基于FPGA的溫度自動控制系統

溫度控制系統應用廣泛，溫度是一個重要而普遍的熱工參數。常規的溫度控制方法是設定一個溫度范圍，超出設定允許范圍即進行溫度調控。這種方法實現簡單、成本低，但控制效果不理想，控制溫度精度不高、達到穩定點的時間長，因此，只能用在精度要求不高的場合。而采用PID算法進行溫度控制，具有控制精度高、能夠克服容量滯后的特點，適用于控制品質要求高的控制系統。
單片機作為控制系統的核心部分，廣泛應用。利用單片機控制溫度系統，對環境檢測具有極高的靈敏度，能夠實時實現溫度調節，且效率極高。

1 系統總體方案設計
該溫度控制系統的前級采用LM35型模擬集成溫度傳感器來采集溫度信號并轉化為電壓信號，再經過前級放大后送入ADS7886采樣輸出數字信號，將得到的數字信號送入單片機，單片機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系數并計算出相應的加熱(或制冷)波形的占空比系數，接著將占空比系數送入FPGA，由FPGA內部構建的DDS讀取相應的占空比并轉化為波形輸出，驅動制冷片工作，從而實現木箱內部溫度的自動控制，系統總體設計框圖如圖1所示。該系統設計采用大屏幕點陣式LCD和按鍵進行人機交互，使得系統操作簡單快捷，同時LCD還可實時顯示測量得到的溫度值，并繪制出坐標圖像，統計信息明確直觀。

2 系統硬件設計
2．1 前級采樣電路
LM35是電壓輸出型溫度傳感器，當溫度在0 ℃時輸出電壓為零，當電壓每上升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。考慮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算放大器OPA277。由于實驗要求測量精度為0．1℃，要求在5～35℃范圍內至少取樣300個點，因此，至少選用9位的A／D轉換器進行采樣才能滿足實驗要求，考慮到功能擴展的需要，這里選用12位高精度的串口ADS7886來實現。

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