隨著當(dāng)前工業(yè)控制自動化日益普及,對于工作環(huán)境中的溫度控制也越來越重要,。本設(shè)計(jì)即是針對某些需要持續(xù)恒溫的特殊環(huán)境而設(shè)計(jì)的自動溫度采集控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)采用FPGA作為硬件核心部分,,有效地利用FPGA在可編程門陣列方面的優(yōu)點(diǎn),,最大限度的使硬件電路軟件化,,減少了可視硬件的規(guī)模,,降低了硬件加工,、布線以及元器件采購方面的成本與復(fù)雜性,從而降低了故障排查方面的繁雜性,。使硬件電路簡潔,,降低了整體占用的空間。相對于其他的溫度控制系統(tǒng),,具有小巧,,維護(hù)維修方便的優(yōu)點(diǎn),大大的提高了可維護(hù)性,,同時(shí)由于采用的元器件都比較常見,,整體成本較低。因此很適用于一些小規(guī)模同時(shí)對溫度精度要求不高的場合,。
1 系統(tǒng)工作原理
通過傳感器實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境溫度的采集,,并將采集到的溫度信號傳送給FPGA芯片,F(xiàn)PGA芯片能夠自主地對采集的溫度信號進(jìn)行處理,,并能通過LED顯示當(dāng)前溫度,,同時(shí)自動將采集到的溫度信號與預(yù)設(shè)的溫度進(jìn)行比較得出正確的比較結(jié)果,通過I/O端口輸出控制外圍設(shè)備對環(huán)境溫度進(jìn)行控制,,從而達(dá)到實(shí)時(shí)溫度控制的目的,。本設(shè)計(jì)中主要有溫度采集模塊、FPGA芯片模塊,、LED數(shù)字顯示模塊三部分,,系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
通過FPGA編程來實(shí)現(xiàn)對溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集,,并且實(shí)時(shí)地處理采集到的數(shù)據(jù),,將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼通過8段LED數(shù)碼管顯示出此前的溫度。與此同時(shí),,采集到的數(shù)據(jù)將會與存儲在芯片里的溫度預(yù)設(shè)值比較,,并自動產(chǎn)生比較結(jié)果,控制外圍設(shè)備對被測空間的溫度實(shí)施調(diào)節(jié)控制,,從而達(dá)到恒溫的目的,,溫度傳感器采集出的溫度數(shù)據(jù)通過二進(jìn)制數(shù)組片選選擇數(shù)據(jù)通過LED顯示,選擇的數(shù)據(jù)再與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較,,溫度過高降溫處理,、溫度過低則升溫處理。
2 主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)
控制模塊如圖2所示,,其中兩個PNP三極管的作用是在P1輸出控制信號時(shí)起到開關(guān)作用,,根據(jù)圖中的三極管接法,當(dāng)輸出控制信號為低電平時(shí),,三極管通導(dǎo),,此時(shí)P2繼電器中有電流通過,使其3和6引腳接通,。設(shè)計(jì)中由于采用的三極管對電流的要求較高,,而又由于繼電器內(nèi)部可以認(rèn)為相當(dāng)于是一個電感,因此在繼電器剛剛上電的時(shí)刻,,三極管發(fā)射極和集電極電流將會很大,,很容易將三極管燒毀,,因此加裝穩(wěn)壓二極管D2,使繼電器上電工作的時(shí)刻,,瞬間電流通過二極管回路而不是通過三極管,,就可以有效保護(hù)三極管不被燒毀。
外部輸出信號為低電平時(shí),,p2回路導(dǎo)通,,引腳6與引腳3有電流,p3導(dǎo)通開始工作,,當(dāng)溫度過低時(shí),,燈泡點(diǎn)亮;當(dāng)溫度過高時(shí),風(fēng)扇工作,。從而實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)控制,。
3 軟件設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果
本設(shè)計(jì)中采用FPGA芯片作為核心控制部分。在本設(shè)計(jì)中軟件模塊主要包括溫度傳感器控制及數(shù)據(jù)接收模塊,,溫度數(shù)據(jù)處理模塊,,溫度顯示模塊。
3.1 溫度數(shù)據(jù)處理模塊
傳感器數(shù)據(jù)處理模塊tempture的頂層電路圖如圖3所示,,它的作用主要是將12位二進(jìn)制的溫度信號轉(zhuǎn)換為用BCD碼表示的3位十進(jìn)制數(shù),,輸入的12位溫度信號中其中的高8位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為2組4位的BCD碼,例如輸入二進(jìn)制碼為“00010110”,,代表十進(jìn)制數(shù)為“22”,,輸出 BCD碼為“00100010”對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)個位、十位均為“2”和“2”;然后將剩余的低4位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為4位BCD碼,,如輸入二進(jìn)制碼為 “1110”,,代表10進(jìn)制數(shù)小數(shù)為“0.875”,若只取一位小數(shù)位,,則取“8”,,其BCD碼可表示為“1000”。通過三個輸出端口分別輸出十位,、個位和小數(shù)位,。
對溫度數(shù)據(jù)處理模塊tempture-進(jìn)行仿真測試。假定預(yù)設(shè)置輸入溫度二進(jìn)制的代碼為“000101111011”,,則其對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)應(yīng)為:“23.6”,。仿真結(jié)果如圖4所示。
根據(jù)頂層原理圖,,a[3. ,。 0]輸出為溫度數(shù)值的十位數(shù),b[3..0]輸出為溫度數(shù)值的個位數(shù),c[3..0]輸出為溫度數(shù)值的小數(shù)位,。則仿真圖中,,shi、fen,、ge三位輸出的數(shù)字分別為“2”,、“3”,、“6”,,仿真結(jié)果與預(yù)測轉(zhuǎn)換結(jié)果一致。
3.2 溫度顯示模塊
設(shè)計(jì)采用了4個8段式的LED數(shù)碼管可以動態(tài)顯示溫度的百位,、十位,、個位與分位。下圖為溫度顯示模塊的頂層電路,,由圖可知,,模塊由片選模塊、譯碼轉(zhuǎn)換模塊與計(jì)數(shù)器三者組成,。片選模塊主要由一個二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和四選一電路組成,。
當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),先將二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在clk控制下依次連續(xù)產(chǎn)生4個兩位二進(jìn)制數(shù)組,,來控制片選模塊選擇性的輸出shi[3..0],、ge[3..0]、fen[3. ,。 0],、bai[3. 。 0]四路輸入信號中任意的一路,。將選出的這一路輸入信號交給譯碼轉(zhuǎn)換模塊,,利用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的連續(xù)二進(jìn)制數(shù)組,可以控制譯碼器依次輸出對應(yīng)的4位二進(jìn)制數(shù)組來依次點(diǎn)亮各個LED數(shù)碼管,。最后,,可以在LED上顯示出數(shù)字,讀取結(jié)果,。
對溫度顯示模塊display進(jìn)行軟件仿真測試,,設(shè)置輸入shi[3..0]、fen[3..0],、ge[3..0]分別是“0100”,、“0011”、“0010”,,則其對應(yīng)10進(jìn)制數(shù)應(yīng)為“43.2”,。仿真結(jié)果如圖6所示。
由仿真示意圖可看出,片選信號由時(shí)鐘信號控制循環(huán)變化,,而對應(yīng)輸出的ledout端也依次輸出shi,,fen,ge,,bai四個端口輸入的數(shù)據(jù),,且輸出的是8位LED數(shù)碼管顯示碼,從圖中可以讀出,,當(dāng)片選信號為“0111”時(shí),,對應(yīng)的輸出信號ledout為“11000000”,即表示在數(shù)碼管上的顯示為 0,,小數(shù)點(diǎn)不亮,,表示百位為0;當(dāng)片選信號為“1011”時(shí),對應(yīng)的輸出信號ledout為“10011001”,,在數(shù)碼管上的顯示為4,,小數(shù)點(diǎn)不亮,表示十位為4;當(dāng)片選信號為“1101”時(shí),,對應(yīng)輸出ledout為“10110000”,,在數(shù)碼管上的顯示即為3,表示個位為3;當(dāng)片選信號為 “1110”時(shí),,對應(yīng)輸出ledout為“00100100”,,在數(shù)碼管上的顯示即為2,小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)亮,,表示小數(shù)位為2,。動態(tài)掃描后可知,數(shù)碼管上顯示的內(nèi)容即為“043.2”,。與輸入的數(shù)據(jù)相同,,說明程序編寫正確,系統(tǒng)運(yùn)用良好,。
4 測試數(shù)據(jù)
由表1數(shù)據(jù)顯示,,LED數(shù)碼管上顯示的溫度與實(shí)際測量的溫度,從表中可以得出,,兩者近似相等,,誤差在0%~0.58%之間,是可以接受的誤差范圍,。表2是指設(shè)定了所需溫度,,記錄溫度變化的過程與實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的時(shí)間。例如第一次中,,我們設(shè)定的溫度為20℃,,開始LED上顯示的溫度值為17.5℃,最后經(jīng)過自動控制系統(tǒng)溫度升高到20.2℃,這一過程共用時(shí)30分鐘,。誤差也是存在的,,誤差在1%左右,也是可以接受的范圍,。
5 結(jié)束語
從測試結(jié)果上看,,設(shè)計(jì)的主要目的已經(jīng)達(dá)到,系統(tǒng)運(yùn)行可靠,,精度也已達(dá)到設(shè)計(jì)要求,。但設(shè)計(jì)中仍存在一定缺陷,主要缺陷在于本設(shè)計(jì)中所使用的預(yù)設(shè)溫度是固化在程序中,,一旦系統(tǒng)開始工作,,就不能再更改預(yù)設(shè)的溫度,因此本系統(tǒng)比較適用于不會經(jīng)常變更設(shè)置溫度的場合,。變更設(shè)置溫度的場合。