1. 研究目的与意义
| 温度是表示物体冷热程度的物理量，是一种基本的环境参数。人们的生活环境与温度息息相关。如果周围环境温度过高，人们就会感到闷热、流汗；如果温度过低，人们会瑟瑟发抖，甚至感冒。所以对环境温度的检测和控制就显得尤为重要。同时在我们的日常生活所使用的电器，如冰箱、空调等，都离不开温度的测量和控制。 在过去，我们通常采用传统的温度计，如体温计。体温计的工作原理是热胀冷缩，工作物质是水银，它的液泡容积比上面细管的容积大的多，液泡里的水银由于受到体温的影响体积膨胀，就会使管内水银柱的长度发生明显的变化。而传统的温度计有反应速度慢、读数麻烦、测量精度不高、误差大等缺点。 随着科学技术和制作工艺的不断发展，人们开始使用温度传感器来测量温度。温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。 首先出现的是金属传感器，利用的是金属膨胀原理设计。金属在环境温度变化后会产生一个相应的延伸，因此传感器可以以不同方式对这种反应进行信号转换。之后出现了模拟传感器。这种传感器都是基于半导体材料制作的，所以也称之为硅传感器。这类传感器的特点包括：成本低廉、误差小、响应迅速、低能耗且功能单一等，所以，在温度测量、温度控制及非线性标定方面有着较多的应用。另外，这种传感器的外围电路也不复杂，它也是现在全球各国使用最广泛的传感器之一。随着集成电路的飞速发展，出现了数字传感器，数字传感器是指将传统的模拟式传感器经过加装或改造A/D转换模块，使之输出信号为数字量(或数字编码)的传感器，主要包括：放大器、A/D转换器、微处理器（CPU）、存储器、通讯接口、温度测试电路等。 常用来测量温度传感器有DHT11、DS18B20和TMP275。其中DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。湿度量程为20~90 %RH， 温度量程为0~50℃。 其湿度的精度为5%RH， 温度的精度为2℃。它的温度量程较小，精度较低，不适用于日常生活的温度测量。DS18B20测温范围－55℃～ 125℃，固有测温误差1℃，精度是0.5%。测量的最大温差为1.21 ℃，最大相对误差为7.49%。而TMP275温度传感器的工作温度范围为-40C ~ 125C，测量的最大温差为0.48C，最大相对误差为4.40%，TMP275在 10℃~ 85℃范围内的精确度为0.5℃(最大值)，0℃~ 100℃范围内的精确度为0.75℃(最大值)。综上，TMP275测量范围大，精度高，相对误差小，完全满足对日常温度检测的要求。
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2. 研究内容与预期目标
| 研究内容 1.研究TMP275的控制方式及其引脚功能和内部寄存器结构，设计TMP275的扩展电路及其控制模块的功能定义。 2.研究IIC的控制时序和总线上数据传输格式。研究串行数据线SDA和串行时钟线SCL。 3.研究蓝牙模块BT12软件、硬件的主从设置和指令系统。 4. 研究FPGA硬件开发环境和软件开发环境，学习基于FPGA的设计流程和Verilog HDL语言。 5. 研究LCD1602显示原理及其工作时序，编写设计LCD智能显示的Verilog HDL程序模块。 6. 编写基于无线控制方式的数字式温度传感器的接口模块的Verilog HDL程序。 7. 编写基于数字式温度传感器的数据处理模块的Verilog HDL程序。 8. 对各模块进行功能仿真及结合硬件电路的系统调试。 预期目标 以FPGA为主控制器件，采用数字式温度传感器TMP275和蓝牙模块BT12为核心功能器件的多点温度测量电路。使用多个数字温度传感器采集多点的环境温度，通过IIC总线协议将采集到的数据传输给FPGA。该电路通过蓝牙将温度传感器采集到的多点温度实时显示在LCD显示屏上，同时在手机等控制终端显示出来。 |
3. 研究方法与步骤
| 研究方法 温度传感器采用的是TMP275，它的数据传输遵循的是IIC总线。无线传输模块采用的是蓝牙BT12，它遵循的是UART通信协议。显示器是LCD1602，采用FPGA作为主控制器件，对应的开发环境是Quartus Ⅱ。系统结构框图见图1. 1、 开发环境 实验室使用FPGA作为主控制器件，使用VerilogHDL设计和控制温度传感器的接口功能模块。基于仿真工具FPGA自行设计功能，进行验证仿真，最后进行实际测试和调试。 2、 硬件方面 （1）研究通用的FPGA开发板。 （2）设计LCD显示屏的扩展电路。 （3）设计温度传感器TMP275的扩展电路，通过FPGA开发板的扩展口来实现TMP275和FPGA在硬件方面的连接。 （4）学习商品化的蓝牙模块BT12的传输协议和工作特性，通过FPGA开发板的扩展口来实现蓝牙模块和FPGA在硬件方面的连接。 3、 软件方面 |
| 利用Verilog HDL将温度传感器传输的数字信号转换成8421BCD码，显示在LCD显示屏上。定义蓝牙的UART接口模块和蓝牙数据存储模块，制定温度传感器的IIC总线接口模块。
图1 系统结构框图
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4. 参考文献
| [1] 王金明.数字系统设计与Verilog HDL(第7版).电子工业出版社. 2019年01月
[2] 夏宇闻. Verilog数字系统设计教程 (第3版).北京航空航天大学出版社.2017年
[3] 黄继业,陈龙，潘松.EDA技术与Verilog HDL (第3版).清华大学出版社.2017年
[4] 莫禾胜,李精华．一种新型数字温度计的设计．桂林航天工业高等专科学校学报. 2008(2)
[5] 李勇,汪小燕．温度传感器TMP275 在家庭环境监控中的应用. 单片机与嵌入式系统应用.2008(2).
[6] 张震宇,王洁伟,华群辉. 基于物联网技术的设备温湿度远程监测系统研究[J]. 浙江科技学院学报，2013（3）.
[7]王保云. 物联网技术研究综述[J]. 电子测量与仪器学报，23（12）2009
[8]赵秋. 基于MSP430F247和TMP275的测温仪[J]. 电子设计工程，17（1）2009.
[9]李阳,时维铎,徐磊,黄峰. 基于TMP275 的电机温度监控系统研究. 电子设计工程.Vol.23(2).2015
[10]张智军.小型恒温箱温度检测控制系统设计.工业仪表与自动化装置.2012(4)
[11]张晋荣，章振栋，刘荣福.FPGA实战训练精粹.清华大学出版社.2019年
[12]（日）天野英晴.FPGA原理和结构.人民邮电出版社.2019年3月
[13]王贞炎.FPGA应用开发和仿真.机械工业出版社.2018年
[14]栾桂冬，张金铎，金欢阳.传感器及其应用（第3版）.西安电子科技大学出版社.2018年
[15]郭艳艳，贾鹤萍，李倩.传感器与检测技术.科学出版社.2019年2月 |
5. 工作计划
| 序号 | 时间安排 | 完成工作 |
| 1 | 第1-2周 | 有针对性的查阅课题相关文献资料，学习课题相关知识，确定研究方案，撰写开题报告。 |
| 2 | 第3-5周 | 进一步学习FPGA设计开发环境和温度传感器接口协议，制定温度传感器接口模块定义，采用Verilog HDL设计温度传感器接口功能模块，并进行初步的仿真。 |
| 3 | 第6-9周 | 学习温度传感器的数据格式定义，制定数据转换处理模块功能，以及多点温度测量控制模块功能，采用Verilog HDL描述设计数据处理转换模块，多点测量控制模块并进行仿真，制作多点测量硬件扩展电路。 |
| 4 | 第10周 | 学习LCD显示模块的工作手册及其工作时序，制定LCD显示模块的功能定义块，采用Verilog HDL描述设计LCD显示控制模块，并进行仿真。 |
| 5 | 第11-12周 | 结合无线模块及顶层模块，基于相关的FPGA开发板进行调试并改进设计。 |
| 6 | 第13-15周 | 继续查阅相关文献资料，按照研究方案和前期的设计工作，撰写毕业设计论文，完成初稿的写作并修改。 |
| 7 | 第16-17周 | 继续修改论文，准备答辩。 |
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