基于FPGA的空調硬件系統的研究

楊雪峰 李 琳

(江西應用技術職業學院，江西 贛州 41000)

基于FPGA的空調硬件系統的研究

楊雪峰 李 琳

(江西應用技術職業學院，江西 贛州 41000)

本設計以EP1K30TC144-3和DS18B20為設計平臺，實現了對溫度采集、測量、對比、處理等功能，具有很好的移植性，能應用于現今大部分溫控系統。其硬件電路簡單，成本低，應用靈活，測溫精度和轉換速度足以保證大多數測溫系統的需求，提高了溫度采集系統的可靠性和穩定性。

FPGA；溫度測控；DS18B20

1 引言

目前大多數的空調溫度控制系統都采用了以單片機作為控制器的設計，但是隨著可編程邏輯器件的發展，家用電器的控制部分也越來越多地使用可編程邏輯器件來實現。系統控制部分選用的是FPGA，溫度傳感部分選用的是高精度DS18B20傳感器。使用該傳感器采集的溫度無須經過信號放大和A/D轉換以數字信號的形式傳遞給FPGA，簡化了電路的同時也減小了測量誤差。FPGA芯片與單片機相比，具有可編程修改和強大的邏輯功能，因此以FPGA為控制器件的設計更有市場競爭力[1]。

2 硬件總體設計

2.1 硬件整體結構及原理

硬件電路主要包括晶振、電源模塊、FPGA、溫度傳感器、數碼顯示。本設計使用的FPGA芯片是Altera公司的ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3，溫度傳感器選用高精度DS18B20數字溫度傳感器。整個硬件的框圖如圖1所示。

電路原理：時鐘信號由20MHz石英晶振提供給FPGA。DS18B20將采集的溫度以數字信號直接送給FPGA，可根據需要通過按鈕設置溫度值和定時時間。FPGA控制器接收到設置和測量溫度后，比較兩個溫度值后做出判斷：（1）測量溫度大于設置溫度則FPGA發出制冷信號；（2）測量溫度小于設置溫度則FPGA發出加熱信號。執行機構接收到FPGA的信號后改變環境溫度，與此同時數碼管顯示出定時時間和設置溫度[2]。

2.2 系統總電路圖

各模塊說明：TIM：定時時長設置模塊；TEMPCONDITIONER：控制模塊；FENPIN：分頻模塊；TIAOJIE：溫度設置模塊；SHOW:測量所得溫度顯示模塊；SHOWT：設置的時長顯示模塊；SHOWDE：設置的溫度顯示模塊。系統電路如圖2所示。

圖1 整個硬件框圖

圖2 系統電路圖

3 控制器芯片介紹

本設計使用的是Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3。ACEX 1K是2000年推出的2.5V低價格的SRAM工藝的PLD。ACEX1K器件的特點：

(1)不僅具有一般功能的邏輯陣列而且還實現了宏功能的增強嵌入式陣列，提供低價的可編程單芯片系統集成，單個EAB的雙口能力可達16-bit。

(2)高密度：不僅有高達49152位內部RAM而且還有1萬到10萬個典型門。

(3)系統級特點：多電壓接口支持2.5V、3.3V和5V設備；低功耗；雙向I/O性能達到250MHz；完全支持在33MHz或66MHz下3.3V的PCI局部總線標準；內置JTAG邊界掃描測試電路；JTAG端口、配制器件、智能控制器共同實現在線重配置。

(4)靈活的內部連線：算術功能的專用進位鏈的實現；內部總線的三態模擬的實現；6個全局時鐘信號和4個全局清除信號；高速、多扇入功能的專用級聯鏈的實現；快速、可預測聯線延時的快速通道。

(5)強大的I/O引腳：可編程輸出電壓的擺率控制可減小開關噪聲；每個引腳都有一個獨立的三態輸入、勢能控制和漏極開路配置選項。

4 溫度檢測設計

4.1 溫度傳感器的選擇

按電阻的性質可以分為半導體熱電阻（稱為熱敏電阻）和金屬熱電阻（稱為熱電阻）。

方案一：選用鉑電阻Pt1000溫度傳感器。鉑熱電阻在高溫和氧化性介質中非常穩定，所以線性較好。在0OC--100OC時，最大線性偏差小于0.5OC。鉑熱電阻與溫度的關系是：Rt=Ro(1+At+Bt×t)；其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；Ro是溫度為0OC時的電阻；t為任意溫度值，A，B為溫度系數。但其成本太貴，不適合做普通設計。

方案二：選用DS18B20集成智能溫度傳感器。該傳感器是“一線器件”數字化，不僅體積小，電壓寬而且更經濟。其測量溫度范圍為-55OC——-+125OC，以“一線總線”的數字方式直接傳輸，極大地提高了系統的抗干擾性。DS18B20能設置9～12位的分辨率，把設置的溫度存儲在EEPROM，掉電后依然保存防止丟失[3]。

方案選擇：選擇方案二。理由：電路不需要A/D轉換，直連FPGA芯片，不僅簡單且穩定性、可靠性高。

4.2 DS18B20數字溫度測溫原理

DS18B20的測溫原理如圖3所示。圖中晶振（低溫度系數）的振蕩頻率幾乎不受溫度的影響，產生固定頻率的脈沖信號作為減法計數器1的脈沖輸入；晶振（高溫度系數）振蕩頻率隨溫度變化很大，產生的信號送給減法計數器2。當記數門打開時，DS18B20對晶振（低溫度系數）產生的時鐘脈沖進行記數，進而完成溫度測量。記數門的開啟時間由晶振（高溫度系數）來決定，每次測量先將-55℃所對應的基數（減法計數器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數值）分別置入減法計數器1和溫度寄存器中。

減法計數器1對晶振（低溫度系數）產生的脈沖信號減法記數，當減法計數器1的預置值減為0，溫度寄存器值加1，減法計數器1的預置值重新裝入。減法計數器1重新開始對晶振（低溫度系數）的脈沖信號記數，以此循環直到減法計數器2記數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值就是所測溫度值。只要記數門仍未關閉就重復上述過程，斜率累加器的輸出用于修正減法計數器的預置值，直到溫度寄存器值等于被測溫度值[1]。

圖3DS18B20測溫原理

5 結束語

本文采用了溫度傳感器DS18B20，Altera公司ACEX 1K系列的EP1K30TC144-3控制器。硬件主要有五大模塊：溫度檢測模塊、定時計數模塊、LED屏顯模塊、分頻輸出模塊、FPGA中央控制模塊。基本原理是FPGA采集溫度后比較其值，然后給空調電機發出指令，控制溫度的升降，當設定溫度與測量溫度相等時，不調節溫度。該課題研究將基于FPGA的控制器應用于溫控領域，提高了溫度采集系統的可靠性和穩定性。

[1]袁偉亭，周潤景．FPGA與DS18B20組成的測溫系統的設計[J]．內蒙古大學學報，2006，(4)：459-463．

[2]邊計年，薛洪熙譯．用VHDL設計電子線路[M]．北京：清華大學出版社，2000．

[3]DS18B20 Programmable Resolution 1-wire Digital Thermometer [EB/OL]．http：//www．maximic．com，2006．

Research on the Air Conditioning Hardware System Based on FPGA

Yang Xuefeng Li lin
(Jiangxi College of Applied technology,Ganzhou 41000,Jiangxi)

Using DS18B20 and EP1K30TC144-3 as the design platform,this design achieves the functions of temperature collection,measurement,comparison,processing with good portability.It can be used for most of the current temperature control system.The hardware circuit is simple,the cost is low,the application is flexible,and the temperature measurement precision and conversion speed can meet with the need of most temperature measurement system.This design improves the reliability and stability of the temperature acquisition system.

FPGA;temperature measurement and control;DS18B20

TP212.11

A

1008-6609(2015)11-0068-02

楊雪峰，男，江西廣昌人，碩士研究生，研究方向：軟件工程、網絡組建。