臺灣博碩士論文加值系統

本篇論文主要在於以Field Programmable Gate Array (FPGA)晶片實現冷氣機之溫度控制器之設計與製作，主要內容包含溫度的感測與顯示還有PID控制器與電動機的PWM驅動信號均建構在FPGA晶片中。本文使用VHDL硬體描述語言來設計FPGA的整體架構，整個控制器實現的過程中，著重在整體架構的設計，並藉由Xilinx 公司的Foundation-1.5軟體工具來模擬並驗證各個設計的正確性，並由實驗的結果可知整個控制器的設計可達到溫度控制的要求。文中並呈現系統硬體電路製作過程與其架構組織，作為實作上之參考。最後我們並對未來的努力方向作一建議。

In this thesis, we use a Field Programmable Gate Array (FPGA) chip to implement an air-conditioning temperature controller. The FPGA controller in this thesis is implemented by using the Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) . The realization process of the controller is focused on the design of the overall subsystem structure. We use Xilinx Foundation-1.5 as the software tool for implementation, verification and simulation. According to the results of the experiments, the controller can successfully achieve the performance of temperature controller. The system Hardware circuit construction process is presented. Finally we summarize the content of this thesis to pronounce on the direction of a application for the feature.

目 錄
第一章 緒論 ………………………………………………………. 1
1.1 前言 ……………………………………………………… 1
1.2 研究目的 ………………………………………………… 2
1.3 相關文獻回顧 …………………………………………… 3
1.4 論文組織 ………………………………………………… 4
第二章 FPGA之架構與設計說明 ………………………………. 5
2.1 數位積體電路設計 ……………………………………… 6
2.2 數位邏輯晶片之分類與比較 …………………………… 7
2.3 FPGA 簡介及特色 ……………………………………… 11
2.3.1 FPGA架構 ……………………………………….. 11
2.3.2 XC4000XL系列特性 ……………………………. 11
2.4 VHDL硬體描述語言 …………………………………… 14
2.4.1 VHDL之優點 ……………………………………. 15
2.4.2 VHDL的基本構成元件 …………………………. 16
2.5 FPGA設計流程 …………………………………………. 17
第三章 冷氣機系統介紹與冷房數學模型 ………………………. 21
3.1 冷氣機循環工作原理 …………………………………… 21
3.2 冷房特性數學分析 ……………………………………… 23
3.3 PID控制理論 …………………………………………… 29
3.4 感溫器 …………………………………………………… 32
第四章 控制系統設計與MATLAB之模擬 …………………….. 35
4.1 冷房負荷計算 …………………………………………… 35
4.2 開關型控制 ……………………………………………… 36
4.3 單一變數的控制 ………………………………………… 39
4.4 控制器的修正設定 ……………………………………… 41
4.5 PWM信號的產生 ………………………………………. 45
第五章 系統架構 …………………………………………………. 48
5.1 PC個人電腦 …………………………………………….. 49
5.2 分離式冷氣機 …………………………………………… 49
5.3 Pt-100溫度感測器 ……………………………………… 51
5.4 A/D電路 ………………………………………………… 51
5.5 溫度設定電路 …………………………………………… 53
5.6 溫度顯示器 ……………………………………………… 53
5.7 FPGA控制板 ……………………………………………. 55
5.7.1 信號產生器 ………………………………………. 57
5.7.2 溫度切換開關 ……………………………………. 57
5.7.3 二進制轉BCD碼 ……………………………….. 58
5.7.4 單相PWM信號產生器 …………………………. 59
5.7.5 PID控制器 ………………………………………. 60
5.7.6 溫度計算電路 ……………………………………. 60
5.8 電動機驅動電路的設計 ………………………………… 61
第六章 實驗結果 ……………………………………………….. 65
6.1 轉速測試 ………………………………………………… 65
6.2 溫度控制實驗 …………………………………………… 67
6.2.1 機械式溫度控制系統 ……………………………. 67
6.2.2 FPGA溫度控制系統 …………………………….. 68
第七章 結論與展望 ………………………………………………. 69
7.1 結論 ……………………………………………………… 69
7.2 未來展望 ………………………………………………… 70
參考文獻 …………………………………………………………… 71
附錄 ………………………………………………………………… 75

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