基于FPGA的温度监控系统

摘要

本论文介绍了一个基于FPGA的数字温度计电路的设计与实现。该电路采用数字温度传感器DS18B20采集外界环境温度，同时结合该传感器的数据接口和特点，使用FPGA作为控制器，严格控制DS18B20 的时序 ,在单总线上实现读写功能，完成测量数字温度的功能。再将采集的二进制数转换为BCD码 ,并通过数码管显示。该系统软件设计通过 Verilog HDL 语言进行编译。这次设计相比于传统的数字温度计具有结构简单，抗干扰能力强，功耗小，可靠性高，反应时间短等优点。

关键词：数字温度计；FPGA ；Verilog HDL ；DS18B20

ABSTRACT

This paper expounds a design and implementation of a digital thermometer circuit based on FPGA. The circuit adopts the digital temperature sensor DS18B20 collecting the environment temperature, combining with the characteristics of the sensor data interface, using FPGA as the controller, strict control over the timing of DS18B20, read and write functions on 1-wire, complete the function of digital temperature measurement. Then measure the binary number into BCD code, and display it on the digital tube. The program design of the system is compiled by Verilog HDL language. Compared to the traditional digital thermometer, it has many advantages such as simpler structure, strong anti-interference ability, low consumption, high reliability, short reaction time.

Keywords：Digital thermometer, FPGA, Verilog HDL, DS18B20

山东科技大学学士学位论文 目录

目录

1绪论 ................................................................................................. 1

1.1课题研究意义 ............................................... 1 1.2课题相关技术的发展 ......................................... 2 1.3课题的主要研究内容 ......................................... 3 1.4论文结构安排 ............................................... 3

2 总体方案的论证 .......................................................................... 5

2.1 方案的选择 ................................................ 5 2.2 方案论证与确立 ............................................ 7 2.3 Quartus II介绍 ............................................ 7

3. 系统的硬件设计 ......................................................................... 10

3.1 系统的总体结构设计 ........................................ 10 3.2 数据处理模块 .............................................. 15 3.3数码管显示模块 ............................................ 22

4 系统总体模块设计 .................................................................... 24

4.1 Verilog HDL语言介绍 ...................................... 24 4.2 软件程序设计 .............................................. 25

5整体编译结果与分析 ................................................................... 30

5.1 整体编译 ................................................. 30 5.2 程序的下载调试 ............................................ 31

6 设计中遇到的问题 ...................................................................... 33

山东科技大学学士学位论文 目录

7结束语 ........................................................................................... 34 参考文献 .......................................................................................... 35 附录 .................................................................................................. 36

附录A系统总体电路图 .......................................... 37 附录B 系统总程序 ............................................. 37 附录 C 外文翻译 ............................................... 49

山东科技大学学士学位论文 绪论

1绪论

1.1课题研究意义

温度是生活中最基本的环境参数。温度的监测与控制，对于生物的生存与生长，工业生产发展都有着非同一般的意义。温度传感器的应用涉及机械制造、工业过程控制、汽车电子产品、消费电子产品和专用设备等各个领域。传统的常用温度传感器有热电偶、电阻温度计RTD和NTC热敏电阻等。但信号调理，模数转换及恒温器等功能全都会增加成本。现代集成温度传感器通常包含这些功能，并以其低廉的价格迅速占据了市场。Dallas Semiconductor 公司推出的数字式温度传感器DS18B20采用数字化一线总线计数具有很多的优异特性。其一，它将控制线、地址线、数据线合成一根导线，允许在同一根导线上挂接多个控制对象，形成多点一线总线测控系统。布线施工方便，成本低廉。其二，线路上传送的是数字信号，所受的干扰和损耗小，性能好。本课题旨在分析和设计数字化温度测控系统。本系统采用FPGA实现一个数字温度计，采用Verilog HDL作为开发语言，实现对温度的测量。

由于单片机设计的控制器生产成本较低，所以过去人们通常使用这种方法来设计数字温度计。这种设计方法的缺点是它并不能完成很复杂的功能，只能进行一些简单的运算和控制，并且设计的控制器性能也很一般。因此，在这种情况下，研究人员要是想进一步的提升技术，就不得不冒着牺牲机器性能的风险来扩展外部硬件电路，显然用这种传统的方法设计数字温度计，既具有局限性又具有一定的难度，所以我们要寻找一种新的设计方法来替代这种传统的研究方法。

FPGA是Xilinx公司率先提出的概念，又名现场可编程门阵列，它是以

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