摘 要

本文主要研究了如何通过FPGA设计一种智能温控风扇系统，使得系统可以通过采集外界温度变化来自动调节风力大小，可以同时满足舒适和节能的功能，减少操作，实现智能化控制。本系统包括温度采集模块、FPGA数据处理模块、显示模块、驱动电路模块共四个模块，基于Quartus II平台设计软件，通过与硬件结合实现功能。具体工作流程为：首先通过测温精度为0.5℃的DS18B20温度传感器采集环境温度并将数字信号输入数据处理模块与预设温度值25℃比较，决定是否启动调速系统，根据不同温度范围（25℃～30℃、30℃～35℃、35℃以上）通过PWM调制系统输出不同占空比（25%、50%、100%）的波形，并通过L298N芯片的H桥驱动电路来驱动直流无刷电机，并在数码管上显示温度和当前转速。

关键词：现场可编程门阵列（FPGA）；温度传感器；脉冲宽度调制（PWM）；数码管；L298N

Abstract

This paper studies how to by fpga design an intelligent thermostat fan system, making the system can be collected outside temperature changes to automatically adjust the wind size, you can meet the comfort and energy-saving the features and reduce operating, intelligent control. This system including temperature collection module, fpga data processing module, display module, drive Circuit module a total of four module, based on quartus ii platform design software, through with hardware binding to achieve function. Specific workflow for: first by temperature measurement accuracy 0.5 C. ds18b20 temperature sensor collection temperature and digital signal input data processing module with default temperature 25 ℃ compare, decide whether start speed control system, according to different temperature range (25 ℃ ~ 30 ℃, 30 ℃ ~ 35 ℃, 35 ℃ above) by pwm modulation system output different duty cycle (25%, 50%, 100%) of waves shape, and by l298n chip h bridge drive Circuit to drive bldc Motor, and the led display temperature and current speed.

Keywords: Field Programmable Gate Array(FPGA); temperature sensor; Pulse Width Modulating(PWM); digital tube display；L298N

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 课题国内外研究状况 1

1.3 课题研究的主要内容 2

1.4 Quarters II简介 3

1.5 论文章节安排 3

第2章 整体方案设计 4

2.1系统整体预想思路 4

2.2 系统硬件方案 4

2.2.1 温度传感器选择 4

2.2.2 电机转速检测器件选择 5

2.2.3 电机驱动选择 5

2.2.4 电机调速方式选择 6

2.2.5 显示器件选择 6

第3章 系统硬件电路 7

3.1 DS18B20简介 7

3.2 DS18B20内部结构 7

3.3 L298N驱动电路 10

第4章 系统软件设计 12

4.1总体软件运行设计 12

4.2温度传感器工作 12

4.3 PWM电机控制设计 14

4.3.1 PWM波形的定义 14

4.3.2 PWM调制原理 14

4.3.3 电机模块工作框图 17

4.3.4 PWM脉宽调制信号产生电路描述 17

第5章 总结与展望 19

5.1 总结 19

5.2 展望 19

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着时代的发展，温控风扇必然会有广泛的使用，目前来说，在我国温控风扇应用还不够普及，大多都还是以前的手调风扇，空调作为高耗电降温方式并不是经常使用，而普通风扇却显得不太方便。温控风扇自动根据环境温度调节风力对于他们是一个很好的选择。随着社会的不断发展，新产品、新技术层出不穷，电子技术的发展更是日新月异，当今的电子产品都在向着体积最小化、功能多元化、功耗最低化的方向高速发展。与传统的电子产品相比较，现在的电子产品在设计上大量地使用了大规模可编程逻辑器件，这是两者之间显著的区别，采用可编程逻辑器件可以使产品的性能得到明显提高，缩小模块体积，节省了空间，并且功耗也得到降低。并且通过与现代计算机网络技术相结合使用，提高了产品的自动化程度和产品的竞争力，大大缩短了研发周期。而EDA技术正是为了适应现代电子技术的要求，吸收众多学科最新科技成果而形成的一门新技术。

美国ALTERA公司使用一种最先进的结构和最新的技术生产出来的可编程逻辑器件，可以配合使用最新的QUARTUS II软件开发平台，提高了性能，缩短了开发周期，极大的对电子产品的开发和设计提供了方便。EDA技术设计载体是大规模可编程逻辑器件，主要表达系统逻辑的描述方式为硬件描述语言，并且以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件作为设计工具，通过相关的开发软件平台，完成用软件的方式来设计电子系统逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑映射，编程下载等工作^[1]。最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。可以毫不夸张的说，电子技术的应用无处不在，电子技术正在不断地改变着我们的生活，改变着我们的世界。市场上的风扇,档位固定并且需要手动调节,无法根据环境温度的变化对风速做出相应改变,不仅浪费能源,而且在舒适度上也有待提高。同时,传统意义上的电风扇往往一般使用交流电机,调速方式十分单一,且只能进行手动调节，风扇的功率消耗也比较高。而包含集成温度传感器DS18B20温控风扇可以自动采集室内温度信号,并且根据温度的变化及时自动对风扇的风速做出调整,更能够保证夜间睡眠的质量,在起到降温的作用同时,又可以避免在夜间的环境温度变的太低而风扇却不能停止而导致感冒，而且温控风扇采用的是直流电机,其功耗相对来说更低,更加经济环保。

1.2 课题国内外研究状况

现代信息技术的三大基础可以大致分为三类：信息传输(通信技术)、信息采集(传感器技术)和信息处理(计算机技术)。在现代科学技术中传感器是处于信息技术前沿的尖端产品，尤其是对温度传感器而言，生活中的很多地方都需要用到温度传感器^[2]。

从上个世纪至今，温度传感器一共有三个阶段的发展：(1)传统的分立式温度传感器(如热敏电阻等)；(2)模拟集成温度传感器；(3)智能温度传感器。目前，世界上的温度传感器都在从集成化向智能化和模拟式向数字式的方向不断发展。温度传感器在当今世界上有着非常重要的地位。由温度传感器构成的温度控制系统是人类供热、取暖活动的主要设备，至今已经经过了几百年的发展，其技术已经相对来说比较成熟。在温度传感器发展期间，经历了从低级到高级、从简单到复杂的变化，并且随着生产力的不断发展，工业和生活对温度采集和温度控制精度的要求越来越严格，在这种需求下温度控制系统得到了非常迅速的发展。当前世界上主流的温度控制系统大致有以下几种：（1）基于单片机的温度控制系统；（2）基于PLC的温度控制系统；（3）基于工控机（IPC）的温度控制系统；（4）集散型温度控制系统（DCS）；（5）现场总线控制系统（FCS）等。

温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，成熟产品主要常规的PID控制器和以“点位”控制为主，这种方法只能用于一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制^[2]。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不能够完全满足需求，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但是控制参数基本上都需要靠人工现场调试来确定。当今世界温度控制系统发展非常迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得较大成果。

1.3 课题研究的主要内容

1.研究设计一款智能风扇控制系统，系统自动采集环境温度数据输入到数据中心，然后数据中心做出判断，系统随着周围温度变化自动调节风力大小，并且在环境温度下降到临界值后停止风扇，无需人为调节，但是可以人工对系统进行操作，设定固定的转速，人工操作优先于系统的自动调节。

2.该系统主要包括：FPGA数据处理模块、DS18B20温度传感器（测温范围-55℃～ 125℃）、L298N芯片构成的直流电机驱动、数码管显示、直流电机小风扇；

3.由温度传感器DS18B20（精度0.5℃）采集周围环境温度并将数字信号传给FPGA数据处理系统，通过数码管来显示实时的温度值（0℃～45℃），数据处理模块进行数据处理，在温度低于25度时停止工作，高于25度时启动，对不同的温度范围调节不同的风速，系统风速调节点分别为25℃、30℃、35℃。

整个系统大致包括:FPGA模块、温度传感器、L298N芯片构成的直流电机驱动、数码管显示和直流电机小风扇。首先由DS18B20温度传感器采集温度信号并输出数字温度信号到FPGA数据处理模块，经过FPGA模块处理后由数码管显示出当前温度，并与程序中的预设的最低温度值（25℃）进行比较，是否启动电机，若温度大于25℃，风扇启动后则通过PWM脉冲调制来调节占空比的方式（25%、50%、100%）对直流电机风扇的转速进行调节，同时通过数码管显示当前转速。通过PWM方式调节的脉冲占空比越大则直流电机的转速越快，当占空比为100%时电机转速达到最大值。当周围环境温度低于25℃后，整个风扇系统会被自动停止工作，当温度上升到25℃后系统自启。

1.4 Quarters II简介

Quartus II是Alters公司提供的EDA设计软件。是当今世界上最为先进优秀的EDA设计软件之一，这一款设计软件能为Alters公司的硬件设施提供最高的性能支持和最后的集成度，该设计软件提供了一种无关结构的软件设计环境，设计者可以很方便的进行设计输入、修改、处理及器件编程。具有开放式的界面，能方便的与其他标准的EDA设计输入、综合、校验工具相连接，设计者本身对于硬件内部的复杂结构不需要特别了解，即设计者可以使用自己最为熟悉的设计描述标准来进行设计，通过软件把这些设计转换成最终需要的格式就可以了，也不需要设计者手工优化设计，开发工具内已经引入了相关的结构知识。Quartus II允许设计者自定义宏功能模块，通过自定义模块可以充分利用已经有的设计，通过调用可以极大的减少工作量、缩短产品开发周期、提高工作效率。

Quartus II是基于项目的EDA设计平台，通过Quartus II软件进行数字电路设计的步骤大致包含新建一个项目、设计描述、设计输入、设计编译、时序功能仿真验证、逻辑器件编程、系统验证。其中前面的六个步骤可以直接在计算机上面完成，不需要实际的硬件支持。如果在设计中发现任何问题，都可以很方便的进行修改，然后在对修改后的程序重新编译，通过时序仿真，设计者可以找到设计中存在的缺陷，有针对的进行修改，极大的提高了设计产品的可靠性^[3]。

1.5 论文章节安排

在本章中介绍了关于课题的背景、意义、研究的大致内容等，做出了一个基本的概述；

接下来第2章里对设计提出一个总体的方案，对硬件比较优劣完成硬件元件的选择和软件方案，温度传感器、电机驱动、调速方式；

第3章书写关于系统硬件电路的制作，包括温度传感电路、电机的驱动电路的原理、结构；

第4章设计系统的软件电路，叙述了ds18b20的软件工作过程，如何读取数据，如何通过锯齿波发生器、计数器、比较器来实现PWM波形调制；

最后一个章节对整个系统进行总结，提出系统设计的不足之处，如何改进。

第2章 整体方案设计

2.1系统整体预想思路

本次设计的整体思路如下：使用实验箱上的FPGA集成开发板来作为整个系统的控制中心，通过DS18B20温度传感器来测量外界周围的温度，在测得温度之后，DS18B20通过中心的驱动命令可以将模拟信号转换成数字信号，然后把数字温度信号输入中心处理，并将当前的环境温度通过数码管显示出来，FPGA模块通过与预设温度的比较进行PWM脉宽调制，输出不同占空比的波形来调节直流的电机转速。系统框图如下：

图2.1 整体框图

2.2 系统硬件方案

要实现温控风扇的支柱风速调节需要系统对于环境的温度较为敏感，即温度变化分辨率比较高，这样才能及时对环境温度变化做出对应的调速措施。

2.2.1 温度传感器选择

预想方案有两种：

方案一：使用传统的热敏电阻来检测环境温度，然后通过放大电路将得到的微弱电压变化信号进行放大，再通过DAC0832芯片构成的电路进行数模转换，将模拟信号转换为数字信号输入到FPGA数据处理模块。

方案二：使用DS18B20数字式的集成温度传感器来检测周围环境温度，DS18B20可以把采集的温度信号在内部转换成输出数字信号输出给FPGA数据模块中心进行处理。

方案一中的热敏电阻作为传统的温度检测元件，具有成本低，方便购买的优点，但热敏电阻的温度变化分辨率不高和热敏电阻cunzai的R-T关系的非线性关系会导致对于细微的温度变化可能检测不到和对温度的变化存在较大误差，并且在温度信号的采集、信号放大以及转换的过程中也存在一定的误差，虽然这些误差可以通过外部电路来进行一定的修正，但这样会较大程度上加大电路的复杂程度和难度，而且实际情况中室内的温度变化并不是很快，属于较为缓慢的变化。故该方案不适合本系统。

对于方案二而言，DS18B20温度传感器经过长久以来的发展，不断地得到优化改进，将数模转换和温度测量都集中起来，大大的减小了整个模块的体积，节省了空间，不在需要多余的数模转换电路，与热敏电阻相比，DS18B20的温度变化分辨率极高，对于环境温度的微弱变化也能很好的检测到，并且将检测到的温度值在内部转换为数字信号，然后数据模块可以接受，省去了转换、放大电路，电路得到简化，DS18B20使用了非常先进的单总线技术，可以通过一根线与数据模块的对接，实现双向通信，电路连接变得非常简单，电路对外界的抗干扰能力比较强，因此该方案适用于本系统。

通过比较选择第二种方案。

2.2.2 电机转速检测器件选择

方案一：使用霍尔传感器件。霍尔传感器件是通过霍尔效应来完成磁电转换的传感器，它具有稳定性高，灵敏度高，体积小，线性度好和耐高温等特点，在测量速度的系统中应用比较广泛。但是缺点是对整个测速系统的要求比较高，需要系统具有较强的分辨能力，精度的要求比较苛刻，要非常精准，整个测速的过程时间不能太长，不然就会导致结果出现误差，但是他对硬件电路的要求也比较高。

方案二：使用光电开关GK105。光电开关也被称为光电传感器，是光电接近开关的简称，测速的原理是当光线照射时，物体会对光线遮挡，下面的开关接受不到光线，这样由同步回路选通电路，来检测物体的有无，使用GK105电路简单，而且实用，反应速度快，准确度比较高^[4]。

鉴于方案二测速性能较好，价格比较便宜，调速范围比较广，使用比较简单，因此本设计采用方案二。

2.2.3 电机驱动选择

方案一：A3972驱动模块是自动收发卡机的设计，是基于双工位(工作通道)的，所以本驱动模块内部自带电机切换电路，可以驱动分时工作的两路电机，价格昂贵。

方案二：L298N是一款目前应用较为广泛的电机驱动芯片。它的主要特点是可以承受最大工作电压比较高，不会轻易出现电压过高而让芯片坏掉，通过这个可以同时驱动两个二相的直流电机或者是驱动一个步进电机，直接给驱动的使能加上信号，通过输入端加入调制信号就可以对电机进行控制，而且电路简单，使用比较方便。

两种方案比较之下，L298N驱动模块运行可靠，取得效果较好，而且电路的电气性能和散热性能较好，此设计选用方案二的L298N驱动模块。

2.2.4 电机调速方式选择

方案一：使用DAC0832芯片来设计一个数模转换电路，当数据中心完成对信号的判断后输出一个信号到电路中，DAC0832转换电路就根据接受的信号来输出对应的电压值，电压值的变化会改变晶闸管的导通角，不同的导通角就会让电机转动周期不同，速度就发生了改变。

方案二：去掉硬件电路，改为使用软件的方式，使用脉宽信号调制，温度模块会给数据中心一个数字信号，数据中心接受以后通过判断来改变计数器的初值，不同的初值输入比较器会改变波形的下降点，不同的点就可以实现不同的占空比，在本系统中通过调节矩形波信号的占空比来调节直流电机转速。

通过方案一可以实现对直流电机的速度的控制，速度的变化也可以直接明显的看到，但是通过芯片来设计电路需要的硬件比较多，成本相对较高，相比较之下很不划算。

对于方案二，和使用芯片设计硬件模块电路相比较来说，PWM脉冲宽度调制是一种使用纯软件来控制电机的方法，并且在软件里修改参数就可以改变速度的大小，更加的方便也有更大的灵活性，因为没有硬件电路，所以减少了很大一部分的开支，并且这种控制方式实现起来比硬件方便很大，占用资源更少。

综合考虑选用方案二。

2.2.5 显示器件选择

方案一：采用数码管显示，数码管的显示比较方便，编程方式也很简单，实现起来比较容易，但是数码管显示过于单一，仅仅能显示出数据，不能达到更多的要求。

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