fpga的温度报警系统设计thedesignoftemperaturealarmsystembasedonfpga(附件
摘 要摘 要在当代社会生活的迅速发展中，人们对安全和效率的重要性有了深刻的认识。在生产过程中对环境因素进行检测和控制，对确保工业生产的安全和高效具有重要意义。温度是环境中最基本的物理量之一，它反映了物体的冷热程度。在很多生产过程中，物理特征的变化都直接反映在温度的变化上，温度已经成为影响社会生活及工业生产安全与高效的重要因素，测量与控制温度和生产安全、生产效率等生产指标联系紧密。温度过高甚至会引发火灾，对社会群众的财产安全带来巨大的损失。因此对温度的监测意义越来越大。本文介绍了基于FPGA的温度报警系统设计，利用数字温度传感器DS18B20，以FPGA为主控芯片,在QuartusII平台上使用Verilog HDL语言进行编程，设计出能实时显示环境温度，具有报警功能的温度报警系统。给出了该系统的硬件模块和软件模块，此系统具有精确性高，可扩展性好的特点。关键词温度报警；DS18B20；FPGA
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题的目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 系统设计任务 3
第二章 系统方案设计 4
2.1系统框图 4
2.2硬件系统设计方案比较 5
2.2.1 控制器电路方案选择 5
2.2.2 温度传感器方案选择 5
2.3 FPGA简介 6
2.3.1 FPGA芯片简介 6
2.3.2 FPGA芯片设计 7
2.4 DS18B20简介 10
2.4.1 DS18B20特性介绍 10
2.4.2 DS18B20测温原理 12
2.4.3 DS18B20供电方式 12
2.5 Quartus II简介 13
第三章 温度报警系统硬件设计 15
3.1系统硬件模块 15
3.2 温度采集模块 16
3.3 温度显示模块 16
3.4 温度报警模块 17
3.5 配置电路模块 17
3.6 系统时钟电路模块 19
3.7 按键模块 19
3.8 电源供应模块 19
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/> 第四章 温度报警系统软件设计 21
4.1系统软件总体方案设计 21
4.2 时钟分频模块 21
4.3 温度采集模块 22
4.4 数据处理模块 22
4.5 温度显示模块 23
第五章 仿真与实物 24
5.1 软件仿真 24
5.2实物分析 24
第六章 总结与研究展望 26
6.1 总结 26
6.2 研究展望 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1选题的目的和意义
温度从物理学角度分析，它表示组成物体内部的大量分子无规则运动的剧烈程度，作为七个国际单位制基本物理量之一是最基本的环境物理参数。温度测量与控制广泛应用与农业生产、工业制造、医学治疗等领域，与人们的日常生活息息相关[1]。
在机器制造，工业生产，农业生产等多个领域都有用到温度测量技术。而常见的接触式温度传感器包括热电阻、热敏电阻、热电偶，非接触式测温则分为光学式和辐射式。但如果想增加温度传感器的功能，例如模数转换、信号管理、温度恒定，相应的制作成本也会大幅增加。随着电子技术不断进步发展，专用集成电路芯片出现。一个小芯片上集成了感温元件和电子线路，具有小型化，一体化的特点[2]。现代集成温度传感芯片具有模数转换、信号管理、温度恒定等功能，功能强大，适用范围广。同时，由于技术发展降低了制作成本，使得现代集成温度传感芯片以低廉的价格抢占了大量的市场份额，数字式温度传感器DS18B20就是现代集成温度传感芯片的重要代表。
考虑到制作成本，研究人员以前经常以单片机为核心进行温度报警系统的设计。但这种设计方法存在缺陷，只能完成一些简单的计算和控制功能，即在使用功能方面存在局限性。而且设计完成的温度报警系统性能并不出色。如果研究人员想在此基础上增加使用功能，就得在原有硬件电路的基础上继续扩展，但存在着系统性能下降的隐患。显而易见，传统的设计方法设计温度报警系统已经无法满足飞速发展的现代社会。为了满足越来越高的市场需求，我们把目光放到了FPGA这种半定制电路上。利用半定制FPGA电路进行设计不仅高效而且便利。在结构上它能够实现复杂系统所需的功能。在设计方面，可以利用软件在电脑上编写程序，设计电路，仿真实验，最后下载到实物芯片里进行测试。相比于传统设计，使用FPGA设计在软件阶段就能检测设计的有效性，为研究人员节约了大量的前期投资，缩短了设计周期，提高了设计效率，而且FPGA功能强大，由FPGA开发的电子系统在功能升级时，也能节约大量的资金和设计时间。
鉴于温度传感器DS18B20和FPGA相比于传统温度系统设计的优点，所以决定设计一个温度传感器DS18B20与FPGA相结合的温度报警系统，充分发挥DS18B20与FPGA的优点。
1.2 国内外的研究现状
根据测量对象不同，温度控制可分为两种类型，第一种是动态温度跟踪，第二种是恒温控制。第一种动态温度跟踪的目的是使控制对象的温度沿预设的温度曲线变化。恒温控制的目的是使被控对象的温度恒定在一定值，且温度误差不能超过某一定值。
我国的电子市场在“发展高科技，实现产业化”、“大力推进电子产业发展，增加电子产业在国民经济中的比重”等国家政策的支持下迅速发展。传感器产业因此夺得了一席之地，在自主研发，技术创新等方面取得了重大突破，具备了一定的产业规模。但是国内的电子产业开始较晚，缺少坚实的基础，国内的温度控制器技术水平仍处于20世纪末的水平，与国外的先进国家相比存在可观的差距。国产的温度调节器虽然价格低廉，但是只能应用于一般的温度控制系统。针对复杂温度系统，相比于价格昂贵的国外温度调节器，技术不够成熟，在智能化、自适应、自调参数等方面无法满足需求，效果不佳。
现代信息技术由三大基础技术组成，分别是信息收集（传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）[3]。传感器技术已经广泛应用于各行各业，其中，温度传感器技术最为常见。温度传感器是温度报警系统中必不可少的重要部分，温度传感器在近几十年的发展经历了以下三个阶段：第一阶段是传统的离散温度传感器（包括敏感元件），如热电偶传感器；第二阶段是模拟集成温度传感器，在20世纪80年代面世，使用硅半导体集成工艺制作而成；第三阶段是智能温度传感器，理论和技术都不够成熟，还在发展阶段[4]。为了满足日益增长的工业发展需求，数字传感器将取代模拟传感器成为温度传感器主流，智能化、网络化将成为集成电路发展的趋势。温度控制电路根据应用场合和要求有所不同，常见得温度控制技术包括PID控制、神经网络控制、模糊控制等。如今，广泛应用于各个领域由技术先进国家研发的温度控制系统，具有以下几个特点：一是适应于复杂温度控制系统；二是温度控制系统具有智能化、自适应、自调参数等功能，适用于各个领域，确保温控效果最佳；三是具有温控精度高、抗干扰性强、稳定性强的特点。
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题的目的和意义 1
1.2 国内外的研究现状 2
1.3 系统设计任务 3
第二章 系统方案设计 4
2.1系统框图 4
2.2硬件系统设计方案比较 5
2.2.1 控制器电路方案选择 5
2.2.2 温度传感器方案选择 5
2.3 FPGA简介 6
2.3.1 FPGA芯片简介 6
2.3.2 FPGA芯片设计 7
2.4 DS18B20简介 10
2.4.1 DS18B20特性介绍 10
2.4.2 DS18B20测温原理 12
2.4.3 DS18B20供电方式 12
2.5 Quartus II简介 13
第三章 温度报警系统硬件设计 15
3.1系统硬件模块 15
3.2 温度采集模块 16
3.3 温度显示模块 16
3.4 温度报警模块 17
3.5 配置电路模块 17
3.6 系统时钟电路模块 19
3.7 按键模块 19
3.8 电源供应模块 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
/> 第四章 温度报警系统软件设计 21
4.1系统软件总体方案设计 21
4.2 时钟分频模块 21
4.3 温度采集模块 22
4.4 数据处理模块 22
4.5 温度显示模块 23
第五章 仿真与实物 24
5.1 软件仿真 24
5.2实物分析 24
第六章 总结与研究展望 26
6.1 总结 26
6.2 研究展望 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1选题的目的和意义
温度从物理学角度分析，它表示组成物体内部的大量分子无规则运动的剧烈程度，作为七个国际单位制基本物理量之一是最基本的环境物理参数。温度测量与控制广泛应用与农业生产、工业制造、医学治疗等领域，与人们的日常生活息息相关[1]。
在机器制造，工业生产，农业生产等多个领域都有用到温度测量技术。而常见的接触式温度传感器包括热电阻、热敏电阻、热电偶，非接触式测温则分为光学式和辐射式。但如果想增加温度传感器的功能，例如模数转换、信号管理、温度恒定，相应的制作成本也会大幅增加。随着电子技术不断进步发展，专用集成电路芯片出现。一个小芯片上集成了感温元件和电子线路，具有小型化，一体化的特点[2]。现代集成温度传感芯片具有模数转换、信号管理、温度恒定等功能，功能强大，适用范围广。同时，由于技术发展降低了制作成本，使得现代集成温度传感芯片以低廉的价格抢占了大量的市场份额，数字式温度传感器DS18B20就是现代集成温度传感芯片的重要代表。
考虑到制作成本，研究人员以前经常以单片机为核心进行温度报警系统的设计。但这种设计方法存在缺陷，只能完成一些简单的计算和控制功能，即在使用功能方面存在局限性。而且设计完成的温度报警系统性能并不出色。如果研究人员想在此基础上增加使用功能，就得在原有硬件电路的基础上继续扩展，但存在着系统性能下降的隐患。显而易见，传统的设计方法设计温度报警系统已经无法满足飞速发展的现代社会。为了满足越来越高的市场需求，我们把目光放到了FPGA这种半定制电路上。利用半定制FPGA电路进行设计不仅高效而且便利。在结构上它能够实现复杂系统所需的功能。在设计方面，可以利用软件在电脑上编写程序，设计电路，仿真实验，最后下载到实物芯片里进行测试。相比于传统设计，使用FPGA设计在软件阶段就能检测设计的有效性，为研究人员节约了大量的前期投资，缩短了设计周期，提高了设计效率，而且FPGA功能强大，由FPGA开发的电子系统在功能升级时，也能节约大量的资金和设计时间。
鉴于温度传感器DS18B20和FPGA相比于传统温度系统设计的优点，所以决定设计一个温度传感器DS18B20与FPGA相结合的温度报警系统，充分发挥DS18B20与FPGA的优点。
1.2 国内外的研究现状
根据测量对象不同，温度控制可分为两种类型，第一种是动态温度跟踪，第二种是恒温控制。第一种动态温度跟踪的目的是使控制对象的温度沿预设的温度曲线变化。恒温控制的目的是使被控对象的温度恒定在一定值，且温度误差不能超过某一定值。
我国的电子市场在“发展高科技，实现产业化”、“大力推进电子产业发展，增加电子产业在国民经济中的比重”等国家政策的支持下迅速发展。传感器产业因此夺得了一席之地，在自主研发，技术创新等方面取得了重大突破，具备了一定的产业规模。但是国内的电子产业开始较晚，缺少坚实的基础，国内的温度控制器技术水平仍处于20世纪末的水平，与国外的先进国家相比存在可观的差距。国产的温度调节器虽然价格低廉，但是只能应用于一般的温度控制系统。针对复杂温度系统，相比于价格昂贵的国外温度调节器，技术不够成熟，在智能化、自适应、自调参数等方面无法满足需求，效果不佳。
现代信息技术由三大基础技术组成，分别是信息收集（传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）[3]。传感器技术已经广泛应用于各行各业，其中，温度传感器技术最为常见。温度传感器是温度报警系统中必不可少的重要部分，温度传感器在近几十年的发展经历了以下三个阶段：第一阶段是传统的离散温度传感器（包括敏感元件），如热电偶传感器；第二阶段是模拟集成温度传感器，在20世纪80年代面世，使用硅半导体集成工艺制作而成；第三阶段是智能温度传感器，理论和技术都不够成熟，还在发展阶段[4]。为了满足日益增长的工业发展需求，数字传感器将取代模拟传感器成为温度传感器主流，智能化、网络化将成为集成电路发展的趋势。温度控制电路根据应用场合和要求有所不同，常见得温度控制技术包括PID控制、神经网络控制、模糊控制等。如今，广泛应用于各个领域由技术先进国家研发的温度控制系统，具有以下几个特点：一是适应于复杂温度控制系统；二是温度控制系统具有智能化、自适应、自调参数等功能，适用于各个领域，确保温控效果最佳；三是具有温控精度高、抗干扰性强、稳定性强的特点。
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