基于FPGA的空调控制系统设计.docx
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基于FPGA的空调控制系统设计
基于FPGA的空调控制系统设计
摘要
近儿年来，随着中国科学技术的进步和人民生活水平的不断提高，各种产业在迅速发展，当然，空调业也包括其中，空调在公共场所，专用场地和普通家庭等场所都广泛应用。
但是随着空调数量的增加，相应的负面问题也随之出现，耗能的日益增加已成为我国部分地区能源及电力供需矛盾的主要原因之一，当务之急必须釆取有效措施降低空调的能耗。
如何降低空调能耗，实现空调自动控制，利用空调改善室内温度，延长空调使用寿命已成为当前首要课题。
本文介绍了空调控制器的设计，提出了一种釆用现场可编程门阵列器件FPGA实现空调控制器的方法，该设讣采用釆用Altera公司高性价比FPGA,CyclonelV系列EP4CE6E22C8做主控制器，使用高精度的温度传感器DS18B20釆集环境温度，LCD1602用于显示控制温度情况，并用按键调节控制温度和定时，LED灯模拟空调电机状态，本设计给出了用VerilogHDL语言实现高效率空调控制器的设计，最后给出了其在FPGA硬件上实现关键词：
空调控制器FPGACyclonelVVerilogHDL
Abstract
Inrecentyears,withthecontinuousimprovementofscientificandtechnologicalprogressandtheChinesepeople'slivingstandards,therapiddevelopmentofvariousindustriesinthecourse,whichalsoincludestheair-conditioningindustry,airconditionersarewidelyusedinpublicplaces,specialvenuesandordinaryfamiliesandotherplaces・However,withtheincreasingnumberofair-conditioning,thecorrespondingnegativeissuesappeared,increasingenergyconsumptionhasbecomeoneoftheenergyandelectricitysupplyanddemandinsomeareasofthemainreasons,itisimperativetotakeeffectivemeasurestoreducetheenergyconsumptionofairconditioning・Howtoreduceairconditioningenergyconsumptionforairconditioningautomaticcontrol,theuseofairconditioningtoimprovetheindoortemperatureandprolongthelifeofairconditioninghasbecomeapriorityissue.
ThispaperdescribesthedesignofairconditioningcontrollerpresentsamethodusingfieldprogrammablegatearraydeviceFPGAcontrollerforairconditioning,whichisdesignedusingAlterashigh-costFPGA,CyclonelVseriesEP4CE6E22C8mastercontroller,usinghigh-precisiontemperaturecollectingtheambienttemperaturesensorDS18B20,LCD1602displaycontrolfortemperatureconditions,withthetemperatureandtimingadjustmentcontrolbuttons,LEDlightssimulateair-conditionedmotorstate,thisdesigngivestheVerilogHDLlanguageusedtoachievehighefficiencyairconditioningcontrollerdesign,FinallyitsimplementationinFPGAhardware
Keywords：
airconditioningcontroller,FPGA,CyclonelV,Verilog
HDL
摘要
Abstract1
目录HI
前言1
1FPGA的概述2
1」FPGA的特点2
1.2本设计中使用的FPGA具有的特点3
2系统方案论证与确定4
2.1方案的选择4
方案1：
4
方案厶5
2.2方案论证与确定6
3硬件电路设计7
3.1硬件整体结构及原理7
3.2电源部分8
3.3时钟电路8
3.4按键电路9
3.5温度传感器DS18B20的特点9
3.6DS18B20的测温原理10
3.7程序下载11
4.软件设计13
4.1顶层结构框图：
14
4.2DS18B20的状态机框图:
15
4.3LCD1602的状态机框图：
17
5ModeIsim仿真及仿真19
5.1Modelsim介绍19
5.2书写testbench激励信号20
5.3时钟模块仿真20
5.3.1时钟模块的激励信号testbench20
5.3.2时钟仿真波形及分析22
5.4温度数据处理及空调电机仿真23
5.4.1LED模块激励信号testbench23
5.4.2LED模块仿真结果及分析25
6实际运行结果及总结26
6」配置管脚26
6.2烧录程序26
6.3运行结果分析27
致谢29
参考文献30
附件程序代码31
顶层模块VerilogHDL代码：
31
DS18B20模块VerilogHDL代码:
33
LCD1602模块VerilogHDL代码：
48
clock模块VerilogHDL代码：
55
按键模块VerilogHDL代码：
57
LED模块VerilogHDL代码：
59
刖旨
本论文主要任务是设计基于FPGA的空调控制系统的设汁。
本课题的设计釆用了温度传感器DS18B20作为前端温度采集，采
用Altera公司高性价比FPGA：
CyclonelV系列EP4CE6E22C8
做主控制器。
控制器部分在Quart”II平台使用VerilogHDL语言
编写，主体程序采用了状态机作为主要控制方式。
并使用
Modelsim进行软件功能仿真，排除设讣错误，提高软件设讣效率。
硬件主要有五大模块：
温度设置模块、定时模块、LCD显示模块、分频模块、FPGA控制器模块。
最后实现使用FPGA比较设置温度与测量所得温度，并发出指令给空调电机执行部分，使用LED灯模拟，根据按键设置温度实现升温或降温，当设定温度与测量温度相等时，不执行调节温度功能。
另外要能根据输入数据的变化和温度传感器测量得到的温度同步变化LCD上显示。
该课题的研究将有助于釆用FPGA的系列产品的开发。
同时可以大大缩短FPGA的开发时间。
另外，由于模块的易用性，也将使得更多的釆用FPGA产品应用于温控领域，为行业和我们的生活带来新的变化。
1FPGA的概述
1.1FPGA的特点
FPGA（Field—ProgrammableGateArray）,即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而岀现的，既解决了定制电路的不足，乂克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点川前以硬件描述语W（VerilogHDL或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。
这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。
在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip-flop）或者其他更加完整的记忆块。
系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。
一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。
FPGA的基本特点主要有：
（1）釆用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片；
（2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的试样片；
（3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚：
（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；
（5）FPGA采用高速CHMOST艺，功耗低，可以与CMOS、
TTL电平兼容。
可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最佳选择之一。
LI前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
FPGA是山存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的。
因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。
加电时，FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。
掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失。
因此，FPGA能够反复使用。
FPGA的编程不需专用的FPGA编程器，只需用通用的EPROM>PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。
这样，同一片FPGA、不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。
因此，FPGA的使用非常灵活。
1.2本设计中使用的FPGA具有的特点
（1）Altera新的Cyclone®IVFPGA器件系列扩展了Cyclone系列EP4CE6E22C8,成本最低，功耗最低的FPGA。
（2）具有6272个逻辑单元（LE）。
（3）50MHz时钟输入。
（4）高达270Kbits嵌入式存储器。
（5）15个嵌入式18x18乘法器。
（6）2通用PLL锁相环。
（7）8个用户I/O块，提供91个I/O口。
2系统方案论证与确定
2.1方案的选择
U前大多数的的空调温度控制系统都采用了以单片机作为控制器的设汁，但是随着可编程逻辑器件的发展，家用电器的控制部分也越来越多地使用可编程逻辑器件来实现，所以下面提供了以单片机和可编程逻辑器件（FPGA）为核心控制器件的2个方案进行选择。
方案1：
该方案采
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