潘銀松，覃海洋

(重慶大學(xué)，重慶400044)

0 引 言

市場(chǎng)上的風(fēng)扇，檔位固定，無(wú)法根據(jù)周圍環(huán)境溫度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速，不僅浪費(fèi)能源，而且不利于身體健康。同時(shí)，傳統(tǒng)電扇往往采用交流電機(jī)，不便于調(diào)速，且功耗較高。本設(shè)計(jì)可通過(guò)溫度傳感器DS18B20 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍溫度的變化，自動(dòng)調(diào)整風(fēng)速，給人更加舒適、健康的體驗(yàn)，尤其適用于夜間睡眠，即能保證一個(gè)涼爽的睡眠，又可以避免因?yàn)闇囟润E降風(fēng)速卻沒(méi)有得到相應(yīng)調(diào)節(jié)而導(dǎo)致感冒的問(wèn)題。風(fēng)扇采用直流電機(jī)，其功耗相對(duì)更低，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

1 系統(tǒng)整體框圖

圖1 系統(tǒng)整體框圖

圖1 是系統(tǒng)的整體框圖。溫度傳感器用于檢測(cè)環(huán)境溫度;功能按鍵用于讀取用戶所選擇的工作模式;蜂鳴器用于提示按鍵成功;數(shù)碼管負(fù)責(zé)顯示當(dāng)前溫度和用戶所選擇的工作模式;電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于驅(qū)動(dòng)24 V 直流電機(jī);直流電源電路用于給FPGA 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供電源。

2 直流電源電路

圖2 為直流電源設(shè)計(jì)電路。其原理是將220 V交流電通過(guò)兩路整流橋進(jìn)行整流，并利用LM2576T－ADJ 芯片分別輸出3.3 V 和24 V 直流電壓，分別為FPGA 和直流電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電源。其中，電阻值的選取是根據(jù)所需要的電壓值而定，電容C1，C2 分別為100 μF 和330 μF 電容用以濾除直流電源中的紋波成分，電感用于儲(chǔ)能并與二極管一起構(gòu)成續(xù)流回路，目的是將芯片輸出的脈沖電流轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電流，從而給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓輸出。

圖2 直流電源電路

3 防脈沖干擾滑動(dòng)平均濾波，溫度自適應(yīng)100級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法

本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)算法基于DS18B20 溫度傳感器，其具有體積小、硬件開(kāi)銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高、轉(zhuǎn)換速度快等特點(diǎn)。它獨(dú)特的單線接口設(shè)計(jì)僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊;可通過(guò)數(shù)據(jù)線直接供電，供電電壓范圍為3.0 ～5.5 V;測(cè)溫范圍為－55℃～+125 ℃，在－10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)精確度最高可為±0.062 5 ℃，可利用精度±0.1 ℃;最多在750 ms 內(nèi)將溫度信號(hào)A/D 轉(zhuǎn)換為16 位數(shù)字信號(hào)。

為了提高控制精確度，減小誤差，在溫度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速前，對(duì)采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。本設(shè)計(jì)中采用了防脈沖干擾平均值濾波算法，選取的溫度點(diǎn)數(shù)為5，這樣既可以保證濾波的精準(zhǔn)度，又可以保證較快的數(shù)據(jù)處理速度。防脈沖干擾平均值濾波法的算法具體原理如下:對(duì)5 個(gè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉其中最大值和最小值，將剩下3 個(gè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)平均，其運(yùn)算結(jié)果作為當(dāng)前時(shí)刻真實(shí)溫度。若5 個(gè)溫度數(shù)據(jù)分別為T1，T2，T3，T4，T5，其中T1，T2為前兩個(gè)時(shí)刻的真實(shí)溫度值，T3，T4，T5為當(dāng)前時(shí)刻采集的三個(gè)溫度值，其中最大的溫度值若為TMAX，最小的溫度值為TMIN，那么當(dāng)前濾波后的溫度T 應(yīng)為:

下一次濾波計(jì)算時(shí)，用此時(shí)濾波后的溫度T 去代替公式中的溫度數(shù)據(jù)T2，用前一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)T2去代替公式中的溫度數(shù)據(jù)T1，以此類推。T1，T2的初始溫度值都為0。由此可見(jiàn)，這種算法可以很好地消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。

設(shè)計(jì)中將溫度的控制范圍設(shè)定在22. 0 ℃～32.0 ℃，小于22.0 ℃時(shí)風(fēng)扇進(jìn)入休眠狀態(tài)，大于32.0 ℃時(shí)風(fēng)扇滿速運(yùn)行，可調(diào)轉(zhuǎn)速溫度差為10.0個(gè)單位，為了進(jìn)一步細(xì)化溫度變化與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系，在算法中對(duì)溫度差乘以10，即溫度差變?yōu)?00個(gè)單位，這樣可以將轉(zhuǎn)速與溫度變化進(jìn)行一個(gè)線性擬合，若當(dāng)前每分鐘轉(zhuǎn)速為v，PWM 計(jì)數(shù)器位數(shù)為8，風(fēng)扇滿轉(zhuǎn)速為V，當(dāng)前溫度為T，那么其對(duì)應(yīng)關(guān)系:

如果采用精度達(dá)到±0.01℃的溫度傳感器，那么在此線性算法下可達(dá)到1 000 級(jí)調(diào)速的要求。

4 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)工作流程如圖3 所示。打開(kāi)電源系統(tǒng)開(kāi)始工作后，首先檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度并顯示，并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。若按鍵被按下，顯示所選擇的檔位，檔位一顯示數(shù)字1，檔位二顯示數(shù)字2，檔位三顯示檔位3，自動(dòng)模式顯示為英文字母A。手動(dòng)模式根據(jù)所選擇的檔位，控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速;自動(dòng)模式根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度，通過(guò)內(nèi)部處理算法，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。若檢測(cè)到的環(huán)境溫度低于22.0℃，風(fēng)扇自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài);當(dāng)大于22℃時(shí)，風(fēng)扇被喚醒;若溫度大于32.0℃，風(fēng)扇全速運(yùn)行。最后，返回到循環(huán)的起點(diǎn)，不停掃描系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，做出相應(yīng)的響應(yīng)，按下停止鍵，風(fēng)扇進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。轉(zhuǎn)速控制采用PWM 脈沖調(diào)寬的方法，將對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)送給L298N 驅(qū)動(dòng)芯片，以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖

5 FPGA 時(shí)序仿真

在modesim 中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序仿真，設(shè)定仿真溫度分別16.5℃，18.5℃，21.5℃，并設(shè)定為自動(dòng)模式。

如圖4 所示，sys_clk 和sys_rstn 分別為系統(tǒng)時(shí)鐘和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào);indwd 表示所選擇的檔位，其值為a 即表示自動(dòng)模式按鍵被按下;temperature 表示當(dāng)前溫度變化;out_bit 與out_seg 分別表示數(shù)碼管的位選和段選，當(dāng)溫度16.5℃時(shí)，其位選值為fe，fd，fb，bf，同時(shí)段選為f9，88，92，02，因?yàn)閿?shù)碼管采用的是共陽(yáng)動(dòng)態(tài)掃描顯示，即顯示結(jié)果為a 16.5;out_contr 控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，其值為1，即電機(jī)一直順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);led 控制LED 燈，且其為共陽(yáng)電路，按下一檔亮一顆，二檔亮兩顆，三檔亮三顆，自動(dòng)擋亮四顆，此時(shí)led 值為0，即表示自動(dòng)擋被選中;Enable 即為輸出的PWM 信號(hào)，可見(jiàn)其隨著溫度的不同，其輸出波形的占空比明顯不同，并用它控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此仿真的時(shí)鐘頻率為50 MHz，系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 modesim 仿真時(shí)序圖

6 結(jié) 語(yǔ)

在傳統(tǒng)風(fēng)扇設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,本設(shè)計(jì)通過(guò)采用FPGA 對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度對(duì)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑,讓人感到更加舒適。采用直流電機(jī),降低了功耗,更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。 本設(shè)計(jì)不僅僅局限于在風(fēng)扇上的應(yīng)用,通過(guò)相應(yīng)的修改,其可以移植到其它需要溫度控制的應(yīng)用中,且其可擴(kuò)展性能強(qiáng),未來(lái)可以在此基礎(chǔ)上添加其它功能模塊。

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