上的许多国家已经研发出关于智能温度控制器的系列产品。智能温度控制器具有可以输出温度控制量以及与温度数据相关的，适配各种微型控制器特点；并且它是在硬件的基础上通过软件实现测试控制功能的，其智能化程度取决于软件的开发水平。智能温度传感器最大的有点就是能对现场测量到温度值进行数据处理和传输，并与上位机进行数据通信。二十世纪九十年代中期智能温度控制器问世了，智能温度控制器是在微电子技术与计算机技术还有自动测试技术的结合产物。二十一世纪以后，智能温度传感器正朝着精度高、功能强、标准化总线、安全性、可靠性、进一步开发虚拟网络温度控制器、研制温度测量还有温度控制系统，这些高科技的方向迅速发展。1.改善低精度和低分辨率过去生产的智能温度传感器存在着精度低和分辨力差的缺点，并且均采用最常用的8位数模转化器。现在很多智能温度的厂家都针对提升精度和提高分辨力方面做足了工作，分辨力达到了0.5～0.0625℃，测温精度达到±0.5℃，数模转换器也从8位扩展到了9到12位。很多国外的公司在现有成就的基础上，又生产出不需要数模转换的，13位二进制3数据传输精度为±0.2℃、分辨力最高可达到0.03125℃的智能温度传感器。2.增加多通道功能为了给研制和开发多路温度测量控制系统提供良好条件，许多智能温度传感器正从单通道向多通道发展，同时新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强，还在芯片中增加存储功能。3.总线技术的标准化和规范化总线技术实现标准化和规范化，例如：一线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线等总线方式。4.安全性和可靠性5.2工作原理5.2.1温度控制系统特性研究工程生产中，模拟的建立应该尽量简化，我们将温度控制中的各个参数当作置于温度有关的函数来处理。热量的传播方向总是从高温物体传向低温物体，就算在同一个问题内部进行热传导，也是从高温部分传向低温部分。电热杯加热系统中，主要是通过电热丝产生即通过气体的相互碰撞产生热量进行热传递。温度在传递过程中一定存在时间延时，这个延时时间可能是由于体积的大小产生的。电热杯的传递函数写成式5-1其中参数K：系统的放大系数、T：时间、t延迟时间、s：复变量。1.放大系数K放大系数K，是被控制对象再次达到平衡状态时，变化输出量和变量输入量的比值。在输入变化作用相同的情况下，K值越大，变化输出量就越大，被控对象的自身稳定性也会越差；相反，K值越小，被控对象的自身稳定性就越好。2.时间常数T时间常数T，是指被控对象输入影响后，输出变量达到新稳态值的快慢。时间常数T，决定动态过程的时间快慢，是被控制对象的动态特性参数。3.延迟时间t滞后时间t是描述这种现象的动态参数。46.智能温度控制器系统硬件设计6.1系统方案设计6.1.1FPGA与DAC0832结合的目的温度，是一种具有惯性大、滞后性大、非线性和时变性强等等特点，因此传统的控制方法想达到很高的控制要求使很难实现的。在控制过程中，在温度不断变化的过程中，环境在不断的变化，同时随着加热和降温，加热器件的特性也会变化，这些都是导致温度时变的原因；温度升高外界环境对加热系统吸收热量的程度不同，直接导致了温度的非线性变化。但是随着科学创新，工业发展的强烈需求，各行各业对温度控制的适应性、精度、稳定性方面都提出了更高层次的要求，同时使温度控制进入了智能化的阶段。DAC0832温度传感器是数字型的温度传感器。在温度采集时，不需要通过模数转换器对温度值进行转换，而且在使用时不需要温度标准，就可以直接连接到电路中，因此为硬件电路搭建提供了很大的方便，可以使硬件电路结构简化。同时，DAC0832温度传感器还具有速度快，精度高，成本低的有点。FPGA有丰富的I/O引脚和触发器的资源，同时还具有动态重构、可反复编程的特点，并且可以利用计算机对器件进行功能仿真。仿真过程中如果出现问题，可以及时调整设计方案，极大的提高了FPGA的灵活性和通用性。FPGA还具有体积小、集成度高、结构标准化、可移植性好和并行运算的有点。如果将FPGA和DAC0832结合，利用FPGA控制器实现