基于FPGA的温度自动控制系统

温度控制系统应用广泛，温度是一个重要而普遍的热工参数。常规的温度控制方法是设定一个温度范围，超出设定允许范围即进行温度调控。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、达到稳定点的时间长，因此，只能用在精度要求不高的场合。而采用PID算法进行温度控制，具有控制精度高、能够克服容量滞后的特点，适用于控制品质要求高的控制系统。

　　单片机作为控制系统的核心部分，广泛应用。利用单片机控制温度系统，对环境检测具有极高的灵敏度，能够实时实现温度调节，且效率极高。

　　1 系统总体方案设计

　　该温度控制系统的前级采用LM35型模拟集成温度传感器来采集温度信号并转化为电压信号，再经过前级放大后送入ADS7886采样输出数字信号，将得到的数字信号送入单片机，单片机通过对采样信号和用户输入信号的分析自动选取合适的PlD系数并计算出相应的加热(或制冷)波形的占空比系数，接着将占空比系数送入FPGA，由FPGA内部构建的DDS读取相应的占空比并转化为波形输出，驱动制冷片工作，从而实现木箱内部温度的自动控制，系统总体设计框图如图1所示。该系统设计采用大屏幕点阵式LCD和按键进行人机交互，使得系统操作简单快捷，同时LCD还可实时显示测量得到的温度值，并绘制出坐标图像，统计信息明确直观。

　　2 系统硬件设计

　　2．1 前级采样电路

　　LM35是电压输出型温度传感器，当温度在0 ℃时输出电压为零，当电压每上升1℃输出电压便增加10 mV。较小的电压对A／D采样的精度会造成比较高的影响。所以在LM35输出端连接一个同相放大器。考虑放大时的精度和对共模干扰信号抑制需要，这里选用精密高共模抑制比的运算放大器OPA277。由于实验要求测量精度为0．1℃，要求在5～35℃范围内至少取样300个点，因此，至少选用9位的A／D转换器进行采样才能满足实验要求，考虑到功能扩展的需要，这里选用12位高精度的串口ADS7886来实现。

　　2．2 加热致冷切换控制电路

　　系统必须实现加热和制冷2种功能，制冷片当电压极性相反时，其制冷面和散热面也会交换。则系统电路必须包含加热制冷切换模块，该模块采用2个直流继电器来实现，具体电路如图3所示。

　　2．3 FPGA设计

　　FPGA是该温度控制系统设计的核心，在FPGA中实现加热制冷切换控制模块以及A／D采样模块2个核心部分，在加热制冷控制切换模块中，采用2个继电器控制半导体控制制冷片两端电压极性，A／D采样模块采用状态机控制A／D转换器对放大器OPA277的采样过程。具体电路如图4所示。由以上实验数据可以看出，温度读数精度可以达到0．1℃，同时设定的温度读数和最终结果最大偏离为1．1℃，说明该温度自动控制系统精度较高。同时通过第2组数据可以看出，当温差大于15℃时达到指定温度所需的时间只要148 s，说明该系统设计平衡温度时间较短。