溫控風扇在現代社會中的生產以及人們的日常生活中都有廣泛的應用，如工業生產中大型機械散熱系統中的風扇、現在筆記本電腦上的廣泛應用的智能CPU風扇等。本文設計了基于XILINX FPGA溫控風扇系統，采用FPGA作為控制器，利用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集元件，并根據采集到的溫度，通過繼電器驅動風扇電機。采用熱釋電紅外傳感器，并根據檢測到的溫度與系統設定的溫度的比較實現風扇電機的自動啟動和停止，并能根溫度的變化自動改變風扇電機的轉速，同時在LED數碼管顯示檢測到的溫度與設定的溫度。

　　1 整體方案設計

　　1.1前言

　　隨著人們生活水平及科技水平的不斷提高，現在家用電器在款式、功能等方面日益求精，并朝著健康、安全、多功能、節能等方向發展。過去的電器不斷的顯露出其不足之處。電風扇作為家用電器的一種，同樣存在類似的問題。

　　現在電風扇的現狀：大部分只有手動調速，再加上一個定時器，功能單一。

　　存在的隱患或不足：比如說人們常常離開后忘記關閉電風扇，浪費電且不說還容易引發火災，長時間工作還容易損壞電器。再比如說前半夜溫度高電風扇調的風速較高，但到了后半夜氣溫下降，風速不會隨著氣溫變化，容易著涼。

　　之所以會產生這些隱患的根本原因是：缺乏對環境的檢測。

　　如果能使電風扇具有對環境進行檢測的功能，當房間里面沒有人時能自動的關閉電風扇；當溫度下降時能自動的減小風速甚至關閉風扇，這樣一來就避免了上述的不足。本次設計就是圍繞這兩點對現有電風扇進行改進。

　　1.2系統整體設計

　　本設計的整體思路是：以XILINX FPGA作為控制中心，通過提取熱釋電紅外傳感器感應到的人體紅外線信息，并利用溫度傳感器DS18B20檢測環境溫度并直接輸出數字溫度信號給FPGA進行處理，在LED數碼管上顯示當前環境溫度值以及預設溫度值。通過獨立鍵盤輸入預設溫度值，其中預設溫度值只能為整數形式，檢測到的當前環境溫度可精確到小數點后一位。同時采用PWM脈寬調制方式來改變直流風扇電機的轉速。并通過兩個按鍵改變預設溫度值，一個提高預設溫度，另一個降低預設溫度值。系統結構框圖如下：

圖 系統結構框圖

　　1.3方案論證

　　本設計要實現風扇直流電機的溫度控制，使風扇電機能根據環境溫度的變化自動啟停及改變轉速，需要比較高的溫度變化分辨率以及穩定可靠的換擋停機控制部件。

　　1.3.1 溫度傳感器的選擇

　　在本設計中，溫度傳感器的選擇有以下兩種方案：

　　方案一：采用熱敏電阻作為檢測溫度的核心元件，并通過運算放大器放大，由于熱敏電阻會隨溫度變化而變化，進而產生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再經模數轉換芯片ADC0809將微弱電壓變化信號轉化為數字信號輸入FPGA處理。

　　方案二：采用數字式的集成溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測的核心元件，由其檢測并直接輸出數字溫度信號給FPGA進行處理。

　　對于方案一，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價格便宜，元件易購的優點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉換的過程中還會產生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的R-T關系的非線性，其自身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這不僅將使電路變得更加復雜，而且在人體所處環境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統。

　　對于方案二，由于數字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉化等電路的誤差因數，溫度誤差變得很小，并且由于其檢測溫度的原理與熱敏電阻檢測的原理有著本質的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內部轉化成數字量直接輸出，簡化了系統程序設計，又由于該溫度傳感器采用先進的單總線技術，與FPGA的接口變得非常簡潔，抗干擾能力強，因此該方案適用于本系統。

　　1.3.2 調速方式的選擇

　　方案一：采用數模轉換芯片DAC0832來控制，由FPGA根據當前環境溫度值輸出相應數字量到DAC0832中，再由DAC0832產生相應模擬信號控制晶閘管的導通角，從而通過無級調速電路實現風扇電機轉速的自動調節。

　　方案二：采用FPGA軟件編程實現PWM（脈沖寬度調制）調速的方法。PWM是英文Pulse Width Modulation的縮寫，它是按一定的規律改變脈沖序列的脈沖寬度，以調節輸出量和波形的一種調節方式，在PWM驅動控制的調節系統中，最常用的是矩形波PWM信號，在控制時需要調節PWM波得占空比。占空比是指高電平持續時間在一個周期時間內的百分比。在控制電機的轉速時，占空比越大，轉速就越快，若全為高電平，占空比為100%時，轉速達到最大 ［2］。

　　對于方案一，該方案能夠實現對直流風扇電機的無級調速，速度變化靈敏，但是D/A轉換芯片的價格較高，與其溫控狀態下無級調速功能相比性價比不高。

　　對于方案二，相對于其他用硬件或者軟硬件相結合的方法實現對電機進行調速而言，采用PWM 用純軟件的方法來實現調速過程，具有更大的靈活性，并可大大降低成本，能夠充分發揮FPGA的功能，對于簡單速度控制系統的實現提供了一種有效的途徑。綜合考慮選用方案二。

　　2 各單元模塊的硬件設計

　　系統主要器件包括熱釋電紅外傳感器、DS18B20溫度傳感器、XILINX FPGA、LED共陰數碼管、風扇直流電機。