基于FPGA温控电风扇.doc

数字系统课程设计报告

1、申请题目：（4号宋体加粗）
n 题目，命题描述（5号宋体）
v 智能电风扇
v 本设计中的智能电风扇控制系统，是指将电风扇的电机转速作为被控制量，由FPGA分析采集到的数字温度信号，对风扇电机的转速进行调节，从而达到无须人为控制便可自动调整风力大小的效果。

2、课题背景：
n 存在问题、应用背景
电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，市场人士称，家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。其主要原因：一是风扇和空调的降温效果不同——空调有强大的制冷功能，可以快速有效地降低环境温度，但电风扇的风更温和，更加适合老人儿童和体质较弱的人使用；二是电风扇有价格优势，价格低廉而且相对省电，安装和使用都非常简单。尽管电风扇有其市场优势，但传统电风扇还是有许多地方应当进行改良的，最突出的缺点是它不能根据温度的变化适时调节风力大小，对于夜间温差大的地区，人们在夏夜使用电风扇时可能遇到这样的问题：当凌晨降温的时候电风扇依然在工作，可是人们因为熟睡而无法察觉，既浪费电资源又容易引起感冒，传统的机械定时器虽然能够控制电风扇在工作一定后关闭，但定时范围有限，且无法对温度变化灵活处理。鉴于以上方面的考虑，我们需要设计一种智能电风扇控制系统来解决这些问题。本设计的前景很广，可以在各大校园进行广泛推广，相信会获得众多大学生的欢迎，尤其是寝室未装空调的各大校园。

3、项目规划：
n 功能、指标、规模
v 传统电风扇是220V交流电供电，电机转速分为几个档位，通过人为调整电机转速达到改变风力大小的目的，亦即，每次风力改变，必然有人参与操作，这样势必带来诸多不便。
v 本设计中主要的一环是对温度传感器的设计，当然传感器对温度的变化越敏感越好。本设计中由高到低共设五个档位，当温度上升2度，电风扇自动上升一个档位；当温度下降2度，则自动下降一个档位。当档位处于最高档位时，此时温度上升档位也不会发生变化。同时设置了一个下限温度，当温度低于此下限温度时，电风扇停止工作；而当温度超过此温度时电风扇又将重新启动。
n 面板（显示）、操作、规则
本设计中通过数码管来显示测得的温度。电风扇设置有开关键、reset键和锁存键，开关键控制电机的通电状态，reset键可以使电机的档位回归为最低的档位，锁存键则是可以使电机的档位保存在当前的状态，不随温度的变化而发生变化。
n 输入、输出接口
本设计中输入为数字温度信号，输出的PWM控制波形。数字温度信号是通过温度传感器和模数转换器获得的。根据输入的数字温度信号，利用FPGA进行分析处理输出占空比可调的PWM来控制电机的转速。

4、实现方案：
n 核心问题
v 本设计中的核心问题为电机的调速控制模块和温度传感器模块。
n 解决方案
v 电机的调速控制模块：起初计划用可控硅来实现电机的调速控制，通过控制双向可控硅的导通角，使输出端电压发生改变，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节风扇的转速，实现各档位风速的无级调速。但是后来发现这样做的话整个系统就基本上不用通过FPGA来控制了，这与我们课程设计的初旨是相违背的。于是后来采用了PWM来控制电机的转速，这样不仅避免了搭建外设的麻烦，而且符合课程的设计初旨。
v 温度传感器模块：此模块尝试了两种方案，分别是DS18B20传感器和PT100铂电阻传感器。关于DS18B20传感器，其输出为9~12位的数字信号，这样就可以避免AD转化的过程，但实际上DS18B20非常的难以控制，其驱动代码非常的麻烦，最终放弃这种方案。而至于PT100铂电阻传感器，我们可以利用铂电阻的阻值与温度成正比的关系来设计外围电路，再通过AD转化来得到8位数字温度信号。

5、系统结构：
n 系统框图

n 模块功能描述
1）温度传感器模块：
本实验中采用PT100铂电阻温度传感器进行测温，铂电阻的阻值与温度成正比，可以用电桥法将传感器的阻值变化量转化为电压信号，再将电压信号通过ADC0809进行转换，从而得到8位的数字温度信号

2）温度显示模块：
根据PT100型铂热电阻分度表对温度传感器输出的8位数字信号进行译码，由于在本次设计中采用的是4位的数码管，所以将温度信号译为8位的BCD码，从而显示出当前的温度。

3）开关输入模块：
电风扇设置有开关键、reset键和锁存键，开关键控制电机的通电状态，reset键可以使电机的档位回归为最低的档位，锁存键则是可以使电机的档位保存在当前的状态，不随温度的变化而发生变化。

4）FPGA控制模块：
使用Verilog Hdl语言来实现整个电风扇的状态控制。根据开始工作时的温度来设定温度值的上下限。若温度超出了上下限，则进入相应的状态内，此时重新设定温度值的上下限。当温度低于一定的值时，则电风扇自动停止工作；而当温度高于这个值时，电风扇自动重新工作。当档位处于最高档位时，此时温度上升档位也不会发生变化。

5）电机控制模块和档位显示模块：
根据电风扇所在的状态，输出不同占空比的PWM以及档位的显示信号。档位通过数码管来显示。将输出的PWM信号经过放大处理后输入到直流电机，从而控制电机的转动。
n 模块接口标注（参数、协议）
EP1C3T144C8实验箱的输入输出的实际连线与管脚表

输入输出名称
芯片引脚号
实验箱标注
钉子线连接
clk
4
P37
TTL
dangwei[3]
5
P36
D2
dangwei[2]
31
P35
C2
dangwei[1]
32
P34
B2
dangwei[0]
33
P33
A2
reset_motor
34
P32
K1
pwn_out
35
P31
DJ
c
36
P30
K2
bcd[7]
37
P29
D1
bcd[6]
38
P28
C1
bcd[5]
39
P27
B1
bcd[4]
40
P26
A1
bcd[3]
41
P25
D0
bcd[2]
42
P24
C0
bcd[1]
47
P23
B0
bcd[0]
48
P22
A0
start
49
P21
Start
oe
50
P20
Oe
reset_ad
51
P19
K3
eco
52
P18
EOC
ale
53
P17
ALE
clk_500khz
54
P16
TTL
ad_data_in[0]
55
P15
ADC0809
ad_data_in[1]
56
P14
ADC0809
ad_data_in[2]
57
P13
ADC0809
ad_data_in[3]
58
P12
ADC0809
ad_data_in[4]
59
P11
ADC0809
ad_data_in[5]
60
P10
ADC0809
ad_data_in[6]
61
P9
ADC0809
ad_data_in[7]
62
P8
ADC0809
channel_in[0]
67
P7
ADC0809
channel_in[1]
68
P6
ADC0809
channel_in[2]
69
P5
ADC0809
channel_out[0]
70
P4
ADC0809
channel_out[1]
71
P3
ADC0809
channel_out[2]
72
P2
ADC0809

6、状态流程图：
系统工作状态流程

7、各主要模块仿真结果波形
各模块的仿真波形，详细注释输入输出功能端口

1）译码输出模块：data_in输入端是ADC0809输出的数字温度信号；bcd输出端是温度信号的BCD码，通过四位的数码管可以显示出温度值；con是FPGA控制模块里温度输入信号。

2）状态控制及输出模块：temp是温度信号输入端口，即上述模块中的con信号；reset是复位信号输入端口；c输入端是电机开关信号；clk输入端是时钟信号；dangwei是电机所处档位的输出端口；dutycycle输出端是PWM的占空比信号；pwn_out是最终的pwm输出端口。

8、课程设计总结
n 预期的目标与当前实现功能的差异详细注释
在本次设计中，总体来说，计划的功能基本上都实现了，但还是有一部分的功能没有能够实现。首先在计划中，用户可以对电风扇进行档位的设置，而我设计出来的电风扇只能从一档开始，这是与实际情况不符合的，需要改进。
其次当档位被锁存后，温度应该是继续显示的，但是我的设计中，当档位被锁存后，其温度的显示也同时锁存了，即一直显示锁存那一刻的温度值，这也是与实际情况不相符的。
n 可以进一步发挥提高的部分
可以设置两种工作模式，一种为常规模式，一种为智能模式。常规模式就是手动设置档位，让电风扇进行工作。而智能模式就是由温度来控制档位的调节。在智能工作模式下，用户同样可以随时调节档位。
n 课程设计体会
通过本次课程设计，个人感觉收获很大。首先掌握了Verilog HDL这种应用非常广泛的硬件描述语言，能够利用其来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。同时通过本次设计，个人认为做事情一定要有耐心和恒心，不能因为一两次的失败而放弃。

9、参考文献
基于FGPA的数字系统设计
数字逻辑电路设计实践