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摘 要

本课题以监控农业生产大棚种植温度为背景，基于FPGA芯片以及温度传感器设计了温度测控报警系统，主要由温度传感器、FPGA芯片、报警控制模块和温度控制模块等四个部分组成。其温度传感器用来采集现场温度，并以数字信号方式传送至FPGA芯片中进行处理；FPGA芯片用来完成参数设定、阈值比较等工作，并根据数据处理结果发出温度控制信号以及报警信号，从而实现系统的温度测控与报警功能。

关键词：FPGA，温度传感器，测控，报警

Abstract: on the background of monitoring the planting temperature of agricultural production greenhouse, the temperature measurement and alarm system based on FPGA chip and temperature sensor is designed, which is mainly composed of four parts, such as temperature sensor, FPGA chip, alarm control module and temperature control module. The temperature sensor is used to collect the temperature of the field and transmits the digital signal to the FPGA chip. The FPGA chip is used to complete the parameters setting, the threshold comparison and so on. The temperature control signal and the alarm signal are sent out according to the data processing results, thus the system"s temperature measurement and alarm function can be realized.

Keywords: FPGA, temperature sensor, measurement and control,alarm system

目 录

1 绪论 3

1.1 选题背景 3

1.2 技术现状 3

2 系统关键技术概述 3

2.1 FPGA可编程逻辑器件 3

2.2 DS18B20温度传感器 4

2.3 Verilog HDL硬件描述语言 6

2.4 QuartusⅡ开发软件 6

3 系统整体设计方案 6

4 系统硬件电路设计 7

4.1 FPGA内部电路设计 7

4.2 FPGA外围电路设计 9

5 系统软件程序设计 11

5.1 程序设计流程 11

5.2 系统波形仿真 12

6 系统实际应用 12

总结与展望 13

参 考 文 献 14

致 谢 15

附 录： 16

1 绪论

1.1 选题背景

在我们生活中，温度监测的作用得到了越来越多的关注。比如，在农业大棚种植中，需要对温度进行实时监测，不同的生物适合生长的温度各有不同，当监测的温度未在最适合的温度时，需要使用温度控制器恢复最适温度，否则农业生产量将大大降低，所以温度监测在现在的生活和工作中起着不容忽视的作用。就现在而言，在温度监控技术使用方面，我们能够想到FPGA的使用相比于其他很多产品的使用更为灵活方便，所以本课题的目的是让FPGA与温度传感器结合起来，设计出更高质量的温度测控报警系统。

1.2 技术现状

设计的温度测控报警系统中，温度传感器最为关键，其发展大致经历了三个阶段：

（1）传统分立式：此种温度传感器使两个物体不受中间介质的影响相互接触后再进行温度测量。使用这种方式，我们不仅能够测得更大的温度范围而且能够获得的温度测量数据将会更为准确。

（2）模拟集成式：此种温度传感器是通过在集成芯片上进行测量温度的。这里的集成芯片是指将温度传感器集成到一个芯片中去，测量温度将会更为方便。虽然这种方式无需验证测量的温度是否为非线性，但是只能进行温度测量，没有其它功能。

（3）智能式：此种温度传感器是通过软硬件结合的方式来测量温度的，开发人员的软件开发水平越高，对开发流程越熟悉，系统智能化的程度也就越高。

2 系统关键技术概述

2.1 FPGA可编程逻辑器件

FPGA又称为现场可编程逻辑门阵列，主要由内部连线、输入输出模块和可配置逻辑模块三部分组成，可以使用硬件语言进行相应的电路设计。在FPGA内具有能够记忆的元件，设计人员可以通过这些记忆元件设计模块和完成模块的连接工作，以此来设计相应的逻辑功能。并且，设计人员可以利用可擦除可编程只读存储器（EPROM）实现在相同的FPGA上通过编写不同的代码设计不同的模块连接，由此可以使设计的电路功能有所不同，这使得FPGA芯片的使用更为方便。

FPGA设计开发一般采用两种输入方式，即HDL方式：HDL可以描述底层和顶层设计，编程人员的编写能力越强以及使用软件越熟悉，系统的设计就越完善，实现的功能就越好；图形方式：（1）状态机描述：状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成的，能够根据控制信号按照预先设定好的状态进行状态转移，所以要进行状态机描述首先就要将各个工作状态设定好，然后根据控制信号进行状态转移，然后需要将生成的语言下载到相应的器件中来实现想要的逻辑功能。在这种方式下，用来开发的软件性能越好，效率就会越高。（2）波形描述：波形描述是通过描绘输入输出的波形关系来完成设计的。在这种方式下，用来开发的软件性能越好，设计的系统性能就会越高。（3）电路原理图：电路原理图用于中小规模电路，将整体放入可编程逻辑器件内，提高芯片利用率和硬件工作速度。这种方式虽然不需要过于关注用来开发的软件性能的优越性，但不适合复杂的工作项目，因为对于复杂的工作，它的操作也会变得复杂，随之设计难度也会加大。

FPGA设计开发流程如图1所示。

(1）设计定义

（2）HDL实现

（3）功能仿真

（5）前仿真

（6）布局布线

（7）后仿真

（9）在系统测试

（4）逻辑综合

逻辑仿真器

逻辑综合器

逻辑仿真器

FPGA厂家工具

逻辑仿真器

（8）静态时序分析

图1 FPGA开发流程图

2.2 DS18B20温度传感器

课题使用了DS1B20温度传感器与FPGA芯片相结合的方式完成对温度的采集与控制。以前所采用的温度采集器件大多没有较高的可靠性而且它们所测量的温度也不够精确，连线也比较复杂，导致了使用成本变高。再者，以往所用到的温度采集器件大多以模拟信号的方式输出，人们需要把模拟信号转变为数字信号才能进一步对信号进行处理，这使得设计过程更为麻烦。而DS18B20克服了以上的缺点，虽然在使用过程中也存在些不足之处，但是容易克服，所以课题中选用DS18B20作为采集温度的器件。

2.2.1 DSl8B20的内部结构

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