基于FPGA的溫度自動控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，溫度是一個重要而普遍的熱工參數(shù)。常規(guī)的溫度控制方法是設(shè)定一個溫度范圍，超出設(shè)定允許范圍即進(jìn)行溫度調(diào)控。這種方法實(shí)現(xiàn)簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的時間長，因此，只能用在精度要求不高的場合。而采用PID算法進(jìn)行溫度控制，具有控制精度高、能夠克服容量滯后的特點(diǎn)，適用于控制品質(zhì)要求高的控制系統(tǒng)。
單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部分，廣泛應(yīng)用。利用單片機(jī)控制溫度系統(tǒng)，對環(huán)境檢測具有極高的靈敏度，能夠?qū)崟r實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，且效率極高。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
該溫度控制系統(tǒng)的前級采用LM35型模擬集成溫度傳感器來采集溫度信號并轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過前級放大后送入ADS7886采樣輸出數(shù)字信號，將得到的數(shù)字信號送入單片機(jī)，單片機(jī)通過對采樣信號和用戶輸入信號的分析自動選取合適的PlD系數(shù)并計(jì)算出相應(yīng)的加熱(或制冷)波形的占空比系數(shù)，接著將占空比系數(shù)送入FPGA，由FPGA內(nèi)部構(gòu)建的DDS讀取相應(yīng)的占空比并轉(zhuǎn)化為波形輸出，驅(qū)動制冷片工作，從而實(shí)現(xiàn)木箱內(nèi)部溫度的自動控制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用大屏幕點(diǎn)陣式LCD和按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，使得系統(tǒng)操作簡單快捷，同時LCD還可實(shí)時顯示測量得到的溫度值，并繪制出坐標(biāo)圖像，統(tǒng)計(jì)信息明確直觀。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 前級采樣電路
LM35是電壓輸出型溫度傳感器，當(dāng)溫度在0 ℃時輸出電壓為零，當(dāng)電壓每上升1℃輸出電壓便增加10 mV。較小的電壓對A／D采樣的精度會造成比較高的影響。所以在LM35輸出端連接一個同相放大器?？紤]放大時的精度和對共模干擾信號抑制需要，這里選用精密高共模抑制比的運(yùn)算放大器OPA277。由于實(shí)驗(yàn)要求測量精度為0．1℃，要求在5～35℃范圍內(nèi)至少取樣300個點(diǎn)，因此，至少選用9位的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣才能滿足實(shí)驗(yàn)要求，考慮到功能擴(kuò)展的需要，這里選用12位高精度的串口ADS7886來實(shí)現(xiàn)。

2．2 加熱致冷切換控制電路
系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)加熱和制冷2種功能，制冷片當(dāng)電壓極性相反時，其制冷面和散熱面也會交換。則系統(tǒng)電路必須包含加熱制冷切換模塊，該模塊采用2個直流繼電器來實(shí)現(xiàn)，具體電路如圖3所示。