【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ............................................. 27 圖 31 水溫調(diào)節(jié)仿真圖 ............................................................................................ 27 圖 32 按確定鍵后的水溫調(diào)節(jié)界面 ........................................................................... 28 圖 33 定時(shí)開(kāi)關(guān)子程序流程圖 .................................................................................. 28 圖 34 定時(shí)開(kāi)關(guān)功能仿真圖 ..................................................................................... 28 圖 35 按確定鍵后的仿真圖 ..................................................................................... 29 圖 36 校時(shí)功能界面仿真 ......................................................................................... 29 圖 37 按確定鍵后的校時(shí)功能界面仿真 .................................................................... 29 圖 38 提示功能界面仿真 ......................................................................................... 30 圖 39 沒(méi)實(shí) 現(xiàn)的定時(shí)功能提示界面仿真 .................................................................... 30 摘 要 智能化的熱水器 一般的 用單片機(jī)作為控制器， 能實(shí)現(xiàn)恒溫和水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，本設(shè)計(jì)是以 FPGA 和單片共同作為控制器件設(shè)的智能化熱水器， 在減少了一些外圍器件的同時(shí) 實(shí)現(xiàn) 了 恒溫和水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，還能實(shí)施時(shí)間監(jiān)控，根據(jù)不同的月份，不同的日期，不同的時(shí)間而自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)斷熱水器的電源，從而使得熱水使用更加方便，設(shè)定后不 需要 人的干預(yù)，同時(shí)能 節(jié)約電能。 本設(shè)計(jì)編程語(yǔ)言使用 VHDL 語(yǔ)言和 C51，運(yùn)行環(huán)境分別是 MAX+plus II Keil uVision3，用 Proteus 7 Professional 畫(huà)系統(tǒng)的電路圖并進(jìn)行仿真調(diào)試， FPGA 芯片使用Altera 公司的 EPF10K10TC1444，單片機(jī)使用 STC89C52RC. 關(guān)鍵詞： 智能、 熱水器 、 FPGA 、 EDA 、 VHDL、 單片機(jī) 89C5 C5恒溫控制、液位控制、 時(shí)鐘控制 、 鍵盤(pán)控制 、 液晶顯示 Abstract Water heaters are generally use MCU as the kind of water heaters could achieve to constant temperature and water level automaticlly, The design of intelligent water heater is based on FPGA and MCU control, reducing the number of peripheral 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(lèi)，一類(lèi)是燃?xì)馐剑硪活?lèi)是電熱式 ，而 購(gòu)買(mǎi)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(lái)說(shuō)，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。本設(shè)計(jì)是基于已有的儲(chǔ)水式電熱水器基礎(chǔ)上 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘定時(shí)開(kāi)關(guān)的控制和高溫?cái)嗦繁Ｗo(hù)功能，同時(shí)用 FPGA 作為數(shù)據(jù)采集器，使得液位和溫度的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，液位和溫度的精準(zhǔn)度更高，同時(shí)可手動(dòng)調(diào)節(jié)液位和溫度，用 LCD 顯示相關(guān)信息，整個(gè)系統(tǒng)外圍器件少，穩(wěn)定性高，同時(shí) 安裝 使用方便。 研究現(xiàn)狀分析 目前大多數(shù)智能熱水器都是基于單片機(jī)控制的智能熱水器，利用 EDA 技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)的基于 FPGA 電熱式熱水器控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件電路及相關(guān)配套軟件的設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能完成熱水器定時(shí)開(kāi)關(guān)、熱水器溫度、水位參數(shù)的采集、對(duì)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、處理、分析、顯示和控制等功能。 此設(shè)計(jì)將 FPGA和單片機(jī)結(jié)合使用，既發(fā)揮了 FPGA高速數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，有發(fā)揮了單片機(jī)在控制方便的優(yōu)點(diǎn)，因此整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比一般的僅用單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但在其性?xún)r(jià)比低，因而，此設(shè)計(jì)僅適用于練習(xí) FPGA與單片機(jī)的通信功能，練習(xí)用 FPGA 和單片機(jī)完成一個(gè)具體系統(tǒng)的具體功能的設(shè)計(jì)，如果希望此產(chǎn)品能具有一定的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，可以用單片機(jī)單獨(dú)完成此設(shè)計(jì)，用 DS1302 時(shí)鐘芯片完成時(shí)鐘的嵌入和定時(shí)控制的功能。 研究方法 通過(guò)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(lèi) 、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(kāi)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(guò) 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。 1 主要器件和編程語(yǔ)言簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)所用到的主要元器件 FPGA 芯片 EPF10K10TC1444 一片 單片機(jī) STC89C52RC 一片 時(shí)鐘芯片 DS1302 一片 溫度傳感器 DS18B20 一個(gè) 液晶顯示器 LCD12864 一片 繼電器 HLS8LDC5VSC 三個(gè) 電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 一片 器件簡(jiǎn)介 FPGA 簡(jiǎn)介 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫(xiě)， 即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（ Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（ Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（ Input Output Block）和內(nèi)部連線（ Interconnect）三個(gè)部分。 FPGA 的基本特點(diǎn)主要有： (1)采用 FPGA 設(shè)計(jì) ASIC 電路，用戶(hù)不需要投片生產(chǎn)，就能得 到合用的芯片。 ( 2)FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 (3)FPGA 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和 I／ O 引腳。 (4)FPGA 是 ASIC 電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 (5)FPGA 采用高速 CHMOS 工藝，功耗低，可以與 CMOS、 TTL 電平兼容。 可以說(shuō)， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 目前 FPGA 的品種很多，有 XILINX 的 XC 系列、 TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FLEX 系列等。 FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來(lái)設(shè)置其工 作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。用戶(hù)可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 加電時(shí)， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后，F(xiàn)PGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 能夠反復(fù)使用。 FPGA 的編程無(wú)須專(zhuān)用的 FPGA 編程器，只須用通用的EPROM、 PROM 編程器即可。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片 EPROM即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此， FPGA 的使用非常靈活。 FPGA 有多種 配置模式：并行主模式為一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式；主從模式可以支持一片 PROM 編程多片 FPGA；串行模式可以采用串行 PROM編程 FPGA；外設(shè)模式可以將 FPGA 作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。 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(shū)《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簡(jiǎn)介 DS1302 是美國(guó) DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、 時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 ～ 。采用三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或 RAM 數(shù)據(jù)。 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 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。 引腳功能及結(jié)構(gòu) DS1302 的引腳排列 ,其中 Vcc1 為后備電源， VCC2 為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1＋ 時(shí)， Vcc2 給 DS1302 供電。當(dāng) Vcc2小于 Vcc1 時(shí)， DS1302 由 Vcc1 供電。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復(fù)位 /片選線，通過(guò)把 RST 輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。 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，