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基于FPGA的温度控制设计.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.61M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    基于FPGA的恒温控制系统
    基于 FPGA 的恒温控制系统 孵化器是一种最新的孵化禽蛋的机器，通过人工制造适合禽蛋孵化的恒温环境，来以较 小的经济投入孵化禽蛋，通过调查，市面上的孵化器多数是以模拟电路的方式制造恒温环境, 如下图 这种模拟电路控制在实际应用中很难做到恒温控制，温度会在最终归的预设值附近上下浮 动，影响禽蛋的孵化。而且，孵化器的温度设置也是模拟电路，这样是完全达不到精准的温 度设置。通过学习 FPGA，我设想运用数字电路来对禽蛋孵化器内部温度进行控制，来实现 可控，可调，温度恒定的禽蛋孵化器。 具体的设计框架如下 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，具体的电路图如下。 前向温度采集电路图 此电路设计以 AD590 作为温度触感器，通过添加相应的调节电阻，让温度与输出 电压保持一个相对线性的关系 其中： W1R 为调零电阻 2wR 为调满度电阻 最终得到的温度与输出电压的关系式为： 100  T 5 0U 模数转换芯片采用的是 ADC0809，具体的连接电路图如下
    IN0—IN7管角中任选一路作为前向温度采集电路的输入，VCC 与 VREF 同 VREF 与 GND 接地，OUT1—OUT8数据输出端连接 FPGA，START，  时接+5V 电压， _ OE，EOC，ADDA-C 均连接 FPGA，根据 ADC0809的工作时序图，由 FPGA 给出相应 的信号控制 ADC0809。 数模转换部分采用的是 DAC0832，具体连接图如下 DI0-DI7分别于 FPGA 的8位数据输出端相连，因为 DAC0832工作在连续的负 反馈电路中，故采用直通的工作方式，将 WR1与 WR2直接与地相连，ILE 与 CS， Xfer 引脚均接至 FPGA，有 FPGA 发送控制信号来控制 DAC0832的工作。输出引脚 Iout1与 Iout2连接一个流压转换器，将输出的电流信号转换为需要的电压信号， 并进行适当的放大。最后输出到孵化器的加热电路。 FPGA 模块控制 ADC0809的工作状态，并接收来自 ADC0809的数字信号，与键 盘输入的预设信号进行比较后，将控制信息传送给 DAC0832，经由数模转换器转 换后加在发热装置两端，对整个孵化器内部温度进行控制。整个的 FPGA 模块分 为以下几个部分； 分频模块：
    由于外界的时钟源一般都较高，而 ADC0809以及键盘扫描模块需要的时钟频 率较低，故需要对外界时钟源进行分频，这里外界输入时钟源为20MHz，对其进 行64分频。波形仿真图如下： 从波形图可以看出，clk 每经过64个脉冲，clk1跳转一次。分频模块工作正常； 统计报告图如下：
    分频模块的 VHDL 文件见附录1. 键盘模块： 键盘模块的脉冲输入来自分频模块。其中，输入端口为两位二进制数，分别 接两个按键，来对预设温度进行加减调控。输出有两个端口，xianshi 端口作为 保留端口，存储着当前预设温度的数值，可外接显示设备。zhi 端口为信息传送 端口，其存储值为当前预设温度值经由采集电路温度—电压公式换算后的十进制 数值。换算公式如下： 5 0U 100  T 例：38摄氏度对应的 ADC0809输出数据为5*38*256/100/5,得到十进制值为 97； 波形仿真图如下：
    图（1） 图（2） 图中，shuru（1）为温度减按键，shuru（0）为温度加按键，相应的预设温 度对应相应的 ADC0809输出值，由图2得，当预设温度为38摄氏度时，对应换算 后的 ADC0809输出数据为97，与计算相符。键盘输入模块工作正常。 统计报告图如下：
    键盘模块的 VHDL 文件见附录2. ADC0809控制模块： 经查阅资料，DAC0832需采用直通式，故，将 DAC0832的控制语句直接写在 了 ADC0809的控制语句块内。ile 为输出到 ADC0832的输入锁存允许信号，cont 为 ADC0832WR1,WR2,CS 等引脚。Wendu 为预设温度的输入引脚。din 为 ADC0809 转换后的输出信号，dout 为受 FPGA 控制的输出到 DAC0832的控制信号。clk8为 来自为频器的时钟信号。 根据 ADC0809的时序图，总结出相应的状态转移图，一次来编写控制 ADC0809的 VHDL 语 言 文 件 ， 状 态 转 移 图 如 下 ：
    具体波形仿真图如下： 波形仿真建立在预设温度为38摄氏度的条件下。前面提到，38摄氏度对应的 ADC0809输出值为97，VHDL 程序中设定，当 ADC0809输入值大于或等于97时（当 前温度大于或等于预设温度），FPGA 输出到 DAC0832的控制信号为0，即停止加热。 当 ADC0809输入值小于92（即36摄氏度，与设定温度相差大于两度）时，FPGA 输出到 DAC0832的控制信号为255，即以最大功率加热。当 ADC0809输入值小于92 时，将会细分为5个阶段，即以逐次递减的功率加热。由图可知，ADC0809工作正 常。 统计报告图如下：
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