基于FPGA控制的暖氣溫度均衡系統(tǒng)

1、基于控制的暖氣溫度均衡系統(tǒng)王振紅傅志文北方工業(yè)大學(xué)改造就可完成從不節(jié)能到節(jié)能，從不舒適到舒適的轉(zhuǎn)變。無論是對社會還是對個人都是件好事。同時系統(tǒng)也可使用在辦公室、教室、會議室等各個室內(nèi)環(huán)境中。供暖模式的多樣化可以給用戶更多的選擇。體現(xiàn)出人性化和個性化的一面。LM75A共有8個管腳。其中3個為地址選擇管腳，2個為I2C總線管腳，2個電源管腳，1個空管腳。LM75A的數(shù)據(jù)傳輸用的是I2C總線。一個是SDA管腳負責數(shù)據(jù)的輸入/輸出，一個是SCL管腳是為芯片提供頻率的。、LM75A 是一個高速 I2C 接口的溫度傳感器，可以在-55+125的溫度范圍內(nèi)將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并可實現(xiàn) 0.125的精度

2、。MCU 可以通過I2C總線直接讀取其內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)，并可通過I2C對4個數(shù)據(jù)寄存器進行操作， 以設(shè)置成不同的工作模式。 LM75A有3個可選的邏輯地址管腳，使得同一總線上可同時連接 8個器件而不發(fā)生地址沖突。LM75A可配置成不同的工作模式。它可設(shè)置成在正常工作模式下周期性地對環(huán)境溫度進行監(jiān)控，或進入關(guān)斷模式來將器件功耗降至最低。OS輸出有2種可選的工作模式：OS比較器模式和OS中斷模式，OS輸出可選擇高電平或低電平有效。正常工作模式下，當器件上電時，OS工作在比較器模式，溫度閾值為 80，滯后閾值為 75。2.1 LM75A的功能特點提供環(huán)境溫度對應(yīng)的數(shù)字信息，直接表示溫度；可以對某個

3、特定溫度作出反應(yīng)，可以配置成中斷或者比較器模式（OS輸出）高速 I2C總線接口，有 A2-A0 地址線，一條總線上最多可同時使用8個LM75A；低功耗設(shè)計，工作電流典型值為250uA，掉電模式為 3.5uA；測量的溫度最大范圍為-55+125；寬工作電壓范圍：2.8V5.5V；提供了良好的溫度精度（0.125）；可編程溫度閾值和滯后設(shè)定點。2.2 LM75A的對外接口、步進電機3.1 步進電機的重要指標1）、力矩：電機一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量）當轉(zhuǎn)子與定子錯開一定角度產(chǎn)生力 F與（d/d）成正比 S，其磁通量=Br*S，Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積，F(xiàn)與L*D*Br成正比，L為鐵芯有

4、效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=NI/R，NI為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)），R為磁阻。力矩=力*半徑，力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。2）、步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。3）、最大空載啟動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接啟動的最大頻率。4）、最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載

5、的最高轉(zhuǎn)速頻率。3.2 步進電機驅(qū)動器、緒論隨著科技的進步和社會的發(fā)展，國家社會越來越重視可持續(xù)發(fā)展的重要性，提高供熱效率也是節(jié)能減排的重要一環(huán)，同時還可以進一步改善人們的居住環(huán)境。經(jīng)過市場調(diào)查我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在還沒有一套成功應(yīng)用在人們生活中自動調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的控制系統(tǒng)，其實恒溫不僅可以節(jié)約供暖量，同時也做到了人性化服務(wù)，居民將生活的更加舒適。電子式的恒溫供暖系統(tǒng)將是我們研究的重點，也是這類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。由于我們研究的電子式恒溫系統(tǒng)體積小安裝方便，所以不僅可以應(yīng)用于新建小區(qū)同時也可以將此系統(tǒng)安裝在老舊小區(qū)中，只需簡單的圖步進電機驅(qū)動器-圖1為步進電機驅(qū)動器的外形圖，從圖中可以知道我們需要控制的信號，如

6、：方向、脈沖以及細分和電流的控制方法等。技術(shù)優(yōu)勢高可靠性：適合工控領(lǐng)域采用恒流斬波驅(qū)動技術(shù)，電機工作電流非常恒定電源防反接功能輸入信號全部光耦隔離步進電機接線方式脈沖：電機速度控制信號，通常為1k到20k頻率的方波方向：電機方向控制信號，為高低電平控制信號啟停：電機運行總控制，為高低電平控制信號。啟停信號有效后，電機處于鎖定狀態(tài)，輸入脈沖信號，電機運行；啟停信號無效后，即使輸入脈沖信號，電機也不運行，處于自由狀態(tài)。驅(qū)動器默認為啟停信號有效，在電機停止運行時，讓啟停信號無效，此時電機上沒有電流流過，不會發(fā)熱。電流：設(shè)置電機運行時的電流上限值。細分：建議使用默認的8細分。說明：光耦輸入端信號建議使

7、用810mA左右的驅(qū)動電流，驅(qū)動器內(nèi)部已經(jīng)串聯(lián)了330歐電阻，適合5V的信號直接控制。進。本系統(tǒng)是實現(xiàn)室內(nèi)恒溫的一種新的技術(shù)支持。圖與的連接4.2 電機控制器與FPGA的通信FPGA需要控制電機控制器的脈沖和方向兩個信號。脈沖信號是控制步進電機的工作速度和轉(zhuǎn)動的角度的。而方向信號是控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向的。根據(jù)不同的室溫和設(shè)定值，F(xiàn)PGA會發(fā)送出相應(yīng)的控制信號來帶動閥門改變開啟角度。圖4是電機控制器與FPGA的連接。圖電機控制器與的連接4.3 FPGA與鍵盤的連接鍵盤應(yīng)用的是4*4的小鍵盤，F(xiàn)PGA通過對鍵盤的行列掃描檢測按鍵情況。并有按鍵防抖動和亂按錯按的設(shè)計。圖5為4*4鍵盤與FPGA的連

8、接。、系統(tǒng)設(shè)計方案本系統(tǒng)是由顯示、測溫和驅(qū)動三部分組成。通過鍵盤人們根據(jù)自己的需要對溫度進行設(shè)定。溫度檢測采用數(shù)字溫度傳感器LM75A，芯片將采集到的溫度信號以串行數(shù)據(jù)形式傳出，送入FPGA芯片，并在數(shù)碼管上顯示出當前溫度，同時，F(xiàn)PGA對檢測的溫度和預(yù)設(shè)值根據(jù)不同的工作模式進行比較和分析，最終通過控制器驅(qū)動步進電機帶動閥門轉(zhuǎn)動實現(xiàn)改變供暖量的目的，同時將室內(nèi)溫度以及設(shè)定的溫度顯示在數(shù)碼管上。系統(tǒng)框圖如圖2。圖鍵盤與的連接4.4 FPGA與數(shù)碼顯示的連接FPGA與一個四位數(shù)碼管相連。利用循環(huán)顯示，快速逐一顯示出四位十進制數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)需要顯示室內(nèi)溫度和預(yù)設(shè)值。所以在程序設(shè)計時，設(shè)置為兩組數(shù)據(jù)循環(huán)顯示每組兩秒。圖6為FPGA與數(shù)碼管的連接。圖與數(shù)碼管的連接、總結(jié)本課題研究將FPGA技術(shù)，串口通信技術(shù)，結(jié)合著傳感測溫裝置組成的監(jiān)控設(shè)備共同組成了一套室內(nèi)恒溫系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有成本低、安裝方便等特點，具有一定的創(chuàng)新性和實用價值。具體地說，該系統(tǒng)在硬件上實現(xiàn)了FPGA與I2C的串口通信，在軟件上實現(xiàn)了FPGA控制步進電機的程序設(shè)計以及數(shù)碼顯示。把數(shù)字溫度傳感器和步進電機應(yīng)用于室內(nèi)溫度均衡系統(tǒng)之中，充分利用了數(shù)字溫度傳感器測溫準確，實時性強，費用較低的特點，是對現(xiàn)有的供暖方式的有