【正文】 eral devices while achieving the automatic adjustment of temperature and water level control, and also monitor the implementation of the time, according to a different month, different days, different times and automatic turned on and off the power of the intelligent water heater, making the use of water hearter more convenient, Settings without human intervention, saving energy at the same time. The design of programming language uses VHDL language and C51, operating environment are MAX + plus II and Keil uVision3, with Proteus 7 Professional painting system and the simulation circuit debug, FPGA chip use Altera39。s EPF10K10TC1444, microcontroller use STC89C52RC.Key words: Smart, water heaters, FPGA, EDA, VHDL, MCU 89C51, C51, temperature control, water level control, clock control, keyboard control, liquid crystal display緒論選題的背景及目的市 場(chǎng) 上 適 合 家 庭 使 用 的 熱 水 器 有 兩 類 ， 一 類 是 燃 氣 式 ， 另 一 類 是 電 熱 式 ，而 購 買 熱 水 器 主 要 考 慮 價(jià) 格 、 安 全 性 ， 方 便 性 、 壽 命 、 成 本 等 因 素 ， 一般來說，燃?xì)鉄崴鞯膬?yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、加熱快、出水量大、溫度穩(wěn)定，缺點(diǎn)是必須分室安裝，不易調(diào)溫，需定期除垢，在使用中易產(chǎn)生有害氣體，因此其使用受到一定限制；儲(chǔ)水式電熱水器的優(yōu)點(diǎn)是干凈、衛(wèi)生，不必分室安裝，不產(chǎn)生有害氣體，調(diào)溫方便，高檔產(chǎn)品還有到達(dá)設(shè)定溫度后自動(dòng)斷電、自動(dòng)補(bǔ)溫等功能。 研究方法通過分析現(xiàn)有電熱式熱水器的功能和結(jié)構(gòu)的和查閱相關(guān)文獻(xiàn)、資料，總結(jié)現(xiàn)了市場(chǎng)上現(xiàn)有的熱水器的種類、結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，在已有產(chǎn)品的功能基礎(chǔ)上加入了定時(shí)開關(guān)功能，使得此產(chǎn)品更人性化也符合社會(huì)提倡的節(jié)能的需要，此設(shè)計(jì)先通過 Proteus 和 MasplusII 等軟件仿真，然后在系統(tǒng)板上進(jìn)行逐個(gè)的功能調(diào)試，在逐個(gè)功能完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)總體功能調(diào)試。FPGA 的基本特點(diǎn)主要有：(1)采用 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。(5)FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、TTL 電平兼容。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片 EPROM即可。 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī) STC89C52RC 和 89C51 單片機(jī)基本相同，具體資料參照參考教科書《單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》 ，張毅坤、陳善久、裘學(xué)紅編著。DS1302 是 DS1202 的升級(jí)產(chǎn)品，與 DS1202 兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1＋ 時(shí)，Vcc2 給 DS1302 供電。RST 輸入有兩種功能：首先，RST 接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。只有在 SCLK 為低電平時(shí)，才能將 RST 置為 高電平?？刂谱止?jié)的最高有效位 (位 7)必須是邏輯1，如果它為 0，則不能把數(shù)據(jù)寫入 DS1302 中，位 6 如果為 0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為 1 表示存取 RAM 數(shù)據(jù)。同樣，在緊跟 8 位的控制指令字后的下一個(gè) SCLK 脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位 0 位到高位 7。 DS1302 與 RAM 相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個(gè) RAM 單元，共 31 個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè) 8 位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的 RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的 RAM 的 31 個(gè)字節(jié)，命令控制字為FEH(寫 )、FFH(讀) 。 DS1302 內(nèi)部有一個(gè)318 的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。RST 是復(fù)位/ 片選線，通過把 RST 輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。上電運(yùn)行時(shí)，在 Vcc≥ 之前，RST 必須保持低電平。 DS18B20 簡(jiǎn)介DS18B20 的數(shù)字溫度計(jì)提供 9 至 12 位（可編程設(shè)備溫度讀數(shù)。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。當(dāng)確認(rèn)以后就可以用復(fù)制寄存器的命令來將這些數(shù)字轉(zhuǎn)移到可電擦除 RAM 中。用讀寄存器的命令能讀出第九個(gè)字節(jié)，這個(gè)字節(jié)是對(duì)前面的八個(gè)字節(jié)進(jìn)行校驗(yàn)。VHDL 的英文全寫是：VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language, 即超高速集成電路硬件描述語言。除了含有許多具有硬件特征的語句外，VHDL 的語言形式和描述風(fēng)格與句法是十分類似于一般的計(jì)算機(jī)高級(jí)語言。應(yīng)用 VHDL 進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是多方面的。 （3）VHDL 語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了他具有支持大規(guī)模設(shè)計(jì)的分解和已有設(shè)計(jì)的再利用功能。 C51 語言簡(jiǎn)介語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 每寫一個(gè)程序，總離不開數(shù)據(jù)的應(yīng)用，在學(xué)習(xí) C51 語言的過程中掌握理解數(shù)據(jù)類型也是很關(guān)鍵的。～177。對(duì)于 VHDL 語言程序要調(diào)試等待準(zhǔn)確的仿真時(shí)序圖，對(duì)于 C51 程序，要用 Keil 編譯，并用 Proteus 7 Professional 得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。如果單獨(dú)使用 FPGA 作為控制器件，優(yōu)勢(shì)是大大的簡(jiǎn)化了外圍電路，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，控制引腳能足夠的滿足我們的設(shè)計(jì)要求，且不需要外部 EEPROM 和時(shí)鐘芯片,可以直接使用 FPGA 內(nèi)部的高速 ROM，也可以編寫時(shí)鐘模塊的程序，且 FPGA 速度要比單片機(jī)快的多，但是要完成 LCD 顯示、溫度數(shù)據(jù)的采集、鍵盤控制等眾多控制功能，F(xiàn)PGA 與單片機(jī)相比沒有優(yōu)勢(shì)。如果單獨(dú)使用單片機(jī)使用作為控制器，優(yōu)勢(shì)是能較簡(jiǎn)單方便實(shí)現(xiàn)水位控制模塊、水溫控制模塊、定時(shí)開關(guān)控制模塊、時(shí)鐘模塊、鍵盤模塊和顯示模塊等各個(gè)功能模塊的控制功能，同時(shí)成本大大降低，但是增加了一些外圍元件，如需要增加時(shí)鐘芯片和 EEPROM 芯片，外圍電路的復(fù)雜性增加，這使得電路的穩(wěn)定性和可靠性與方案 A 相比有所降低。 水位控制模塊方案的論證和選擇方案 A采用超聲波。方案 C自制傳感器。比較上述幾種方案，本設(shè)計(jì)采用方案 C。AD590 的電源電壓范圍為 4V～30V。方案 B采用 DS18B20。方案 B：采用繼電器。 定時(shí)開關(guān)控制模塊方案的論證和選擇方案 A采用可控硅。因?yàn)闇囟瓤刂齐娐芬呀?jīng)采用了繼電器控制的方式，在這個(gè)模塊中可以和水溫控制模塊共用繼電器，以簡(jiǎn)化電路，節(jié)約成本，因此在這個(gè)模塊的方案選擇方案 B。選用時(shí)鐘芯片 DS1302 接在單片機(jī)上，能十分方便準(zhǔn)確的記錄年月日信息，而且電路也比較簡(jiǎn)單，這樣用簡(jiǎn)單的硬件電路使得軟件工作量大大減少了，而且節(jié)約的控制器的資源，有利于整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。方案 B使用用 4x4 鍵盤。用 LED 顯示亮度高，顯示字跡清楚顯眼，但是 LED 不能顯示漢字，而且數(shù)碼管多了，占用控制器件很多的端口，同時(shí)本設(shè)計(jì)中顯示的內(nèi)容較多，利用 LED 很難達(dá)到本設(shè)計(jì)要求的顯示效果。 硬件系統(tǒng)框圖和總體軟件系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如下所示，本系統(tǒng)主要由兩個(gè)大的模塊構(gòu)成，F(xiàn)PGA 控制模塊和MCU 控制模塊。 圖 6 矩陣鍵盤特征值分布圖程序流程圖時(shí)編寫程序時(shí)不能缺少的一個(gè)步驟，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)前，經(jīng)分析設(shè)計(jì)了如下圖所示的程序流程圖，并根據(jù)此圖編寫單片機(jī)模塊的 C51 程序，成功完成了設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的功能。自制傳感器傳感器如下圖一所示，前端是兩導(dǎo)體，后面是絕緣的導(dǎo)線。但是兩者間如果是用導(dǎo)線相連接的話，導(dǎo)線不宜過長。圖 16 DS18B20 電路DS18B20 在 Proteus 中仿真時(shí)數(shù)據(jù)線 DQ 不需要接上拉電阻，如果接了上電阻，不能實(shí)現(xiàn)仿真，而實(shí)際電路中必須接入一個(gè)上拉電阻，阻值通常為 10K.與 FPGA 的通信口：FPGA 和單片機(jī)的電平可以兼容，因此單片機(jī)的 I/O 可以直接與 FPGA 的 I/O 口連接. 組裝和改進(jìn)系統(tǒng)硬件電路按照上面所描述的各個(gè)模塊,顯設(shè)計(jì)好每個(gè)模塊電路,路中沒有比較復(fù)雜的模擬電路,因此整個(gè)硬件的制作過程中沒有遇到大的問題。繼電器模塊焊接好后發(fā)現(xiàn)用電源的+5V 能驅(qū)動(dòng)，而用單片機(jī)或 FPGA 的高低電平無法驅(qū)動(dòng)，因此檢查硬件電路，經(jīng)過分析知道是驅(qū)動(dòng)電流不夠，于是將電路改成如下形式，并調(diào)試檢測(cè)電路能正常工作。在完成了各模塊電路的設(shè)計(jì)并經(jīng)過調(diào)試確認(rèn)沒有問題后，再按照系統(tǒng)總體電路圖連接實(shí)際電路。 繼電器電路的調(diào)試方法直接用高低電平接控制端，觀察繼電器的負(fù)載端是否接通或斷開。值得注意的是在測(cè)試之前一定要保證測(cè)試程序沒有問題，最好用已經(jīng)驗(yàn)證了的又非常簡(jiǎn)單的程序，這樣便于于確保程序的準(zhǔn)確性和可靠性。4 .軟件調(diào)試及仿真 各模塊的軟件調(diào)試、仿真和實(shí)物測(cè)試 FPGA 軟件調(diào)試、仿真和實(shí)物測(cè)試VHDL 語言編程采取的是自上而下的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)流程如下圖所示：圖 19 自頂向下的設(shè)計(jì)流程按前面的 FPGA 系統(tǒng)框圖編寫 VHDL 語言程序，并按上面的流程操作，并將程序下載到 FPGA 芯 片 EPF10K10TC1444 中 ， 得到的時(shí)序仿真圖如下圖所示：圖 20 FPGA 控制器的時(shí)序仿真圖時(shí)序圖與設(shè)計(jì)中所預(yù)期的邏輯相符合，而且實(shí)物調(diào)試也能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中要求實(shí)現(xiàn)的功能。//從 DS1302 中讀取數(shù)據(jù)P1=minute。//啟動(dòng)轉(zhuǎn)換得到 ds18b20_datah 和 ds18b20_datal 的值 P1=ds18b20_datah。 整個(gè)系統(tǒng)軟件調(diào)試、仿真和實(shí)物測(cè)試 主程序的調(diào)試、仿真和實(shí)物測(cè)試圖 24 主程序流程圖圖 25 主程序仿真圖這個(gè)界面顯示日期、時(shí)間、水溫、水位和提示鍵的信息。 校時(shí)程序仿真圖 36 校時(shí)功能界面仿真圖 37 按確定鍵后的校時(shí)功能界面仿真注：圖 36 是較時(shí)顯示界面，其中光標(biāo)閃爍的位置是可以改變數(shù)值的位置；圖 37是校時(shí)完畢后按下確定鍵后的顯示界面。 改進(jìn)意見和展望A：?jiǎn)为?dú)用 FPGA 作為控制器件，同時(shí)在其中嵌入一個(gè)時(shí)鐘，那么這個(gè)系統(tǒng)就是一個(gè)真正的 SOC 系統(tǒng)，選了低端 FPGA 完成設(shè)計(jì)，成本并沒用什么提高，設(shè)計(jì)過程將大大簡(jiǎn)化，系統(tǒng)性能將大大的提高。這次設(shè)計(jì)還啟迪了自己，在生活中要多思考，將自己的專業(yè)與我們的生活聯(lián)系起來，要有創(chuàng)新的意識(shí)，更要有創(chuàng)新的勇氣和能力。水位監(jiān)測(cè)wd_test : in st。use 。C：電熱絲的控制用 PWM 控制實(shí)現(xiàn)，通過溫度變化，調(diào)節(jié) MOS 管或者開關(guān)三極管的控制信號(hào)的占空比，能實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，而且避免了使用繼電器時(shí)的電火花。5 .總體設(shè)計(jì)電路的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)及改進(jìn)意見和展望 優(yōu)點(diǎn)本設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)和亮點(diǎn)是在現(xiàn)有的市場(chǎng)的智能電熱水器中嵌入了一個(gè)時(shí)鐘，除了能實(shí)現(xiàn)其他的自動(dòng)化功能之外，還能根據(jù)日期和時(shí)間開啟、關(guān)斷電源，有很好的節(jié)能效果，同時(shí)在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入了利用 SOC 系統(tǒng)解決實(shí)際問題的思路，是對(duì) FPGA 新的應(yīng)用領(lǐng)域的一種探索，如果單獨(dú)用 FPGA 作為控制器件，用 FPGA 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能，那就只要在這個(gè)系統(tǒng)中接入一些傳感器和驅(qū)動(dòng)電路即可，這樣整個(gè)系統(tǒng)的電路得到很大的簡(jiǎn)化，系統(tǒng)的可靠性將大大提高。 水位調(diào)節(jié)子程序的調(diào)試、仿真和實(shí)物測(cè)試圖 27 水位調(diào)節(jié)程序的流程圖注：圖 28 是水位正常時(shí)的顯示，圖 29 為水位低于低水位電時(shí)的顯示。 }}這個(gè)程序是啟動(dòng) DS18B20 的 A/D 轉(zhuǎn)換后，在從中讀出數(shù)據(jù)，并將這個(gè)數(shù)據(jù)送到 P1 和 P2 端口。向 DS1302 寫入的數(shù)據(jù)是 0x12,讀出送到 P1 端口的數(shù)據(jù)也是 0x12,顯然此程序是正確的，能正確讀寫 DS1302 的數(shù)據(jù)。 DS1302 軟件調(diào)試、仿真和實(shí)物測(cè)試圖 22 DS1302 仿真圖這是用于測(cè)試單片機(jī)能否正確讀寫 DS1302 的數(shù)據(jù)的仿真圖形，對(duì)應(yīng)的調(diào)試程序的如下所示：void main(void){ write_ds1302data()。要注意的問題是在測(cè)試之前一定要保證測(cè)試程序沒有問題，最好用已經(jīng)驗(yàn)證了的又非常簡(jiǎn)單的程序，這樣便于于確保程序的準(zhǔn)確性和可靠性。單片機(jī)調(diào)試方法：測(cè)試法和先測(cè)試系統(tǒng)能否載入程序，能否工作，直接給一些Ｉ/Ｏ高電平，通過 LED 驗(yàn)證是否符合邏輯。測(cè)試自制傳感器電路的方法：將 A、B 端直接用導(dǎo)線或者其他導(dǎo)體短接，比較 A、B 導(dǎo)通前與導(dǎo)通