基于FPGA 的防脈沖干擾溫控調速直流風扇研究

潘銀松，覃海洋

(重慶大學，重慶400044)

0 引 言

市場上的風扇，檔位固定，無法根據周圍環境溫度的變化自動調節風速，不僅浪費能源，而且不利于身體健康。同時，傳統電扇往往采用交流電機，不便于調速，且功耗較高。本設計可通過溫度傳感器DS18B20 實時監測周圍溫度的變化，自動調整風速，給人更加舒適、健康的體驗，尤其適用于夜間睡眠，即能保證一個涼爽的睡眠，又可以避免因為溫度驟降風速卻沒有得到相應調節而導致感冒的問題。風扇采用直流電機，其功耗相對更低，更加經濟環保。

1 系統整體框圖

圖1 系統整體框圖

圖1 是系統的整體框圖。溫度傳感器用于檢測環境溫度;功能按鍵用于讀取用戶所選擇的工作模式;蜂鳴器用于提示按鍵成功;數碼管負責顯示當前溫度和用戶所選擇的工作模式;電機驅動用于驅動24 V 直流電機;直流電源電路用于給FPGA 和電機驅動提供電源。

2 直流電源電路

圖2 為直流電源設計電路。其原理是將220 V交流電通過兩路整流橋進行整流，并利用LM2576T－ADJ 芯片分別輸出3.3 V 和24 V 直流電壓，分別為FPGA 和直流電機提供驅動電源。其中，電阻值的選取是根據所需要的電壓值而定，電容C1，C2 分別為100 μF 和330 μF 電容用以濾除直流電源中的紋波成分，電感用于儲能并與二極管一起構成續流回路，目的是將芯片輸出的脈沖電流轉換成連續的電流，從而給負載提供穩定的電壓輸出。

圖2 直流電源電路

3 防脈沖干擾滑動平均濾波，溫度自適應100級轉速調節算法

本設計的轉速調節算法基于DS18B20 溫度傳感器，其具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高、轉換速度快等特點。它獨特的單線接口設計僅需一個端口引腳進行通訊;可通過數據線直接供電，供電電壓范圍為3.0 ～5.5 V;測溫范圍為－55℃～+125 ℃，在－10 ℃～+85 ℃范圍內精確度最高可為±0.062 5 ℃，可利用精度±0.1 ℃;最多在750 ms 內將溫度信號A/D 轉換為16 位數字信號。

為了提高控制精確度，減小誤差，在溫度調節轉速前，對采集到的溫度信號進行數字濾波。本設計中采用了防脈沖干擾平均值濾波算法，選取的溫度點數為5，這樣既可以保證濾波的精準度，又可以保證較快的數據處理速度。防脈沖干擾平均值濾波法的算法具體原理如下:對5 個溫度數據進行排序，去掉其中最大值和最小值，將剩下3 個溫度數據進行滑動平均，其運算結果作為當前時刻真實溫度。若5 個溫度數據分別為T1，T2，T3，T4，T5，其中T1，T2為前兩個時刻的真實溫度值，T3，T4，T5為當前時刻采集的三個溫度值，其中最大的溫度值若為TMAX，最小的溫度值為TMIN，那么當前濾波后的溫度T 應為:

下一次濾波計算時，用此時濾波后的溫度T 去代替公式中的溫度數據T2，用前一時刻的溫度數據T2去代替公式中的溫度數據T1，以此類推。T1，T2的初始溫度值都為0。由此可見，這種算法可以很好地消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

設計中將溫度的控制范圍設定在22. 0 ℃～32.0 ℃，小于22.0 ℃時風扇進入休眠狀態，大于32.0 ℃時風扇滿速運行，可調轉速溫度差為10.0個單位，為了進一步細化溫度變化與風扇轉速的關系，在算法中對溫度差乘以10，即溫度差變為100個單位，這樣可以將轉速與溫度變化進行一個線性擬合，若當前每分鐘轉速為v，PWM 計數器位數為8，風扇滿轉速為V，當前溫度為T，那么其對應關系:

如果采用精度達到±0.01℃的溫度傳感器，那么在此線性算法下可達到1 000 級調速的要求。

4 系統工作流程

本系統工作流程如圖3 所示。打開電源系統開始工作后，首先檢測當前環境溫度并顯示，并進入待機狀態。若按鍵被按下，顯示所選擇的檔位，檔位一顯示數字1，檔位二顯示數字2，檔位三顯示檔位3，自動模式顯示為英文字母A。手動模式根據所選擇的檔位，控制風扇的轉速;自動模式根據當前環境溫度，通過內部處理算法，實現轉速的實時控制。若檢測到的環境溫度低于22.0℃，風扇自動進入休眠狀態;當大于22℃時，風扇被喚醒;若溫度大于32.0℃，風扇全速運行。最后，返回到循環的起點，不停掃描系統當前狀態，做出相應的響應，按下停止鍵，風扇進入待機狀態。轉速控制采用PWM 脈沖調寬的方法，將對應的脈沖信號送給L298N 驅動芯片，以驅動直流電機工作。

圖3 系統工作流程圖

5 FPGA 時序仿真

在modesim 中對系統進行時序仿真，設定仿真溫度分別16.5℃，18.5℃，21.5℃，并設定為自動模式。

如圖4 所示，sys_clk 和sys_rstn 分別為系統時鐘和系統復位信號;indwd 表示所選擇的檔位，其值為a 即表示自動模式按鍵被按下;temperature 表示當前溫度變化;out_bit 與out_seg 分別表示數碼管的位選和段選，當溫度16.5℃時，其位選值為fe，fd，fb，bf，同時段選為f9，88，92，02，因為數碼管采用的是共陽動態掃描顯示，即顯示結果為a 16.5;out_contr 控制電機轉向，其值為1，即電機一直順時針轉動;led 控制LED 燈，且其為共陽電路，按下一檔亮一顆，二檔亮兩顆，三檔亮三顆，自動擋亮四顆，此時led 值為0，即表示自動擋被選中;Enable 即為輸出的PWM 信號，可見其隨著溫度的不同，其輸出波形的占空比明顯不同，并用它控制電機的轉速。此仿真的時鐘頻率為50 MHz，系統穩定性很好，滿足設計要求。

圖4 modesim 仿真時序圖

6 結 語

在傳統風扇設計的基礎上,本設計通過采用FPGA 對溫度信號進行處理,實現了環境溫度對轉速的精準控制,轉速調節平滑,讓人感到更加舒適。采用直流電機,降低了功耗,更加經濟環保。 本設計不僅僅局限于在風扇上的應用,通過相應的修改,其可以移植到其它需要溫度控制的應用中,且其可擴展性能強,未來可以在此基礎上添加其它功能模塊。

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