太陽能熱水器水位自動控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計論文.doc

太陽能熱水器水位自動控制系統(tǒng)摘要太陽能熱水器，作為三大熱水器之一，因其無污染，使用方便，長期投入成本低等特點，而越來越受到人們的青睞，其使用已相當(dāng)普及。但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開發(fā)階段。目前，市面上已有很多太陽能熱水器的控制器具有溫度和水位的顯示功能，并且很多通過溫度傳感器以及安裝電磁閥進(jìn)行電輔助加熱，已經(jīng)能解決水溫的自動控制。然而，在水位自動控制的方面依然不是那么完美，在很多時候，消費者在使用的過程中，往往會因水箱中水量不足并且不知情的情況下洗澡時遭受到突然沒水的尷尬場面，從而影響人們的心情，生活和正常的工作。本設(shè)計通過利用溫度傳感器和液位傳感器的結(jié)合，使我們理想中的既能自動控制溫度，也能自動控制水位，溫度和水位利用開關(guān)按扭轉(zhuǎn)換的太陽能熱水器實現(xiàn)，方便廣大消費群眾。關(guān)鍵詞: 太陽能熱水器;水位;自動控制the automatic control system of water level for soler water heaterabstrctsolar water heaters, as one of the three water heaters, because of its clean, easy to use, low cost long-term investment, more and more people of all ages, their use has become quite common. however, accompanying the supporting controller still has been in research and development stage. at present, there are already many solar water heater controller with temperature and water level display, and many through the temperature sensor and solenoid valves were installed auxiliary electric heating, has been able to solve the water temperature control. nevertheless, water level control of the area is still not so perfect, in many cases, consumers in the use of the process, often due to inadequate water tank, and without the knowledge of the water bath did not suffer from the embarrassing scene of a sudden, so influence peoples feelings, life and normal work. this design through the use of temperature sensors and liquid level sensor combination of both our ideal temperature control can also control the water level, temperature, and water use switch button conversion of solar water heaters to achieve, facilitate the broad consumer public.keywords: soler water heater; water level;automatic control目錄摘要1abstrct1第一章 緒論51.1太陽能熱水器的發(fā)展背景51.1.1太陽能熱水器發(fā)展的政治法律環(huán)境51.1.2太陽能熱水器發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境51.1.3太陽能熱水器發(fā)展的社會文化環(huán)境51.1.4太陽能熱水器發(fā)展的技術(shù)環(huán)境51.2太陽能熱水器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀61.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀61.2.2 國外發(fā)展?fàn)顩r71.3課題研究的主要內(nèi)容81.4本課題研究的目的及意義81.5本章小結(jié)9第二章 太陽能熱水器系統(tǒng).102.1太陽能熱水器的基本原理102.2太陽能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)102.3太陽能熱水器電氣控制112.4本章小結(jié)11第三章 傳感器的特點及應(yīng)用.123.1傳感器的特點、作用123.1.1傳感器電子學(xué)的特點123.1.2傳感器的重要作用133.1.3傳感器技術(shù)的展望133.2傳感器的特性143.2.1傳感器的靜態(tài)特性143.2.2 傳感器的動態(tài)特性183.3 信號處理方式193.3.1特性補(bǔ)償203.3.2運算處理213.3本章小結(jié)21第四章 硬件組成及電路設(shè)計.224.1硬件電路總體設(shè)計224.2硬件電路芯片的選型234.2.1 fpga選用234.2.2 ip核的選用244.2.3處理器選用254.2.4 a/d芯片的選型及接口設(shè)計264.2.5顯示器件的選型及接口設(shè)計274.2.6 epcs的選型及接口設(shè)計284.2.7鎖存器的選型及接口設(shè)計304.3 fpga外部硬件電路的設(shè)計314.3.1溫度測量電路的設(shè)計314.3.2水位檢測電路的設(shè)計334.3.3上水控制電路的設(shè)計334.3.4加熱控制的電路的設(shè)計344.3.5鍵盤電路的設(shè)計354.4 fpga內(nèi)部硬件電路的設(shè)計354.4.1 fpga內(nèi)部硬件電路結(jié)構(gòu)354.4.2 fpga內(nèi)部硬件電路各模塊分析364.4.3 fpga內(nèi)部各模塊電路的設(shè)計374.5系統(tǒng)的可靠性設(shè)計404.5.1硬件抗干擾措施404.5.2軟件抗干擾措施414.6本章小結(jié)42第五章 軟件設(shè)計.435.1軟件設(shè)計需求435.2軟件功能模塊的劃分435.3系統(tǒng)模塊的軟件設(shè)計435.3.1鍵盤模塊435.3.2顯示模塊485.3.3溫度檢測模塊495.3.4水位檢測模塊525.3.5上水模塊535.3.6電加熱模塊545.4 本章小結(jié)56總結(jié).57參考文獻(xiàn).58致謝.61第一章 緒論1.1太陽能熱水器的發(fā)展背景1.1.1太陽能熱水器發(fā)展的政治法律環(huán)境近年來，為緩解我國能源危機(jī)及環(huán)境污染問題，新能源和可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視。而我國太陽能資源極為豐富，有很大的利用價值空間，太陽熱水器已被國家列為重點推廣的項目。中華人民共和國可再生能源法已于2006年1月1日施行，其中第十七條規(guī)定：國家鼓勵單位和個人安裝和使用太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能供熱采暖和制冷系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)。今后，國家還將出臺一些有利政策來鼓勵太陽熱水器的推廣應(yīng)用。這些不僅為太陽熱水器的生產(chǎn)與安裝提供了一個很有利的政治法律環(huán)境，而且為太陽熱水器的推廣應(yīng)用提供了法律保障。1.1.2太陽能熱水器發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境在最近20年，中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人民逐漸富裕起來。據(jù)預(yù)測，到2010年我國gdp將達(dá)到21.5萬億元左右，人均gdp將達(dá)到1900美元。從人們的收入來看，價格為15002500元的太陽熱水器完全可以成為大多數(shù)中國居民的家用耐用品之一，尤其是在中國廣闊的農(nóng)村市場，特別是先富起來的小城鎮(zhèn)。1.1.3太陽能熱水器發(fā)展的社會文化環(huán)境隨著人們生活水平的提高，熱水器已成為大部分居民家庭中的必備家用耐用品之一。近年來，越來越多的人開始關(guān)注環(huán)境污染，綠色、環(huán)保、健康成為消費者購買商品時的重點考慮因素。太陽熱水器無污染、節(jié)能、環(huán)保、安全。隨著我國煤電氣等能源的日趨緊張，價格不斷調(diào)高，人們對太陽熱水器的需求越來越迫切。我國有近13億人口，3億多家庭，而太陽熱水器的消費受年齡層次的影響很小，是大眾化的家庭耐用品。1.1.4太陽能熱水器發(fā)展的技術(shù)環(huán)境太陽熱水器產(chǎn)品類型主要有真空管型、平板型和悶曬型三大類型技術(shù)板塊。目前比較先進(jìn)的太陽熱水器技術(shù)有分體式太陽熱水器技術(shù)、壁掛式太陽熱水器技術(shù)、承壓式太陽熱水器技術(shù)、太陽能熱泵熱水器，還有正在研究中的太陽能熱水空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，夏天在不太需要熱水的時候，利用熱水器產(chǎn)的熱水帶動空調(diào)制冷，冬天利用熱水器產(chǎn)的熱水供暖或洗浴，這種高效率的綜合利用太陽熱水器的技術(shù)是今后發(fā)展的趨勢。從政治法律環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會文化環(huán)境、技術(shù)環(huán)境幾個方面綜合分析來看，中國太陽能熱水器市場目前具有良好的發(fā)展環(huán)境，處于產(chǎn)品生命周期的成長期，市場需求量和潛在用戶迅速增長，目前沒有新的替代品的威脅，又有國家政策的鼓勵，市場前景十分廣闊。但是，目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠家很多，市場競爭十分激烈，大部分是生產(chǎn)質(zhì)次價低的小作坊式的生產(chǎn)企業(yè)，許多消費者也意識到了這種質(zhì)次價低的產(chǎn)品的危害，隨著市場的成熟，這些小企業(yè)將逐步被淘汰。而目前實力較強(qiáng)的企業(yè)中還沒有占絕對優(yōu)勢的品牌，沒有形成寡頭壟斷競爭的格局。因此，中國太陽能熱水器企業(yè)立足目前這種市場狀況，注重科研技術(shù)開發(fā)，在市場競爭中采取技術(shù)領(lǐng)先的差異化戰(zhàn)略，生產(chǎn)出高質(zhì)量的滿足用戶需要的產(chǎn)品，必將有廣闊的發(fā)展前景。1.2太陽能熱水器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 中國的太陽能熱水器市場發(fā)展很快，總的保有量和年生產(chǎn)能力世界第一。但主要是以真空管直插式的簡易產(chǎn)品為主，工程也以非承壓單循環(huán)為主。中國的太陽能廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品很多，追求全面，主要生產(chǎn)廠家不僅生產(chǎn)水箱、支架還生產(chǎn)真空。中國太陽能市場運作主要是以制造商發(fā)展經(jīng)銷商，以專賣店形式銷售產(chǎn)品。制造商不僅制造產(chǎn)品還負(fù)責(zé)市場及品牌運作、工程安裝和售后服務(wù)。中國的太陽能產(chǎn)品開發(fā)主要由各個制造廠的技術(shù)部負(fù)責(zé)，各自為政，包括工程系統(tǒng)應(yīng)用也是如此。由于各個廠所能聘用的專業(yè)研發(fā)人員數(shù)量和質(zhì)量有限，導(dǎo)致了中國太陽能的利用沒有大的突破。近年來，太陽能熱水器在我國迅猛發(fā)展，從20世紀(jì)70年代后期就開始了開發(fā)家用太陽能熱水器。到20世紀(jì)90年，它不僅可為家庭和機(jī)關(guān)、旅社、醫(yī)院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需熱水同時還可用于空調(diào)、干燥、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水淡化等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能熱水器也隨之不斷改進(jìn)，由集熱和貯熱合為一體逐步改進(jìn)為集熱和貯熱部分分開，采用先進(jìn)的太陽能集熱器，先進(jìn)的保溫材料和冬季防凍技術(shù)及其他輔助裝置等?，F(xiàn)如今生產(chǎn)的先進(jìn)的太陽能熱水器已實現(xiàn)了全年運行，大大提高了太陽能熱水器的熱效率和利用效率。目前，太陽能熱水器是可再生能源技術(shù)領(lǐng)域商業(yè)化程度最高，推廣應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。太陽能熱水器的技術(shù)發(fā)展: 其一、利用副水箱自動上水，無須人工操作，特別適用于供水供電不很正常的農(nóng)村。當(dāng)白天出現(xiàn)水壓不足，停電上不了水的情況時，到了深夜，它能自動上水，水滿自停，可靠性高，使用壽命長。 其二、自動控制方面，大多數(shù)廠家的產(chǎn)品采用電腦線控方式，線控的主要目的是控制面板能與主體分離，以利于操作。電腦控制能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的溫度控制和熱水預(yù)約功能，具有自動記憶功能，能夠記錄使用者的用水時段、用水次數(shù)、用水量和用水溫度，到時提前自動加熱，充分的滿足使用者用水的要求。 其三、節(jié)能方面，廠商已經(jīng)開始從高效率方面來改進(jìn)產(chǎn)品。利用良好的保溫技術(shù)，使熱水保持到第二天使用。比力奇、前鋒和西門子的雙內(nèi)膽結(jié)構(gòu)：兩個內(nèi)膽上下放置，相互連通，下膽進(jìn)冷水，上膽出熱水，減少了熱水與冷水的接觸面，提高了出熱水量，節(jié)能省電。海爾的分層加熱技術(shù)、西門子的接力式加熱管以及阿里斯頓的“z”型加熱管都能根據(jù)用水量充分的加熱特定區(qū)域。1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 太陽能熱水器是一種清潔，環(huán)保，節(jié)能的產(chǎn)品。世界各國對太陽熱水器的開發(fā)十分重視。各國紛紛制定太陽熱水器技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，大大地加速了該行業(yè)的發(fā)展。美國的“百萬太陽能屋頂計劃”實施將帶動大批相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。歐共體提出了“太陽熱水系統(tǒng)熱能供給保證體制”，以合同的形式對用戶實現(xiàn)供熱水的承諾。先后在法國、西班牙和德國加以實施，已取得了良好的效果。以色列是一個化石能源資源較少而太陽能資源十分豐富的國家。政府對太陽熱水器的開發(fā)利用進(jìn)行了直接干預(yù)。韓國，東南亞各國也制定了支持開發(fā)利用太陽熱水器的優(yōu)惠政策，紛紛吸收外資到本國開辦太陽能企業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能熱水器也隨之不斷改進(jìn)。以色列農(nóng)民在政府的支持下85%的住宅都村安裝了太陽能熱水器。美國有130多萬個游泳池都裝上了太陽能集源熱器，成為環(huán)保型的太陽能游泳池。太陽能熱水器在國外的應(yīng)用：其一、針對城市住宅的安裝使用，集體組裝、分戶使用的、全天候運行的、具有自動控制的、每戶裝有熱水表的太陽熱水系統(tǒng)。其二、適用不同用戶需要的、滿足各種建筑物結(jié)構(gòu)和外觀要求具有個性化的產(chǎn)品。其三、滿足各種行業(yè)的應(yīng)用。商業(yè)與服務(wù)業(yè)的洗車、餐飲、洗浴、洗染、美容、賓館和飯店以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室加熱、畜禽養(yǎng)殖等都需要大量的熱水；太陽熱水系統(tǒng)與沼氣池結(jié)合起來，可以提高發(fā)酵溫度，大大地提高其產(chǎn)氣率；在工業(yè)生產(chǎn)中也有不少使用熱水的場所，如皮革加工、機(jī)械零件的清洗以及預(yù)熱等。太陽熱水器和被動太陽房相結(jié)合進(jìn)行采暖是一種值得推廣的技術(shù)。另外，主動太陽房利用太陽熱水器和其它能源相結(jié)合，進(jìn)行地板采暖也有很好的經(jīng)濟(jì)效益。1.3課題研究的主要內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容：(1)在fpga上進(jìn)行處理器系統(tǒng)的設(shè)計。(2)進(jìn)行芯片的選型及接口設(shè)計。(3)進(jìn)行其它硬件電路及軟件的設(shè)計。1.4本課題研究的目的及意義太陽能熱水器已走進(jìn)千家萬戶，太陽能熱水器行業(yè)蓬勃發(fā)展，前景廣闊，但是消費者的需求越來越高，現(xiàn)有的太陽能熱水器并不能很好的滿足消費者需求。隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、生活水平的提高，人們早己不再滿足于只有使用功能的產(chǎn)品，人們在關(guān)注產(chǎn)品保證一定物質(zhì)功能的同時，越來越注重在使用過程中的舒適、高效、安全的操作。對太陽能熱水器的使用方便性、安全性、操作界面的人機(jī)友好性提出了更高的要求。本文設(shè)計了太陽能水位自動控制系統(tǒng)。設(shè)計這個系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)水溫自動控制哦的基礎(chǔ)上實現(xiàn)水位的自動控制。本文研究的意義也有兩方面：一方面，節(jié)省能源：我們現(xiàn)在所消費的能源，主要是煤炭、石油和天然氣等化石燃料，這些常規(guī)的化石燃料資源有限，不可再生。而太陽能是人類可以利用的，最豐富的新能源。另一方面，保護(hù)環(huán)境，減少污染：環(huán)境問題是目前全世界都關(guān)注的一個問題。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，煤炭的大量開采與利用，必將造成大氣和其他類型環(huán)境污染及生態(tài)破壞。這對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。而太陽能是一種綠色能源，不會排放任何污染大氣和其他類型環(huán)境的有害物，是與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源。1.5本章小結(jié)本章通過政治法律環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會文化環(huán)境、技術(shù)環(huán)境幾個方面綜合分析，概述了中國太陽能熱水器市場目前具有良好的發(fā)展環(huán)境，處于產(chǎn)品生命周期的成長期，市場需求量和潛在用戶迅速增長，又有國家政策的鼓勵，市場前景十分廣闊。同時從太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀入手，通過國內(nèi)外太陽熱水器在制造產(chǎn)品，生產(chǎn)方式，市場運作方式，新產(chǎn)品研發(fā)方式比較，指出了我國在太陽能產(chǎn)業(yè)方面的不足，提出了今后努力方向：注重科研技術(shù)開發(fā)，在市場競爭中采取技術(shù)領(lǐng)先的差異化戰(zhàn)略，生產(chǎn)出高質(zhì)量的滿足用戶需要的產(chǎn)品。概括地介紹了研究的內(nèi)容及研究方法。闡述了研究太陽能熱水器的目的及意義。第二章 太陽能熱水器系統(tǒng)2.1太陽能熱水器的基本原理太陽能熱水器就是利用溫室原理，把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種裝置。所謂溫室原理就是指由于對流、輻射損失減少，使熱量聚積，溫度逐漸升高的一種自然現(xiàn)象。具體來說，太陽光透過玻璃進(jìn)人密封的集熱器內(nèi)，大部分能量被集熱器內(nèi)的黑色吸收體吸收，然后將熱量傳給冷水，冷水加熱后重量變輕，自動流入水箱上部，水箱下部的冷水由于密度大而自動流入吸熱體繼續(xù)獲得熱量，周而復(fù)始，水箱內(nèi)的全部冷水將被加熱。2.2太陽能熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)太陽能熱水器系統(tǒng)是由太陽能熱水器和控制器組成。而太陽熱水器由集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)連接管道、支架及其輔助部件(加熱等)組成。而控制器是由輸入，顯示，檢測，控制電路組成。太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1太陽能熱水器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3太陽能熱水器電氣控制(1)首先加水，使太陽能集熱板處于滿水狀態(tài)，這時太陽能集熱板工作。(2)自動上冷水及蓄熱水。通過分別安裝在太陽能集熱板和太陽能蓄熱水箱內(nèi)的溫度傳感器實時收集兩個容器內(nèi)的水溫信號。通過信號轉(zhuǎn)換，使溫度值轉(zhuǎn)換成電壓值在控制電路中進(jìn)行比較，當(dāng)兩者的溫度差值達(dá)到預(yù)先給定的設(shè)定值時，控制器發(fā)出啟動信號，啟動循環(huán)水泵。將熱水放入太陽能蓄水箱，冷水進(jìn)入太陽能集熱板。由于溫度信號的檢測是實時的，所以當(dāng)溫度差小于給定值后，控制器的啟動信號消失，循環(huán)泵停止工作，太陽能集熱板的水進(jìn)入加熱過程。(3)單獨控制蓄熱水箱中的電加熱器的工作。水溫也是通過安裝在水箱中的溫度傳感器實時檢測的。溫度信號通過轉(zhuǎn)換以后，跟控制器內(nèi)設(shè)定的可以代表相應(yīng)溫度的電壓值進(jìn)行差值比較。如果溫度差(給定值測量值)為零值或者負(fù)值，說明水箱中的水溫達(dá)到要求，不需要加熱。如果為正值，說明水溫未達(dá)到要求，控制器產(chǎn)生的執(zhí)行信號，經(jīng)放大電路放大產(chǎn)生驅(qū)動信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，開啟電加熱器。(4)太陽能熱水器的電氣保護(hù)。當(dāng)太陽輻射量很大時(即在太陽能蓄熱水箱中的水溫過高，已經(jīng)滿足使用需要，不需要再經(jīng)過蓄熱水箱中的電加熱器加熱)，蓄熱水箱中的電加熱器關(guān)閉，電蓄熱水箱作為太陽能熱水器的備用水箱。相反，在冬天或者連續(xù)陰雨天輻射量很小時，控制器通過控制電路使太陽能蓄熱水箱中的電加熱器開啟，給蓄熱水箱中的水加熱，通過熱傳遞保證了水管不會在寒冷的天氣中被凍壞。(5)熱水器中一些輸入按鍵，用于熱水器水位，溫度的設(shè)置。2.4本章小結(jié)本章先介紹了太陽能熱水器的基本工作原理；然后畫出了太陽能熱水器的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖，既用fpga來構(gòu)建處理器系統(tǒng)，來完成數(shù)據(jù)采集與控制；最后闡述了太陽能熱水器電氣控制過程。第三章 傳感器的特點及應(yīng)用3.1傳感器的特點、作用3.1.1傳感器電子學(xué)的特點傳感器就是一種能感知某一物理量的信息，并能將該信息轉(zhuǎn)化為有用信號的裝置。它能代替人的五感，還能檢測人的五官所不能感覺到的現(xiàn)象(如紅外線等電磁波、能量小的超聲波)。傳感器電子學(xué)是研究傳感器的學(xué)科。傳感器電子學(xué)有如下特點:一、學(xué)科的邊緣性傳感器電子學(xué)是以各種材料的物理效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物傳感機(jī)理作為理論基礎(chǔ)，開發(fā)新的功能材料，并使材料功能實用化而發(fā)展起來的一門新學(xué)科。二、設(shè)計的綜合性人類社會中，光、聲、熱、濕度、位移、距離、角度、重量、速度等信息千變?nèi)f化，所用材料名目繁多，工作環(huán)境與技術(shù)要求形形色色，傳感器與計算機(jī)要相互匹配。這一切決定了傳感器設(shè)計的綜合。三、功能的潛在性傳感器是人的五官功能的擴(kuò)展，其功能各種各樣。它能代替人的視覺、觸覺、聽覺等五官感覺的功能，它能檢測人的五官不能感覺的現(xiàn)象。四、應(yīng)用的廣泛性傳感器功能的潛在性決定了應(yīng)用的廣泛性。它既可用于軍事工程，又可用于工農(nóng)業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)各部門。它被譽(yù)為“八十年代最具有時代性的大量生產(chǎn)的商品?！蔽濉y試的精確性非電量測試技術(shù)是傳感器計量檢測的核心，與通用性強(qiáng)的信息、科學(xué)技術(shù)相比，傳感器技術(shù)是一門因檢測對象不同而技術(shù)各異的專門技術(shù)。各類信息的量程寬，如溫度:一273一40000k，壓力:133.322pa/emz一lo6kpa，加速度1100009。測試精度高，多數(shù)產(chǎn)品的精度為0.25%、0.1%，個別產(chǎn)品精度可優(yōu)于0.001%。動態(tài)測試技術(shù)難度大，如感應(yīng)濕度的響應(yīng)時間，力學(xué)量傳感器的頻響特性與靈敏度測試等。六、工藝的復(fù)雜性傳感器的工藝復(fù)雜。如微型傳感器要求直徑為1二的精加工技術(shù)，硅應(yīng)變片傳感器要求厚度小于1pm的超薄加工技術(shù):耐壓大于106kpa的壓力傳感器要求密封技術(shù);智能傳感器必須解決“三維”結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。七、生產(chǎn)的分散性多數(shù)傳感器都是多品種小批量生產(chǎn)，故傳感器的生產(chǎn)是一種分散型的工業(yè)。3.1.2傳感器的重要作用(l)信息的收集科學(xué)研究中的計量測試，產(chǎn)品制造與銷售中所需的計量等都要由測量而獲得準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù);對某種特定要求，需檢測目標(biāo)物的存在狀態(tài)，把某狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換位數(shù)據(jù);判斷產(chǎn)品是否合格，或人體各部分的異常診斷等都需要由傳感器來測量。(2)信息數(shù)據(jù)的交換。把以文字、符號、代碼、圖形等各種形式記錄在紙上或膠片上的信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算機(jī)、傳真機(jī)等易處理的信號數(shù)據(jù)，或者讀出記錄在各種媒介體上的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如，磁盤與光盤的信息讀出磁頭就是一種傳感器。(3)控制信息的采集檢測控制系統(tǒng)處于某種狀態(tài)的信息，并由此控制系統(tǒng)的狀態(tài)，或者跟蹤系統(tǒng)變化的目標(biāo)值。3.1.3傳感器技術(shù)的展望傳感器技術(shù)的應(yīng)用范圍非常之廣。它會隨著不斷滿足社會性的需求而不斷增加。新傳感器的開發(fā)和應(yīng)用，要求傳感器技術(shù)的三大支柱即“檢測原理”、“生產(chǎn)技術(shù)”和“現(xiàn)場(試驗)數(shù)據(jù)”協(xié)調(diào)發(fā)展。傳感器必然走向全數(shù)字化。傳感器系統(tǒng)將集成在一個芯片上，其中包括為傳感器處理器和位執(zhí)行器，它們構(gòu)成一個閉環(huán)工作為系統(tǒng)。有數(shù)字與更高級的計算機(jī)控制相連，通過利用專家系統(tǒng)中得到的算法對基本微傳感器部分提供更好的校正與補(bǔ)償。傳感器的功能會更多，精度和可靠性會更高，智能化的程度也將不斷的提高，優(yōu)點會越來越明顯。3.2傳感器的特性3.2.1傳感器的靜態(tài)特性對傳感器靜態(tài)特性的基本要求有:輸入位0時，輸出也為0;輸出相對輸入應(yīng)保持一定的對應(yīng)關(guān)系。例如圖3一1所示: 圖31 輸入與輸出的關(guān)系若傳感器的輸入量為(x)，輸出量為(y)，則y=f(x)，最好x/y為恒定的比例關(guān)系。l、靈敏度與信噪比(s/n)選用傳感器首先考慮的是靈敏度。如果達(dá)不到測量時所必須的靈敏度，這種傳感器不能采用。但靈敏度高的傳感器不一定是最好的傳感器。這是因為它易受噪聲的影響。除環(huán)境噪聲外，還有來自傳感器本身輸出的噪聲。必須用信號與噪聲的相互關(guān)系全面來衡量傳感器。傳感器輸出信號中的信號分量與噪聲分量二次方的平均值之比，稱為信噪比(s/n)與噪聲。s/n小，信號與噪聲就難以分清，若s/n=l，就完全分辨不出信號因此，s/n至少也要大于10。2、線性在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間最大偏差與滿量程圖32 傳感器的線性度（f.s）輸出值的百分比稱為線性度（見圖3-2）用表示線性度，則式中校準(zhǔn)曲線與擬合曲線間最大偏差； ：傳感器滿量程輸出； 。由此可知，非線性誤差是以一定的擬合直線或理想直線為基準(zhǔn)直線其出來的。因而，基淮直線不同，所得線性度也不同。應(yīng)當(dāng)指出，對同一傳感器，在相同條件下做校準(zhǔn)試驗時得出的非線性誤差不會完全一樣，因而不能籠統(tǒng)地說線性度或非線性誤差，必須同時說明所依據(jù)的基準(zhǔn)直線。目前國內(nèi)外關(guān)于擬合直線的計算方法不盡相同，下面僅介紹兩種常用的擬合基準(zhǔn)直線方法。(一)端基法把傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的零點輸出平均值a。和滿量程輸出平均值b。連成的直線氏b。作為傳感器特性的擬合直線(見圖3一3)。其方程式為y=a0+kx (i-1)式中y輸出量；x輸入量；a0y軸上截距；k直線a0b0的斜率。由此得到端基法擬合直線方程，按(i-1)式可算出端基線性度。這種擬合方法簡單直觀，但是未考慮所有?；袋c數(shù)據(jù)的分布，擬合精度較低，一般用在特性曲線非線性度較小的情況。圖33 端基線性度擬合曲線(二)最小二乘法用最小二乘法原則擬合直線，可使擬合精度最高。其計算方法如下:今擬合直線方程為y=a0+kx。假定實際校準(zhǔn)點有n個，在n個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中，任何一個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)y1與擬合直線上對應(yīng)的理想值a0+kx間誤差為l1=y1- （a0+kx1） （i-2） 最小二乘法擬合直線的擬合原則就是使為最小值，亦即使對k和a0的一階偏導(dǎo)數(shù)等于零，從而求出k和a0的表達(dá)式。 聯(lián)立求解以上二式，可求出k和a0，即 n 為校準(zhǔn)點數(shù)。由此得到最佳擬合直線方程，由（i-1）式可算得最小二乘法線性度。通常采用差動測顯方法來減小傳感器的非線性誤差。例如某位移傳感器特性方程式為另一個與之完全相同的位移傳感器，但是它受相反方向位移，則特性方程式為在差動輸出情況下，其特性方程式可寫成 可見采用此方法后，由于消除了x偶次項濃非線性誤差大大減小，靈敏度提高一倍，零點偏移也消除了。因此差動式傳感器已得到廣泛應(yīng)用。3、時滯輸入量增加到x1，如果輸出量為yl，再繼續(xù)增加輸入量然后減少到xl，這時其輸出量為y2。實際上輸出量yl和y2不相等，有一定的差值，即為時滯(回差)。這樣，輸入與輸出不是一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，要盡量選用時滯小的傳感器4、環(huán)境特性周圍環(huán)境對傳感器影響最大的是溫度。目前，很多傳感器材料采用靈敏度高，而信號易處理的半導(dǎo)體。然而，半導(dǎo)體對溫度最敏感，實際應(yīng)用時要特別注意。除溫度之外，還有氣壓、濕度、振動、電源點壓及頻率等都影響傳感器的特性。5、穩(wěn)定性理想特性的傳感器是加相同大小輸入量時，輸出量總是大小相同。然而，實際上傳感器特性隨著時間而變化，因此，對于相同大小的輸入量，其輸出量是變化的。連續(xù)工作時，即使輸入量恒定，傳感器輸出量也會朝著一個方向偏移，這種現(xiàn)象稱為溫漂。需要注意的是，除傳感器本身的溫漂外，還有安裝傳感器元件的機(jī)構(gòu)的溫漂，以及電子電路的溫漂。6、精度精度是評價系統(tǒng)優(yōu)良程度的。精度分為準(zhǔn)確度和精密度。所謂準(zhǔn)確度就是測量值與真值偏離的程度，為修正這種偏差需要進(jìn)行校正，完全校正是很麻煩的。因此，使用時盡可能地減少誤差。所謂精密度就是即使測量相同對象，每次測量也會得到不同測量值，即離散偏差。3.2.2 傳感器的動態(tài)特性傳感器要檢測的輸入信號是隨著時間而變化的，傳感器的特性應(yīng)能跟蹤這輸入信號的圖34 輸入與響應(yīng)的關(guān)系變化，這樣可以獲得準(zhǔn)確的輸出信號。如果變化太快，就可能跟蹤不上。這就是響應(yīng)特性，即動態(tài)特性。動態(tài)特性是傳感器的重要特性之一。傳感器輸入與響應(yīng)的關(guān)系上圖所示。3.3 信號處理方式 圖35 測量控制系統(tǒng)信號處理流程圖傳感器測量控制系統(tǒng)框圖如圖3一5所示。傳感器檢測變化的信號送往計算機(jī)，由計算機(jī)進(jìn)行處理，然后計算機(jī)根據(jù)指令把處理結(jié)果送到控制、顯示及記錄裝置等。傳感器系統(tǒng)的信息處理流程如3一7所示。傳感器輸出信號通過輸入接口電路變換為計算機(jī)易處理的數(shù)字信號，然后輸入到計算機(jī)，計算機(jī)把該信號處理為控制等裝置所要求的信號格式，通過輸出接口電路輸出，驅(qū)動控制裝置，并顯示與記錄。計算機(jī)對傳感器輸入的數(shù)據(jù)要進(jìn)行特性補(bǔ)償，運算處理，格式化以及組編程適合于控制的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制指令輸送到外設(shè)。3.3.1特性補(bǔ)償1、 輸入輸出特性補(bǔ)償 圖36 模擬傳感器的輸入輸出特性一般來說，傳感器的輸入輸出特性是非線性的，不能直接顯示與記錄，必須進(jìn)行非線性校正，即補(bǔ)償。模擬信號輸出傳感器的典型輸入輸出特性如圖3一6所示。圖3一6a表示通過原點的直線，線性度好。輸出值乘以系數(shù)即可直接顯示其真值。圖3一6b表示不通過原點的直線，需要進(jìn)行減去b值處理。圖3一6c是平方特性，需要求二次方根運算以及系數(shù)補(bǔ)償。圖3一6d是指數(shù)形式的特性，需要對數(shù)變換處理。另外還有各種形式的輸入輸出特性。因此，需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，運用計算機(jī)軟件極易實現(xiàn)。有效輸出量的獲取，有時要消除傳感器輸出量中的無效物理量。例如，為了能在很寬溫度范圍內(nèi)測量物體的應(yīng)變時就要采用應(yīng)變傳感器，而應(yīng)變傳感器輸出量中就有因溫度變化而引起的輸出量，這種輸出量是無效的，但往往又不能消除。因此，就要把溫度傳感器與應(yīng)變傳感器組合在一起，測量氣溫度，基于此值補(bǔ)償應(yīng)變傳感器的輸出值。輸出量只是有效的物理量。3.3.2運算處理 傳感器的輸出信號要經(jīng)過各種運算處理、變成有效信號。傳感器輸出信號送入計算機(jī)，成為計算機(jī)的輸入信號，使用運算處理的信號有兩種方式:一種方式是輸入計算機(jī)信號(傳感器輸出信號)僅某個時刻使用有效。例如:根據(jù)輸入信號挑選產(chǎn)品的優(yōu)劣，即僅到某設(shè)定值(例如產(chǎn)品合格參數(shù))輸入信號有效。另一種方式是記錄輸入數(shù)據(jù)，綜合利用積累的信息。典型形式有采用直方圖、數(shù)字記錄、暫時記錄、取平均值等形式。直方圖形式是根據(jù)傳感器輸出數(shù)據(jù)信息，來了解產(chǎn)品加工精度的分布情況。它用于大批量生產(chǎn)管理與大量試驗數(shù)據(jù)處理。數(shù)字記錄形式是以一系列的時效數(shù)據(jù)形式存儲傳感器輸出的數(shù)據(jù)，用于以后檢查生產(chǎn)產(chǎn)品的狀態(tài)。暫存記錄形式是把傳感器輸出數(shù)據(jù)作為周期性時效數(shù)據(jù)，用于推斷與預(yù)測事故。取平均方式是把傳感器檢測次數(shù)累加，取平均數(shù)據(jù)，用于提高測量精度。3.3本章小結(jié) 本章介紹了傳感器的特點,作用,特性以及其信號處理方式 第四章 硬件組成及電路設(shè)計4.1硬件電路總體設(shè)計 硬件設(shè)計指應(yīng)用系統(tǒng)的電路設(shè)計，包括主機(jī)、控制電路、存儲器、i/o接口、a/d和d/a轉(zhuǎn)換電路等。硬件設(shè)計時，應(yīng)考慮留有充分余量，要為系統(tǒng)擴(kuò)展預(yù)留一些接口。外圍電路設(shè)計力求正確無誤，因為外圍硬件電路一旦設(shè)計完成，就很難修改其外部硬件結(jié)構(gòu)。太陽能熱水器加水位自動控制功能，主要是增加一個采集，顯示及控制系統(tǒng)。本文以fpga芯片為核心，組成處理器測控系統(tǒng)。總體硬件電路的接口設(shè)計如圖4-1所示。圖4-1 硬件電路接口簡圖控制系統(tǒng)中adc0809芯片主要是將傳感器檢測出來的模擬電信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，傳送到處理器內(nèi)進(jìn)行處理；fpga模塊主要是建立處理器系統(tǒng)，接收pc機(jī)生成的下載文件，接收檢測的數(shù)字信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)的顯示，開關(guān)量的控制；顯示模塊主要是溫度，水位的顯示；32按鍵模塊是用來進(jìn)行水位設(shè)定，溫度設(shè)定，及自動時間上水時間;水位檢測模塊是通過電導(dǎo)式液位傳感器將非電量的水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字0，1這樣的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；上水控制及加熱控制是通過光電隔離元件來實現(xiàn)控制的。4.2硬件電路芯片的選型4.2.1 fpga選用 當(dāng)前大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的控制芯片是由mcu(單片機(jī)系統(tǒng))，dsp(數(shù)字信號處理器)，或者fpga(field programmable gate array)即現(xiàn)場可編程邏輯器件構(gòu)成的。而這些控制芯片各有特點： (1)結(jié)構(gòu)上，mcu的存儲器采用哈佛結(jié)構(gòu)；dsp芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，由于可以同時對數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行尋址，大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實時的數(shù)字信號處理；fpga的結(jié)構(gòu)是基于查找表。查找表(look-up-table)簡稱為lut，lut本質(zhì)上就是一個ram。目前fpga中多使用4輸入的lu，每一個lut可以看成一個有4位地址線的ram。(2)內(nèi)部資源使用上，mcu，dsp通過用特殊功能寄存器的形式來訪問內(nèi)部資源，然而它們的特殊功能寄存器不多；而fpga的寄存器相當(dāng)豐富。(3)指令系統(tǒng)上，mcu采用面向控制的指令系統(tǒng)；dsp指令系統(tǒng)是流水線操作。在流水線操作中，一個任務(wù)被分解為若干個子任務(wù)，各個任務(wù)可以在執(zhí)行時相互重疊。dsp指令系統(tǒng)的流水線操作是與哈佛結(jié)構(gòu)相配合的，增加了處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值，同時也就增加了信號處理器的吞吐量；fpga的指令系統(tǒng)依賴用戶選用的處理器。(4)外部擴(kuò)展能力，因為mcu，dsp的引腳較少，故擴(kuò)展能力沒有fpga強(qiáng)。(5)特有的應(yīng)硬件資源，dsp有專用硬件乘法器；mcu用軟件來實現(xiàn)乘除法；fpga可以由用戶來自制指令，極大的提高創(chuàng)建系統(tǒng)的靈活性。(6)系統(tǒng)的升級能力，mcu，dsp內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)固定，一旦設(shè)計完成，內(nèi)部電路不能更改，而fpga內(nèi)部電路可由用戶根據(jù)需要來配置，內(nèi)部電路可修改。綜合mcu，dsp，fpga的分析，可以得出：單片機(jī)在簡單的控制和人機(jī)接口方面處于領(lǐng)先地位；dsp的優(yōu)勢體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理上；fpga處于的優(yōu)勢體現(xiàn)在控制及新算法處理上。同時考慮以后系統(tǒng)的擴(kuò)展，系統(tǒng)的升級，設(shè)計周期，開發(fā)費用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及軟件設(shè)計的繁易程度等各項指標(biāo)，最終選用fpga芯片。本設(shè)計選用cyclone ii器件的ep2c5f256c6芯片，ep2c5f256c6芯片的主要特性為： (1)擁有4608個邏輯單元。 (2)ram位數(shù)為119808。 (3)支持2個鎖相環(huán)。 (4)158個可用的i/o腳。 (5)支持通過低成本串行配置器件配置。 (6)全面支持lvttl，lvcmos，sstl2和sstl3 i/o標(biāo)準(zhǔn)。 (7)支持66mhz，32位的pci標(biāo)準(zhǔn)。 (8)支持低速lvds i/o。 (9)最高支持8個全局時鐘線。 (10)支持外部存儲器，包括ddr，sdram，fcram，sdram。 (11)支持ip核復(fù)用設(shè)計，包括altera megacore。4.2.2 ip核的選用 ip(intellectual property)核則是一段具有特定電路功能的硬件描述語言程序，該程序與集成電路工藝無關(guān)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中去生產(chǎn)集成電路芯片。將一些在數(shù)字電路中常用，但比較復(fù)雜的功能塊，如fir濾波器、sdram控制器、pci接口等設(shè)計成可修改參數(shù)的模塊。本文設(shè)計中使用了大量免費的ip核(nios核，jtag uart核，pio核，time核，ram核，rom核)，極大降低設(shè)計的難度。使用這些ip核設(shè)計系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： (1)修改元件的功能容易。 (2)使用方便，開發(fā)周期短。 (3)避免重復(fù)勞動，大大減輕設(shè)計的工作量。 (4)保證模塊的性能。4.2.3處理器選用 目前常見的處理器是微處理器，數(shù)字信號處理器，以及軟核處理器。這些處理器性能有很大的差別： (1)工作效率微處理器以及數(shù)字信號處理器都采用排隊式串行指令執(zhí)行方式，從而使其工作速度和效率低。它們的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)固定，它們的速度不能滿足不斷出現(xiàn)的新算法對數(shù)據(jù)處理的要求。而軟核處理器采用5級流水線技術(shù)，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，提高了處理器的運算速度。 (2)系統(tǒng)升級能力每個系統(tǒng)都是針對某一個具體的微處理器設(shè)計，因此其硬件、軟件具有專用的特點。一旦需要硬件升級，尤其是微處理器的升級，必須硬件、軟件全部重新設(shè)計，微處理器以及數(shù)字信號處理器結(jié)構(gòu)固定，硬件很難再升級。而軟核處理器是一個軟件內(nèi)核，只要芯片上有空間，它就可以不斷進(jìn)行升級而不用修改電路結(jié)構(gòu)。 (3)開發(fā)周期由于微處理器以及數(shù)字信號處理器是以執(zhí)行軟件指令方式來實現(xiàn)邏輯功能的器件，不同的功能環(huán)境需要不同的微處理器，而不同的微處理器通常又具有不同的匯編語言。此外，在微處理器開發(fā)軟件編程中需要時時顧及特定的微處理器硬件結(jié)構(gòu)和外圍接口。程序的移植性差導(dǎo)致了每一新系統(tǒng)開發(fā)中的軟件重復(fù)勞動一再發(fā)生，成功的微處理器開發(fā)智力成果難以實現(xiàn)直接的再應(yīng)用。所有這一切導(dǎo)致了微處理器應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)效率低下和產(chǎn)品上市周期的延長。而軟核處理器是一個標(biāo)準(zhǔn)的risc處理器。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的c源代碼，程序的可移植性強(qiáng)，開發(fā)人員不必為它的兼容性擔(dān)心，可以重復(fù)使用以前開發(fā)的代碼，在較短時期內(nèi)研發(fā)出成熟的產(chǎn)品來。通過比較，本文選用軟核處理器。軟核處理器的軟ip核，設(shè)計者可以將它放入fpga中，它只占芯片內(nèi)部很少的一部分邏輯單元，成本很低。nios軟核處理器是一個基于流水線的精簡指令集通用微處理器，其指令集的大部分指令均可在一個時鐘周期內(nèi)完成，它具有以下一些特點： (1)是一種可配置的ip核，設(shè)計者可以通過開發(fā)工具對其參數(shù)進(jìn)行配以適應(yīng)不同場合的需要。 (2)具有16位和32位兩種可自由選擇的體系結(jié)構(gòu) (3)16位的指令寬度，減少了代碼的長度以及指令存儲器的寬度。 (4)通過對其參數(shù)進(jìn)行配置，可具有512個通用寄存器。編譯器可以使用這些寄存器來加速函數(shù)調(diào)用以及對本地變量的訪問。4.2.4 a/d芯片的選型及接口設(shè)計4.2.4.1芯片選型 由于處理器系統(tǒng)只能識別二進(jìn)制數(shù)據(jù)，故需要模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將模擬的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。本文采用通用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片adc080932，該芯片的技術(shù)指標(biāo)為：(1)具有8路模擬量輸入通道。(2)分辨率為8位。(3)模擬輸入電壓范圍05伏。(4)使用5v電源，轉(zhuǎn)換時間為100s。(5)有轉(zhuǎn)換起?？刂?。(6)轉(zhuǎn)換溫度4085；4.2.4.2芯片接口設(shè)計 芯片的接口如圖3-2中，當(dāng)ep2c5f256c6的a5和b4引線端上信號均為高電平時，啟動脈沖start和地址鎖存允許脈沖ale信號有效，a/d轉(zhuǎn)換器內(nèi)的地址鎖存器把地址信號adda，addb和addc鎖存起來，選通通道并進(jìn)行采樣和保持。在start下降沿的作用下開始逐次逼近的模-數(shù)轉(zhuǎn)換過程。讓adc0809工作在查詢方式下，轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，adc0809的eoc變?yōu)楦唠娖?，由nios檢測b3口是否為1，為1即表示該次轉(zhuǎn)換結(jié)束，此時由nios向a/d轉(zhuǎn)換器取出檢測轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，即完成數(shù)據(jù)的采集。圖4-2 fpga與adc0809接口簡圖4.2.5顯示器件的選型及接口設(shè)計4.2.5.1芯片選型 顯示模塊采用7段led數(shù)碼管hdsp-g153。通過控制七個條狀發(fā)光二極管芯片亮滅來實現(xiàn)0-9的顯示7。在系統(tǒng)中使用4個7段led數(shù)碼管。led數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩類。共陰極led數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極共地，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極電壓為高電平時，二極管發(fā)光；而共陽極led數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽極共接，當(dāng)某個二極管的陰極電壓為低電平時，二極管發(fā)光。在設(shè)計中，采用了led的共陰極接法，其字形與代碼對應(yīng)關(guān)系如下。表4-1 字形與代碼對應(yīng)關(guān)系表4.2.5.2 led譯碼方式 led數(shù)碼管顯示器的譯碼方式有硬件譯碼方式和軟件譯碼方式。所謂硬件譯碼方式是利用專門的硬件電路來實現(xiàn)顯示字符到字段碼的轉(zhuǎn)換；所謂軟件譯碼方式是通過軟件譯碼程序來得到要顯示的字符的字段碼。由于使用fpga芯片，在fpga內(nèi)部構(gòu)建硬件電路，不會增加成本。故本設(shè)計采用硬件譯碼。4.2.5.3 led顯示方式 led數(shù)碼管的顯示方式有兩種可以選擇：一種是靜態(tài)顯示方式，一種是動態(tài)顯示方式。對于多位led顯示單元，通常是采用動態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示，即逐個的循環(huán)點亮各位顯示器，這樣不僅可以簡化硬件電路，還可以顯示更多的字符。雖然在任意時刻只有一位顯示器被點亮，但是由于人眼具有視覺殘留效應(yīng)，看起來去全部顯示器持續(xù)點亮的效果完全一樣。為了實現(xiàn)led顯示器的動態(tài)掃描，除了要給顯示器提供(字形代碼)的輸入之外，還要對各位顯示器分別進(jìn)行控制，也就是所謂的段控和位控。因此多位led顯示器接口電路粗要有兩個輸出口，其中一個用于輸出8位段控線；另一個用于輸出位控線，位控線的數(shù)目等于led顯示器的數(shù)目。采用靜態(tài)顯示則需要的連接的i/o引腳較多，增加設(shè)計的難度，故本設(shè)計的led數(shù)碼管采用動態(tài)顯示方式。4.2.5.4芯片接口設(shè)計系統(tǒng)需要4位led顯示器，分別對實際水位和實際水溫(各使用2位led)進(jìn)行顯示。在設(shè)計中，選用fpga作為4位led顯示器的接口電路。用fpga的引腳d13d16作為輸出口，即位控口。r7引腳用作鎖存允許控制端。r8引腳用作三態(tài)允許控制端。t7t14作為輸出口，即段控口。ep2c5f256c6與led數(shù)碼管芯片接口設(shè)計如圖4-3所示。4.2.6 epcs的選型及接口設(shè)計4.2.6.1芯片選型本文選用altera公司提供了一種基于flash存儲器的專用串行配置器件epcs4si8. epcs4系列的器件都具有串行接口，能夠存儲stratix系列、cyclone系列的fpga的配置信息，并在系統(tǒng)上電或者需要重新配置fpga時，向fpga發(fā)送配置信息。epcs4si8的技術(shù)指標(biāo)：(1)簡單易用，接口只需要四個引腳。 (2)存儲容量為4m。 (3)配置電流比較小。圖4-3 fpga與led數(shù)碼管接口簡圖 (4)在as模式下，cpu能夠直接訪問未用的空間。 (5)低成本、引腳數(shù)少、存儲穩(wěn)定。 (6)可以通過狀態(tài)寄存器，將其置為寫保護(hù)模式。4.2.6.2芯片接口設(shè)計 ep2c5f256c6與epcs4i8芯片接口設(shè)計如圖4-4所示4.2.7鎖存器的選型及接口設(shè)計4.2.7.1芯片選型為了匹配處理器與軟件訪問的速度，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不丟