基于QuartusII的温度报警电路的设计

于新颖

(山西大学商务学院 信息学院，山西 太原 030031)

0 引言

如今，伴随着科技和经济的双重快速发展，大家对生活质量及生产安全的关注和要求也变得越来越高。温度报警电路可实现对温度的测量并对后续温度的控制方向给予引导[1]，所以不论是在常见的电子电路的设计中[2]，还是在成熟的智能家居的产品中，温度报警电路都得到了广泛的关注和应用[3]。

温度报警电路的实现方式和仿真测试手段多种多样。但究其本质，主要是通过不同精度的温度传感器[4]采集当前环境下的温度数值，然后通过自带的或者外接的AD转换电路，将温度的模拟信号形式转换成数字信号形式，并将此二进制数值输入到数值比较器中，与之前设定好的温度阈值进行比较。当测得的温度小于设定的阈值时，温度报警电路不加以报警，继续检测；当测得的温度与设定的阈值相等时，温度报警电路即可判断当前温度已到达峰值临界状态，可驱动蜂鸣器进行报警，提示后续对温度加以控制。

据其原理可知，温度报警电路设计过程中，主要核心部件为数值比较器的设计，将数值比较器的输出接到蜂鸣器或者LED灯上，即可完成温度报警电路的设计。数值比较器的设计方案较多，为了充分体现QuartusII软件的设计优势，本文采用数据选择器和译码器级联的方式完成温度报警电路的设计。利用QuartusII软件，分别在图形输入界面设计译码电路和文本输入界面设计数据选择器，并将二者最终在图形界面实现整体电路的连接，从而实现混合模式的开发。

1 QuartusII设计步骤介绍

QuartusII软件的设计流程，整体上包括设计输入->综合->仿真->适配->下载->硬件调试等六大步骤。

1) 设计输入

即将设计理念输入到计算机中。QuartusII软件支持两种设计输入方式：图形输入和文本输入。

◆图形输入：将要设计和仿真的电子系统以原理图的形式呈现出来。这种开发方式和常见的绘图软件如protel 及AD等比较相似。开发手段简单、开发界面明了，但是因为其主要依托库里自带的元器件，所以开发过程中一旦遇到某些元器件是库里没有的，便再难继续下去。

◆文本输入：将要设计和仿真的电子系统以文本代码的形式呈现出来。其代码编写语言为硬件描述语言，常见的有VHDL、Verilog HDL、System Verilog和System C，其中Verilog HDL入门简单，应用较广。这种开发方式主要是通过硬件描述语言完成电路的编程设计。开发过程中一旦掌握了硬件描述语言的相关语法知识，便基本不受具体电路的限制，通用性较强；但是由于需要编程，所以对初入门人员来说具有一定的难度。

◆混合输入：混合输入方式是上面两种设计输入方式的结合。其主要原则是库里自带的元器件就直接选用图形输入方式来设计这部分电路；库里没有的元器件就采用文本输入方式来设计，并将其生成自定义的元器件。最后在图形开发界面实现电路的级联。这种开发方式有效结合了上述两种的优点、避免了其弊端，所以可高效的实现电子系统的设计。

2) 综合

综合是QuartusII设计流程中的核心环节，它可以将常见的文本输入方式中的自然语言一步步转化，经过自然语言综合、行为综合、逻辑综合、版图或结构综合，最后转化成底层的、便于具体实现的模块组合的装配。

3) 仿真

仿真环节是电路设计过程中至关重要的一步。QuartusII软件包括功能仿真和时序仿真，可以分别从逻辑功能及器件延时等方面帮助我们了解所设计的电路是否能实现预期功能。

适配、下载及硬件调试主要是考虑到若将所设计的电子系统下载到硬件中，软硬衔接及测试部分。

2 温度报警电路的设计

本文采用译码电路和数据选择器电路级联的方式完成温度报警电路的设计。温度传感器[5]采集进来的二进制数值给到译码电路中，译码结果再送到数值比较器中，若当前温度数值与设定阈值相等，则数据选择器输出高电平，可驱动蜂鸣器发声或者LED发光从而实现报警，表示当前测得温度已到达设定的温度阈值。

1) 图形输入方式设计译码电路

本文采用74LS154这种4-16线译码器完成译码电路。因为QuartusII元件库自带这种元器件，所以直接在图形开发界面调用74LS154即可。

图1 图形方式设计译码电路

2) 文本输入方式设计数据选择器电路

QuartusII元件库中没有16选1的数据选择器，所以可自行通过Verilog语言编程，实现数据选择器的设计，其程序代码如图2所示。

图2 数据选择器的Verilog程序

通过File-->Create ∠ Update--> Create Symbol Files For Current File将以上16选1数据选择器程序生成可调用的元件符号，用于后续电路的级联。其生成的16选1数据选择器符号如图3所示。

图3 生成的数据选择器元件符号

3) 混合方式设计温度报警电路

通过译码电路和数据选择电路构成的温度报警电路如图4所示。将输出Q端接到蜂鸣器或LED灯上，即可实现温度阈值的声光报警。

为了对以上设计电路的功能加以验证，本文通过QuartusII软件进行了功能仿真，其结果如图5所示。

图4 温度报警电路

图5 温度报警电路的仿真结果

3 结果分析

通过混合设计方式，最终在QuartusII中完成了温度报警电路的设计和仿真。仿真结果表明，假设设定的温度阈值为1110，那么当DCBA端口采集进来的数值没有达到阈值时，输出Q一直为低电平，不会产生声光报警；而当采集的温度值达到1110的阈值时，输出Q为高电平，可进行声光报警提示。仿真结果与电路预期功能相符。

4 结论

本文通过混合输入方式，既在设计过程中通过直接调用元器件体现了图形输入方式的简便性，又通过编写程序解决了库中不存在的元器件的调用问题，所以设计输入方式比较合理。灵活运用多种开发方式，这对后续更为复杂的电路也提供了一种设计思路；另外，温度报警电路可下载到FPGA硬件中，从而广泛应用于各个智能电子产品的设计中，所以具有一定的实用价值。