(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川 成都 610059)

引言

21世紀(jì)以來(lái)，人們生活水平和現(xiàn)代科技水平的不斷改善和提高，節(jié)能環(huán)保、健康、安全、多功能等方面成為家用電器的發(fā)展方向。在現(xiàn)實(shí)生活中，由于風(fēng)扇成本低、風(fēng)力溫和、對(duì)電力負(fù)載壓力小等優(yōu)勢(shì)，空調(diào)的普及并未對(duì)風(fēng)扇的使用造成太大影響。相反，人們對(duì)于電風(fēng)扇多功能的要求還日益嚴(yán)苛。

而如今市面上的電風(fēng)扇大部分只能手動(dòng)調(diào)速，或者再加一個(gè)定時(shí)器，功能略顯單一化。并且存在一定的安全隱患，例如人們出門(mén)忘記關(guān)電風(fēng)扇，首先是造成不必要的能源損耗，其次是長(zhǎng)時(shí)間的工作會(huì)損壞電器，最后最重要的是容易引發(fā)火災(zāi)。

因此，為減少不必要的能源損耗、適應(yīng)消費(fèi)者的需求、消除安全隱患，將本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了三種工作模式：按鍵驅(qū)動(dòng)模式、智能溫控模式、藍(lán)牙遙控模式。通過(guò)這三種不同的模式，可以滿(mǎn)足消費(fèi)者在不同時(shí)期的不同需求，達(dá)到節(jié)約能源、安全健康、遠(yuǎn)程控制等目的。本文將針對(duì)這一系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)詳細(xì)的討論。

一、整體設(shè)計(jì)方案

(一)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)由6個(gè)模塊組成，分別是FPGA開(kāi)發(fā)板、數(shù)字溫度傳感器模塊、按鍵模塊、藍(lán)牙模塊、溫度顯示模塊以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路是采用FPGA作為中央處理器，作為系統(tǒng)的控制中心，DS18B20作為數(shù)字溫度傳感器，檢測(cè)環(huán)境溫度并直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給FPGA進(jìn)行相應(yīng)處理，并在LCD1602液晶顯示模塊上顯示數(shù)字溫度傳感器實(shí)時(shí)傳輸來(lái)的環(huán)境溫度，HC-06作為藍(lán)牙模塊，可通過(guò)手機(jī)APP界面進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)使用便捷，抗干擾性強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

(二)設(shè)計(jì)方案論證

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的自動(dòng)溫度檢測(cè)和藍(lán)牙遙控控制，使風(fēng)扇能夠自動(dòng)對(duì)環(huán)境溫度的變化做出自動(dòng)啟停及轉(zhuǎn)速改變，這要求較高的溫度變化分辨率以及穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)速控制方式；也需要滿(mǎn)足遠(yuǎn)程的遙控操作啟停及轉(zhuǎn)速控制，這要求短距離的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。

1.溫度傳感器選擇

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，溫度傳感器的選擇方案有以下兩種。

方案一：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測(cè)模塊，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于DS18B20是數(shù)字式的集成溫度傳感器，因此其檢測(cè)到環(huán)境溫度后直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給FPGA進(jìn)行處理。

方案二：采用熱敏電阻作為核心器件，進(jìn)行環(huán)境溫度的檢測(cè)，并且通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，由于熱敏電阻會(huì)隨外界溫度的改變和變化，因此會(huì)產(chǎn)生微弱的輸出電壓變化的信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，將微弱的電壓變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字溫度信號(hào)輸入到FPGA進(jìn)行處理。

對(duì)于方案一，DS18B20是高度集成化的，因此溫度檢測(cè)誤差將很小，溫度分辨率高。并且數(shù)字式溫度傳感器使得檢測(cè)的溫度值在其內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字溫度信號(hào)直接輸出，無(wú)需額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，大大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本與資源，并且抗干擾能力強(qiáng)。因此適用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

對(duì)于方案二，熱敏電阻相比DS18B20價(jià)格便宜，但是熱敏電阻對(duì)溫度的細(xì)微變化并不十分敏感，會(huì)使得信號(hào)在檢測(cè)、放大以及轉(zhuǎn)換的過(guò)程中產(chǎn)生極大的信號(hào)畸變和較大的誤差。相比于方案一，此方案不適用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.藍(lán)牙模塊選擇

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要用到藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)FPGA與手機(jī)終端之間的通信。市面上有很多種類(lèi)的藍(lán)牙模塊，例如通信采用HC-06從機(jī)藍(lán)牙模塊，主要用于短距離的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸領(lǐng)域，可以方便的和PC機(jī)或帶藍(lán)牙功能的設(shè)備相連，也可以?xún)蓚€(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)互通。避免繁瑣的線纜連接，能直接替代串口線，配對(duì)后只需當(dāng)成固定波特率的串口一樣使用即可。系統(tǒng)采用該藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了手機(jī)終端和FPGA之間的通訊。

3.調(diào)速方式選擇

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速方式的選擇方案有以下兩種。

方案一：采用FPGA軟件編程，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)速方式。PWM是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。

方案二：采用串行口模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來(lái)控制。例如采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，由FPGA根據(jù)當(dāng)前溫度值輸出相應(yīng)的數(shù)字量到芯片中，再由芯片將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)，控制晶閘管的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

對(duì)于方案一，PWM調(diào)速是一種純軟件的方法，相比于其他硬件方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速功能而言，首先是零成本，其次具有更大的靈活性，并且能夠更加充分發(fā)揮FPGA的功能。

對(duì)于方案二，采用DAC0832芯片的方式，可以通過(guò)無(wú)極調(diào)速電路來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，且速度變化靈。但相比于方案一，資源成本高一些，因此采用方案一。

二、硬件電路設(shè)計(jì)

(一)FPGA開(kāi)發(fā)板

FPGA采用了邏輯單元整列LCA概念，F(xiàn)PGA的基本結(jié)構(gòu)包括可編程輸入輸出單元IOB、可配置邏輯塊CLB、數(shù)字時(shí)鐘管理模塊、嵌入式塊RAM、布線資源、內(nèi)嵌專(zhuān)用硬核、底層內(nèi)嵌功能單元。

(二)數(shù)字溫度傳感模塊

DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司推出的支持“一線總線”接口的溫度傳感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾性強(qiáng)、易配微處理器的優(yōu)點(diǎn)，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理。其適應(yīng)電壓范圍在3.0～5.5V，測(cè)溫范圍在-55OC～+125 OC，在-10～+85 OC范圍內(nèi)，精度可達(dá)±0.5OC，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫，在使用過(guò)程中不需要任何外圍元件，并且具有負(fù)壓特性。

DS18B20內(nèi)部主要由64位光刻ROM、溫度傳感器、溫度觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器四部分組成。其引腳由DQ數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端、GND電源地、VDD外接供電電源輸入端三部分組成。

(三)藍(lán)牙模塊

HC-06從機(jī)藍(lán)牙模塊是目前市面上功能最為強(qiáng)大的串口藍(lán)牙模塊，其模塊采用Blue2.0，支持主從模式，模塊支持波特率為1200～1382400。該模塊一共包括KEY、VCC、GND、TXD、RXD、STATE六個(gè)引腳，其中KEY引腳在主控端模式中用于清除上次配對(duì)的藍(lán)牙從機(jī)位址，斷開(kāi)與藍(lán)牙從機(jī)的連接；VCC引腳接正電源；GND引腳接電源地；TXD引腳為傳送端；RXD引腳為接收端；STATE引腳為狀態(tài)引腳，持續(xù)高電平代表已接通，不停輸出高低電平代表未接通。在實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際接線只用到VCC、GND、TXD、RXD四個(gè)引腳。該模塊具有低功耗、信號(hào)強(qiáng)、性能穩(wěn)定、通訊距離遠(yuǎn)、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

(四)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本模塊使用L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在電路中使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，提高可靠性。本模塊采用雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流，驅(qū)動(dòng)電壓5～35V，最大功率25W。其原理圖如圖2所示。

圖2 L298N驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

(五)獨(dú)立按鍵模塊

鍵盤(pán)其實(shí)就是一組按鍵，采用機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，線路導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，線路斷開(kāi)。該模塊主要用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模式的選擇，以及當(dāng)系統(tǒng)處于按鍵驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

(六)液晶顯示模塊

LCD1602液晶是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16×2即32個(gè)字符，即可以顯示兩行，每行為16個(gè)字符，但只能顯示字符和數(shù)字，不能顯示漢字。它由若干個(gè)5×7或5×11點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。其內(nèi)置含28個(gè)字符的ASCⅡ字符集字庫(kù)，為5V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，只有并行接口，無(wú)串行接口。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Quartus Ⅱ，采用硬件描述語(yǔ)言VHDL完成數(shù)據(jù)流描述。

(一)設(shè)計(jì)流程

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，軟件系統(tǒng)由主程序、DS18B20測(cè)溫、藍(lán)牙控制、按鍵掃描、智能溫控5個(gè)部分組成。首先通過(guò)DS18B20溫度傳感器，將采集到的溫度值傳遞給1602液晶顯示部分；其次，通過(guò)按鍵部分判斷所選擇的工作模式；接著調(diào)用對(duì)應(yīng)的工作模式函數(shù)，再傳遞給相應(yīng)不同轉(zhuǎn)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制函數(shù)。具體程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖3所示。

圖3 程序?qū)崿F(xiàn)流程圖

(二)手機(jī)藍(lán)牙設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用HC-06藍(lán)牙模塊與上位機(jī)(手機(jī))APP的連接，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端通過(guò)藍(lán)牙模塊與FPGA之間的通訊功能，從而起到手機(jī)終端藍(lán)牙遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速改變的功能。手機(jī)終端設(shè)計(jì)界面如圖4所示，其中上下左右的四個(gè)箭頭分別代表轉(zhuǎn)速1、轉(zhuǎn)速2、轉(zhuǎn)速3、停止轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)功能。

圖4 手機(jī)終端界面設(shè)計(jì)圖