FPGA温度测量设计
摘 要
温度作为一种最基本的环境参数，与人民的生活有着密切关系。温度的测量和控制在工业、农业、国防、医疗等各个领域中应用普遍。温度测量仪是一种常用的检测仪器。
本文首先介绍了DS18B20的工作原理，利用数字温度传感器DS18B20的数据接口特点，展示了FPGA（Field-Programmable Gate Array，即现场可编程逻辑门阵列）的使用方法以及Verilog HDL（HDL:Hardware Discription Language）语言的编程，完成了基本温度测量功能。给出了硬件电路和软件设计，此设备具有结构简单、转换速度快、精确性高，扩展性好等优点。
关键词：FPGA；DS18B20；测温；Verilog HDL语言
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Design of temperature measurement based on FPGA
Abstract
Tenperture is one of the most basic environmental parameters, and it has a close relationship with people's life. In industry, agriculture, national defense,medical and other fields, temperature measurement and control was widely used.The temperature measuring instrument is a kind of common testing instrument.
In this paper,first we introduces the work principle of DS18B20,and the characteristics of data interface of digital temperature sensor DS18B20, demonstrated how to use FPGA（Field-Programmable Gate Array） and the Verilog HDL（HDL:Hardware Discription Language）programming language,accomplished the function of temperature measurement. Given the hardware circuit and software design.The device has the advantages of simple structure,fast transform speed,high accuracy,good scalability,and so on.
Key Words: FPGA;DS18B20;Temperature measurement;Verilog HDL language
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目 录
中文摘要..................................................................................................1 英文摘要..................................................................................................2 1 绪论 ..........................................................................................................................................1
1.1题目背景意义 ................................................. 1 1.2工作内容 ..................................................... 2
1.2.1技术指标和要求.................................................................................................2 1.2.2设计的难点重点.................................................................................................2
2 系统方案设计 .....................................................................................................................3
2.1温度测量原理及方法 ........................................... 3 2.2系统方案及方框图 ............................................. 3 2.3FPGA技术 ..................................................... 4 2.4DS18B20温度传感器 ............................................ 6
2.4.1DS18B20特性介绍 ............................................................................................6 2.4.2DS18B20测温原理 ............................................................................................7 2.4.3DS18B20供电方式 ................................................................................. 8 2.4.4DS18B20时序 ......................................................................................... 9 2.4.5DS18B20操作命令 ............................................................................... 10 2.5硬件设计 .................................................... 11
2.5.1FPGA最小系统硬件原理图 ................................................................................. 11
2.5.2DS18B20的连接 ................................................................................... 12 2.5.3数码管显示电路 ................................................................................... 12 2.5.4电源电路 ........................................................................................................... 13 2.5.5时钟电路 ........................................................................................................... 13 2.5.6复位电路 ........................................................................................................... 13 2.6软件设计流程图 .............................................. 13 3 功能模块建立及仿真 ........................................................................................................ 15
3.1QuartusⅡ及VHDL语言 ......................................... 15
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3.1.1QuartusⅡ介绍 ....................................................................................... 15 3.1.2Verilog HDL介绍 .................................................................................. 16 3.1.3QuartusⅡ的使用 ................................................................................... 17 3.2分频 ........................................................ 19 3.3温度信号采集 ................................................ 20 3.4数码管显示 .................................................. 20 3.5顶层原理图 .................................................. 21
4 下载调试及实际测量 .................................................................................................. 22 5 设计遇到的问题及误差分析 .................................................................................. 23
5.1设计遇到的问题及分析 ........................................ 23 5.2误差分析 .................................................... 23
6 总结 ....................................................................................................................................... 24 致 谢........................................................................................................................................ 25 参考文献 .................................................................................................................................. 26 毕业设计（论文）知识产权声明 .................................................................... 27 毕业设计（论文）独创性声明 ......................................................................... 28
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1绪论
1 绪论
1.1 题目背景意义
温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制七个基本物理量之一，作为一种最基本的环境参数，与人民的日常生活有着密切关系。温度的测量和控制在工业、农业、国防、医疗等各个领域中应用普遍。
温度测量方法也有很多，基本分为两大类，接触式和非接触式。接触式测温方法包括膨胀式测温、电量式测温、接触式光电，热色测温等几类。接触测温法在测量时需要与被测物体或介质充分接触，一般测量的是被测对象和传感器的平衡温度，测量时会对被测温度有影响。非接触式测温方法不需要与被测对象接触，因而不会有干扰，动态特性很好，但会受到被测对象表面状态或测量介质的影响。
电量式测温方法主要利用材料的电势，电阻或其他电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻的温度测量、集成芯片温度测量等。
随着电子技术的发展，可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上，构成一个小型化，一体化及多功能化的专用集成电路芯片，输出信号可以是电压、频率、或总线数字信号，使用非常方便，适用于便携式设备，有着广泛的适用范围。
FPGA(Filed-Programmable Gate Array)即现场可编程逻辑门阵列，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路领域中的一种半制定电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。与单片机或其他技术相比较而言,FPGA芯片内部集成了很多有用的模块，其运行速度快,编程较为简单,适用场合多,拓展性强，降低了设计难度。DS18B20温度传感器接线方便，封装多样，具有体积小、使用方便、耐磨耐碰等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，是各种温度测量场合的首选产品。
在本文中，利用FPGA器件与DS18B20温度传感器设计实现了一种数字温度测量仪，检测室温，与其它系统相比较，此测量仪具有结构简单、抗干扰能力强、精确性高、转换速度快、扩展性好等优点。通过本设计可以对FPGA技术加深印象,在今后的设计与开发工作中将大有用处。
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