賽靈思FPGA DIY系列（4）：溫控風扇系統(tǒng)的設(shè)計

　　溫控風扇在現(xiàn)代社會中的生產(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)中大型機械散熱系統(tǒng)中的風扇、現(xiàn)在筆記本電腦上的廣泛應(yīng)用的智能CPU風扇等。本文設(shè)計了基于XILINX FPGA溫控風扇系統(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，通過繼電器驅(qū)動風扇電機。采用熱釋電紅外傳感器，并根據(jù)檢測到的溫度與系統(tǒng)設(shè)定的溫度的比較實現(xiàn)風扇電機的自動啟動和停止，并能根溫度的變化自動改變風扇電機的轉(zhuǎn)速，同時在LED數(shù)碼管顯示檢測到的溫度與設(shè)定的溫度。

　　1 整體方案設(shè)計

　　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。過去的電器不斷的顯露出其不足之處。電風扇作為家用電器的一種，同樣存在類似的問題。

　　現(xiàn)在電風扇的現(xiàn)狀：大部分只有手動調(diào)速，再加上一個定時器，功能單一。

　　存在的隱患或不足：比如說人們常常離開后忘記關(guān)閉電風扇，浪費電且不說還容易引發(fā)火災(zāi)，長時間工作還容易損壞電器。再比如說前半夜溫度高電風扇調(diào)的風速較高，但到了后半夜氣溫下降，風速不會隨著氣溫變化，容易著涼。

　　之所以會產(chǎn)生這些隱患的根本原因是：缺乏對環(huán)境的檢測。

　　如果能使電風扇具有對環(huán)境進行檢測的功能，當房間里面沒有人時能自動的關(guān)閉電風扇；當溫度下降時能自動的減小風速甚至關(guān)閉風扇，這樣一來就避免了上述的不足。本次設(shè)計就是圍繞這兩點對現(xiàn)有電風扇進行改進。

　　1.2系統(tǒng)整體設(shè)計

　　本設(shè)計的整體思路是：以XILINX FPGA作為控制中心，通過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檢測環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號給FPGA進行處理，在LED數(shù)碼管上顯示當前環(huán)境溫度值以及預(yù)設(shè)溫度值。通過獨立鍵盤輸入預(yù)設(shè)溫度值，其中預(yù)設(shè)溫度值只能為整數(shù)形式，檢測到的當前環(huán)境溫度可精確到小數(shù)點后一位。同時采用PWM脈寬調(diào)制方式來改變直流風扇電機的轉(zhuǎn)速。并通過兩個按鍵改變預(yù)設(shè)溫度值，一個提高預(yù)設(shè)溫度，另一個降低預(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)計要實現(xiàn)風扇直流電機的溫度控制，使風扇電機能根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動啟停及改變轉(zhuǎn)速，需要比較高的溫度變化分辨率以及穩(wěn)定可靠的換擋停機控制部件。

　　1.3.1 溫度傳感器的選擇

　　在本設(shè)計中，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溫度的核心元件，并通過運算放大器放大，由于熱敏電阻會隨溫度變化而變化，進而產(chǎn)生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將微弱電壓變化信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入FPGA處理。

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

　　對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價格便宜，元件易購的優(yōu)點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉(zhuǎn)換的過程中還會產(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，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復(fù)雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。

　　對于方案二，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，并且由于其檢測溫度的原理與熱敏電阻檢測的原理有著本質(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，簡化了系統(tǒng)程序設(shè)計，又由于該溫度傳感器采用先進的單總線技術(shù)，與FPGA的接口變得非常簡潔，抗干擾能力強，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來控制，由FPGA根據(jù)當前環(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)模擬信號控制晶閘管的導通角，從而通過無級調(diào)速電路實現(xiàn)風扇電機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)。

　　方案二：采用FPGA軟件編程實現(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)動控制的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，最常用的是矩形波PWM信號，在控制時需要調(diào)節(jié)PWM波得占空比。占空比是指高電平持續(xù)時間在一個周期時間內(nèi)的百分比。在控制電機的轉(zhuǎn)速時，占空比越大，轉(zhuǎn)速就越快，若全為高電平，占空比為100%時，轉(zhuǎn)速達到最大 ［2］。

　　對于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)對直流風扇電機的無級調(diào)速，速度變化靈敏，但是D/A轉(zhuǎn)換芯片的價格較高，與其溫控狀態(tài)下無級調(diào)速功能相比性價比不高。

　　對于方案二，相對于其他用硬件或者軟硬件相結(jié)合的方法實現(xiàn)對電機進行調(diào)速而言，采用PWM 用純軟件的方法來實現(xiàn)調(diào)速過程，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，對于簡單速度控制系統(tǒng)的實現(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

　　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、風扇直流電機。