基于FPGA高性能温控调速风扇系统设计.docx

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基于FPGA高性能温控调速风扇系统设计

重庆大学本科学生毕业设计（论文）

基于FPGA高性能温控调速风扇系统设计

学生：

李尧

学号：

20113329

指导教师：

潘银松

助理指导老师：

覃海洋

专业：

光电信息工程

重庆大学光电工程学院

二O一五年六月

GraduationDesign（Thesis）ofChongqingUniversity

BasedonFPGAHighPerformanceFanDesignofTemperatureControlSystem

Undergraduate:

Liyao

Supervisor:

Prof.Panyinsong

AssistantSupervisor:

Qinhaiyang

Major:

OptoelectronicInformationEngineering

CollegeofOptoelectronicEngineering

ChongqingUniversity

June2015

摘要

温控风扇在现代社会中的生产以及人们的日常生活中都有广泛的应用，如工业生产中大型机械散热系统中的风扇、现在笔记本电脑上广泛应用的智能CPU风扇等。

在现阶段，温控风扇的设计已经有了一定的成效，可以使风扇根据环境温度的变化进行自动调速，当温度升高到一定时能自动启动风扇，当温度降到一定时能自动停止风扇的转动，实现智能控制。

随着FPGA在各个领域的广泛应用，许多用FPGA做控制核心的温度控制系统也应运而生。

它使风扇根据环境温度的变化实现自动启停，使风扇转速随着环境温度的变化而变化，实现了风扇的智能调控。

本设计采用ALTER公司Cyclone-VFPGA作为控制器，利用温度传感器DS18B20作为温度采集元件，并根据采集到的温度，经过高精度的调速算法，最终将用于调速的PWM脉冲信号传递给L298N电机驱动芯片以驱动并控制直流电机的转速。

采用矩阵键盘作为控制系统的输入，可选择手动模式和自动模式，以及进行档位选择。

手动模式下，可以人为选择风扇的档位与转速；自动模式下，根据温度的变化自动改变风扇电机的转速，同时在LED数码管显示当前的温度、所选的工作模式和档位。

蜂鸣器用于提示按键成功，LED灯用于档位提示并方便使用者夜间操作。

为了让风扇能够直接由220V直接供电，文中对电源进行了单独的设计，让其更具有使用价值。

关键词：

FPGA，温度控制，直流电机，PWM调速，电源设计

Abstract

Thefancontrolledbytemperatureiswidelyusedinmodernsocietyproductionsandpeople’sdailylife,suchasthefanoflarge-scaleindustrialproductionofmechanicalcoolingsystemandtheCPUfanofthenotebookcomputerwhicharenowwidelyused.Atpresent,thedesignoftemperaturecontrolfanhaveacertaineffect,whichcanmakethefanspeedautomaticallychangeaccordingtotheenvironmenttemperature.whenthetemperaturerisestoacertainone,itcanautomaticallystartthefan,whenthetemperaturedropstoacertainone,itcanautomaticallystoptherotationofthefan,whichachievestheintelligentlycontrolofthefan.AsFPGAiswidelyusedinvariousfields,manytemperaturecontrolsystemsbasedonFPGAalsoemergeasthetimesrequire.Itmakesthefanaccordingtothechangeofenvironmenttemperaturerealizetheautomaticstartingandstoppingandthefanspeedvarieswiththetemperatureoftheenvironment,whichrealizestheintelligentcontrolofthefan.ThisdesignusesALTERCyclone-VFPGAasthecontroller,usingthetemperaturesensorDS18B20asthetemperatureacquisitiondevice,andthecollectedtemperaturethroughthespeedcontrolalgorithmwithhighprecisionwilleventuallybeusedtotransmitPWMpulsesignaltocontrolL298NmotordriverchiptodriveandcontrolthespeedofDCmotor.Using4*4matrixkeyboardastheinputofcontrolsystem,youcanchoosemanualmodeandautomaticmode,andmakegearsselection.Inmanualmode,youcanstallspeedandartificialselectionofthefan;Intheautomaticmode,thefanmotorspeedcanchangeautomaticallyaccordingtothechangeoftemperature,atthesametime,itusestheLEDdigitaltubetodisplaysthecurrenttemperature,theworkingmodesandthegearschosen.Thebuzzerpromptsareusedforkeysuccessproving,LEDlightsforshiftreminderandwhichisconvenientforuserstooperateatnight.Inordertoletthefancanbepowereddirectlyby220V,thepowersupplycircuitisseparatelydesigned,whichmakeitbemorepragmaticvalue.

Keywords：

FPGA,Temperaturecontrol,DCmotor,PWM,Powerdesign

1绪论

1.1引言

生活中，我们经常会使用一些与温度有关的设备。

比如，现在虽然不少城市家庭用上了空调，但在占中国大部分人口的农村地区依旧使用电风扇作为降温防暑设备，春夏（夏秋）交替时节，白天温度依旧很高，电风扇应高转速、大风量，使人感到清凉；到了晚上，气温降低，当人入睡后，应该逐步减小转速，以免使人感冒。

虽然电风扇都有调节不同档位的功能，但必须要人手动换档，睡着了就无能为力了，而普遍采用的定时器关闭的做法，一方面是定时时间长短有限制，一般是一两个小时；另一方面可能在一两个小时后气温依旧没有降低很多，而风扇就关闭了，使人在睡梦中热醒而不得不起床重新打开风扇，增加定时器时间，非常麻烦，而且可能多次定时后最后一次定时时间太长，在温度降低以后风扇依旧继续吹风，使人感冒；第三方面是只有简单的到了定时时间就关闭风扇电源的单一功能，不能满足气温变化对风扇风速大小的不同要求。

又比如在较大功率的电子产品散热方面，现在绝大多数都采用了风冷系统，利用风扇引起空气流动，带走热量，使电子产品不至于发热烧坏。

要使电子产品保持较低的温度，必须用大功率、高转速、大风量的风扇，而风扇的噪音与其功率成正比。

如果要低噪音，则要减小风扇转速，又会引起电子设备温度上升，不能两全其美。

1.2发展现状与应用领域

当今社会已经完全进入了电子信息化，温度控制器在各行各业中已经得到了充分的利用。

具有对温度进行实时监控的功能，以保证工业仪器，测量工具，农业种植的正常运作，它的最大特点是能实时监控周围温度的高低，并能同时控制电机运作来改变温度。

它的广泛应用和普及给人们的日常生活带来了方便。

简易温度监测控制器是利用嵌入式系统来完成的一个小型的控制系统。

现阶段运用与国内大部分家庭，系统效率越来越高，成本也越来越低。

其发展趋势可以根据其性质进行相应的改进可以运用与不同场合的温度监测控制，并带来大量的经济效益。

它广泛应用于城市、农村、各种工业生产，在一定情况下亦适用于太阳能、锅炉及对温度敏感的产业的自动控制和温度报警，是实现无人值守的理想产品，市场极为广阔，需求量大。

并且使用寿命长，适用范围广，安装极其容易。

电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，市场人士称，家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。

其主要原因：

一是风扇和空调的降温效果不同——空调有强大的制冷功能，可以快速有效地降低环境温度，但电风扇的风更温和，更加适合老人儿童和体质较弱的人使用；二是电风扇有价格优势，价格低廉而且相对省电，安装和使用都非常简单。

尽管电风扇有其市场优势，但传统电风扇还是有许多地方应当进行改良的，最突出的缺点是它不能根据温度的变化适时调节风力大小，对于夜间温差大的地区，人们在夏夜使用电风扇时可能遇到这样的问题：

当凌晨降温的时候电风扇依然在工作，可是人们因为熟睡而无法察觉，既浪费电资源又容易引起感冒，传统的机械定时器虽然能够控制电风扇在工作一定后关闭，但定时范围有限，且无法对温度变化灵活处理。

鉴于以上方面的考虑，我们需要设计一种智能电风扇控制系统来解决这些问题。

本设计的前景很广，可以在各大校园进行广泛推广，相信会获得众多大学生的欢迎，尤其是寝室未装空调的各大校园。

2整体方案设计

2.1性能要求

要求设计的温控调速系统的性能指标如下：

1温度分辨率：

±0.5℃；

2可直接220V交流供电；

3要求转速随温度调节的级数在50级以上；

④风扇应有手动模式和自动模式，手动模式风扇转速由使用者选择风扇档位，自动模式根据实时温度控制转速；

5能够实时显示当前温度和风扇工作的状态；

6对按键成功进行提示

7能够夜间小范围照明

2.2系统整体设计

本设计的整体思路是：

以ALTER的Cyclone-VFPGA作为控制中心，在自动模式下，通过温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出数字温度信号给FPGA进行处理，通过高精度的控制算法计算，将用于调速的PWM信号传递给L298N驱动芯片，以控制电机的转速。

在LED数码管上显示当前环境温度值、工作模式以及选择的档位。

通过独立键盘输入，进行功能选择和档位选择，蜂鸣器判断按键成