賽靈思FPGA DIY系列（4）：溫控風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　溫控風(fēng)扇在現(xiàn)代社會(huì)中的生產(chǎn)以及人們的日常生活中都有廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)生產(chǎn)中大型機(jī)械散熱系統(tǒng)中的風(fēng)扇、現(xiàn)在筆記本電腦上的廣泛應(yīng)用的智能CPU風(fēng)扇等。本文設(shè)計(jì)了基于XILINX FPGA溫控風(fēng)扇系統(tǒng)，采用FPGA作為控制器，利用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集元件，并根據(jù)采集到的溫度，通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)。采用熱釋電紅外傳感器，并根據(jù)檢測(cè)到的溫度與系統(tǒng)設(shè)定的溫度的比較實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)和停止，并能根溫度的變化自動(dòng)改變風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)在LED數(shù)碼管顯示檢測(cè)到的溫度與設(shè)定的溫度。

　　1 整體方案設(shè)計(jì)

　　1.1前言

　　隨著人們生活水平及科技水平的不斷提高，現(xiàn)在家用電器在款式、功能等方面日益求精，并朝著健康、安全、多功能、節(jié)能等方向發(fā)展。過(guò)去的電器不斷的顯露出其不足之處。電風(fēng)扇作為家用電器的一種，同樣存在類似的問(wèn)題。

　　現(xiàn)在電風(fēng)扇的現(xiàn)狀：大部分只有手動(dòng)調(diào)速，再加上一個(gè)定時(shí)器，功能單一。

　　存在的隱患或不足：比如說(shuō)人們常常離開(kāi)后忘記關(guān)閉電風(fēng)扇，浪費(fèi)電且不說(shuō)還容易引發(fā)火災(zāi)，長(zhǎng)時(shí)間工作還容易損壞電器。再比如說(shuō)前半夜溫度高電風(fēng)扇調(diào)的風(fēng)速較高，但到了后半夜氣溫下降，風(fēng)速不會(huì)隨著氣溫變化，容易著涼。

　　之所以會(huì)產(chǎn)生這些隱患的根本原因是：缺乏對(duì)環(huán)境的檢測(cè)。

　　如果能使電風(fēng)扇具有對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)的功能，當(dāng)房間里面沒(méi)有人時(shí)能自動(dòng)的關(guān)閉電風(fēng)扇；當(dāng)溫度下降時(shí)能自動(dòng)的減小風(fēng)速甚至關(guān)閉風(fēng)扇，這樣一來(lái)就避免了上述的不足。本次設(shè)計(jì)就是圍繞這兩點(diǎn)對(duì)現(xiàn)有電風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)。

　　1.2系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)的整體思路是：以XILINX FPGA作為控制中心，通過(guò)提取熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到的人體紅外線信息，并利用溫度傳感器DS18B20檢測(cè)環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給FPGA進(jìn)行處理，在LED數(shù)碼管上顯示當(dāng)前環(huán)境溫度值以及預(yù)設(shè)溫度值。通過(guò)獨(dú)立鍵盤輸入預(yù)設(shè)溫度值，其中預(yù)設(shè)溫度值只能為整數(shù)形式，檢測(cè)到的當(dāng)前環(huán)境溫度可精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。同時(shí)采用PWM脈寬調(diào)制方式來(lái)改變直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。并通過(guò)兩個(gè)按鍵改變預(yù)設(shè)溫度值，一個(gè)提高預(yù)設(shè)溫度，另一個(gè)降低預(yù)設(shè)溫度值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1.3方案論證

　　本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇直流電機(jī)的溫度控制，使風(fēng)扇電機(jī)能根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動(dòng)啟停及改變轉(zhuǎn)速，需要比較高的溫度變化分辨率以及穩(wěn)定可靠的換擋停機(jī)控制部件。

　　1.3.1 溫度傳感器的選擇

　　在本設(shè)計(jì)中，溫度傳感器的選擇有以下兩種方案：

　　方案一：采用熱敏電阻作為檢測(cè)溫度的核心元件，并通過(guò)運(yùn)算放大器放大，由于熱敏電阻會(huì)隨溫度變化而變化，進(jìn)而產(chǎn)生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號(hào)，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將微弱電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入FPGA處理。

　　方案二：采用數(shù)字式的集成溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測(cè)的核心元件，由其檢測(cè)并直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給FPGA進(jìn)行處理。

　　對(duì)于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測(cè)元件，有價(jià)格便宜，元件易購(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，但熱敏電阻對(duì)溫度的細(xì)微變化不太敏感，在信號(hào)采集、放大以及轉(zhuǎn)換的過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的R-T關(guān)系的非線性，其自身電阻對(duì)溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過(guò)一定電路來(lái)修正，但這不僅將使電路變得更加復(fù)雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過(guò)程中難以檢測(cè)到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。

　　對(duì)于方案二，由于數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉(zhuǎn)化等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變得很小，并且由于其檢測(cè)溫度的原理與熱敏電阻檢測(cè)的原理有著本質(zhì)的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)化成數(shù)字量直接輸出，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，又由于該溫度傳感器采用先進(jìn)的單總線技術(shù)，與FPGA的接口變得非常簡(jiǎn)潔，抗干擾能力強(qiáng)，因此該方案適用于本系統(tǒng)。

　　1.3.2 調(diào)速方式的選擇

　　方案一：采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832來(lái)控制，由FPGA根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度值輸出相應(yīng)數(shù)字量到DAC0832中，再由DAC0832產(chǎn)生相應(yīng)模擬信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而通過(guò)無(wú)級(jí)調(diào)速電路實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　方案二：采用FPGA軟件編程實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速的方法。PWM是英文Pulse Width Modulation的縮寫，它是按一定的規(guī)律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)節(jié)方式，在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，最常用的是矩形波PWM信號(hào)，在控制時(shí)需要調(diào)節(jié)PWM波得占空比。占空比是指高電平持續(xù)時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比。在控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，占空比越大，轉(zhuǎn)速就越快，若全為高電平，占空比為100%時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大 ［2］。

　　對(duì)于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流風(fēng)扇電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，速度變化靈敏，但是D/A轉(zhuǎn)換芯片的價(jià)格較高，與其溫控狀態(tài)下無(wú)級(jí)調(diào)速功能相比性價(jià)比不高。

　　對(duì)于方案二，相對(duì)于其他用硬件或者軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速而言，采用PWM 用純軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速過(guò)程，具有更大的靈活性，并可大大降低成本，能夠充分發(fā)揮FPGA的功能，對(duì)于簡(jiǎn)單速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。綜合考慮選用方案二。

　　2 各單元模塊的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要器件包括熱釋電紅外傳感器、DS18B20溫度傳感器、XILINX FPGA、LED共陰數(shù)碼管、風(fēng)扇直流電機(jī)。