摘 要

温度传感系统广泛的用于工业生产和实验科研领域，本设计设计实现了一种基于FPGA控制的多点的温度传感系统，可以实现对多点的温度的监测、控制和逾阈报警^[1]。该设计用5V电压为FPGA模块供电，由FPGA模块驱动DS18B20温度传感器，PC端与FPGA模块通过串口相连，实现多点实时温度的显示和报警阈值设置。使用PC端的串口调试软件对FPGA进行指令控制，FPGA控制模块负责指令的解析、置位数码管和蜂鸣器、温度传感器的读写控制和温度数据转换，然后通过串口发送模块返回数据到上位机。本论文主要研究了DS18B20温度传感器的工作原理和控制方式，并对如何用上位机通过串口对FPGA实现控制进行了探究。论文实现的多路温度传感系统，下位机能监测不同区域的多点温度，上位机可以显示实时温度并发送并行数据到FPGA，对异常温度进行报警，内部逻辑由软件算法实现。所做硬件中温度传感器DS18B20与FPGA的传感器接口相连，上下位机的通信通过串口UART实现。

关键词：FPGA；DS18B20；位机；串口；有线连接

Abstract

The temperature sensing system is widely used in the fields of industrial production and experimental scientific research. This design design implements a multi-point temperature sensing system based on FPGA control, which can realize the monitoring, control and over-threshold alarm of multi-point temperature. The design uses a 5V voltage to power the FPGA module. The FPGA module drives the DS18B20 temperature sensor. The PC is connected to the FPGA module through a serial port to realize multi-point real-time temperature display and alarm threshold setting. Use the serial port debugging software on the PC to control the FPGA. The FPGA control module is responsible for the analysis of the command, the read and write control of the digital tube and buzzer, and the temperature sensor, and the conversion of the temperature data. . This paper mainly studies the working principle and control method of the DS18B20 temperature sensor, and explores how to use the host computer to control the FPGA through the serial port. The multi-channel temperature sensing system implemented in the paper can monitor the multi-point temperature in different areas by the lower-level machine. The upper-level machine can display the real-time temperature and send parallel data to the FPGA to alarm the abnormal temperature. The internal logic is implemented by software algorithm. The temperature sensor DS18B20 in the hardware is connected to the FPGA sensor interface, and the communication between the upper and lower computer is realized through the serial port UART.

Key Words: FPGA; DS18B20; Serial port; Wired connection

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 研究目的意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 研究主要内容与章节安排 2

第2章 温度传感报警系统关键技术及原理 3

2.1 FPGA与Quartus开发环境简介 3

2.1.1 FPGA简介 3

2.1.2 Quartus II开发环境简介 3

第3章 系统逻辑架构与实现 5

3.1 系统工作逻辑结构 5

3.2 系统硬件模块原理 5

第4章 FPGA与PC通信部分原理与实现 7

4.1 FPGA与PC的通信 7

4.1.1 UART接口发送 8

4.1.2 UART接口接收 11

第5章 温度传感器采集与显示部分原理与程序实现 13

5.1 温度采集与显示原理 13

5.5.1 温度采集 13

5.5.2 数码管显示 16

第6章 报警部分及控制模块 18

6.1 报警部分 18

6.6.1 蜂鸣器的驱动 18

6.6.2 控制模块及驱动编写 18

6.2 控制模块 20

第7章 实物调试及功能检查 21

第8章 结论 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

温度在人们生产和生活中是最基本的物理量，它体现的是一个实体的受温水平。在生活中大多数物理、化学过程都与温度有相当重要的联系。在各种生产和生活进程中，如何测量和进行温度报警都直接与实际生产、进步出产效力、提高产品质量、节省能源等很多技术经济指标相联系。自工业生产以来，温度的监测和报警贯穿其中。温度的实时监测以及预警在社会生活的各个领域起着至关重要的作用。人们很久以前就开始进行温度的监测和控制，从科学家第一次研制出气体温度计，再到一个世纪年后水银温度计出现了。之后又有了热电偶温度传感器，实现了温度转变成其他信号。本世纪随着半导体产业的发展，接踵出现了林林总总的温度传感器，和集成的智能温度传感器。随着工业发展和生活的进步，如何测量和控制温度的技术会一直发展下去。

1.2 研究目的意义

在日常生活中，温度与人们息息相关，无论是工业领域，还是生产生活、科研中，是一个很重要的物理量，同时也是国际标准单位制之一，最基本的环境变量。在工业生产和实验科研中，诸多领域如电路、化工、燃料、炼金、精密制作、交通运输、工业消防、很多大型的场所，还有人们的日常起居生计都需要监测周围的温度，并根据现实情况以及紧急情况提前进行温度的报警和调节。例如，对通电的设备进行温度实时测量，通过对数据的计算及时找到存在的问题，进行提前的预防；许多化学反应必须有一定的温度条件才能进行反应；失去了正常的温度状况，大多数需电产品无法合理的运行；蕴藏的食粮可能会腐烂变质，人体代谢机制不能正常进行等等^[2]。

在一些特定情况中，温度检测跨度较大，测点间隔远，要进行布线很不方便。从而就不能通过有线方式对温度数据进行采集。例如半导体工业中，制造车间温度的控制是非常重要的，严苛的制造流程、产品的精度要求都首先需要一个合适的温度环境。此外，有些工艺步骤还会导致机台某处温度骤升，如果不能提前监测、及时控制，会引发不必要的事故。