【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程。本設(shè)計(jì)所用到的主要元器件.....

　　

【正文】 值，但是傳感器的 成本較高， 一般的壓力傳感器 一直在負(fù)重之下，時(shí)間長了誤差增大，最終損壞。 方案 C 自制傳感器。自己制作一個(gè)傳感器測(cè)量出一個(gè)水位的最低值、測(cè)量出一個(gè)水位的最高值，當(dāng)水位低于最低值時(shí)打開電磁閥，熱水器進(jìn)水；當(dāng)水位達(dá)到水位的最高時(shí)，關(guān)閉電磁閥。這樣能將水位 維持 在某個(gè)范圍之內(nèi) 。 同時(shí)自制的傳感器簡單，而且成本很低。 比較上述幾種方案，本設(shè)計(jì)采用方案 C。成本低，同時(shí)能滿足設(shè)計(jì)要求。 水溫控制模塊方案的論證和選擇 溫度采集模塊 方案 A 采用 AD590。 AD590 的測(cè)溫范圍為 55℃～ +150℃ 。 AD590 的電源 電壓范圍為 4V～ 30V。電源電壓可在 4V 到 6V 范圍變化，電流變化 1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。 AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。 但是 AD590 需要放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路，電路較為復(fù)雜。 方案 B 采用 DS18B20。 DS18B20 能測(cè)量 55 攝氏度到 125 攝氏度的溫度值，采用“一 線總線”，內(nèi)嵌 A/D 轉(zhuǎn)換，可直接與控制器件連接外圍電路簡單。 兩種方案比較，方案 B 能很好的滿足我們的設(shè)計(jì)要求，而且電路比方案 A簡單，同時(shí)成本較方案 A 要低的多，因此本設(shè)計(jì)采用方案 B。 熱電阻絲控 制方式 方案 A 采用 用 PWM 控制方式，通過改變 MOS 管或電力開關(guān)三極管的控制級(jí)信號(hào)的占空比來調(diào)整輸出端電壓的有效值 ，這種控制方式能使得溫度穩(wěn)定在某個(gè)值附近，當(dāng)時(shí)需要將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，即需要設(shè)計(jì)市電壓的整流電路，還需要耦合器件和電力開關(guān)管，電路較為復(fù)雜，成本較高 。 方案 B：采用繼電器。使用繼電器控制熱電阻絲的電源的開和關(guān)，當(dāng)溫度值低于最低值是繼電器閉合，熱電阻絲通電工作，當(dāng)溫度高于最高值是繼電器斷開，熱電阻絲斷電停止工作。 這種方式的缺點(diǎn)是繼電器斷開和吸合的瞬間存在電弧，存在安全隱患，而且對(duì)繼電器的壽命有影 響，但是這種方式電路簡單，實(shí)現(xiàn)方便，而且能很好的滿足設(shè)計(jì)要求。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用方案 B， 方案 B 簡單易行， 可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)， 但在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意做好絕緣保護(hù)的工作。 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。將可控硅串入電路，通過控制的高低電平，來接通和斷開，熱水器的系統(tǒng)的電源，這樣不存在電弧和電火花的現(xiàn)象，而且響應(yīng)速度很快。 方案 B 采用繼電器。將繼電器接入系統(tǒng)電路，通過控制端來開啟和關(guān)斷電源，這樣相對(duì)與可控硅而言，高壓區(qū)和低壓區(qū)的隔離效果好，但存在電弧和電火花。 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，以簡化電路，節(jié)約成本，因此在這個(gè)模塊的方案選擇方案 B。 時(shí)鐘模塊方案的論證和選擇 方案 A 在 FPGA 中嵌入時(shí)鐘。這樣電路簡化了電路，但還有要實(shí)現(xiàn)記錄年月日的信息，這樣用 FPGA 實(shí)現(xiàn)起來軟件工作量大大的增加了。 方案 B 直接選用一種時(shí)鐘芯片。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，而且電路也比較簡單，這樣用簡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。 綜上 ，本設(shè)計(jì)采用方案 B。 鍵盤模塊方案的論證和選擇 方案 A 使用獨(dú)立鍵盤。使用四個(gè)獨(dú)立鍵盤，這樣電路十分的簡單，但是軟件的工作量有所增加。 方案 B 使用用 4x4 鍵盤。電路也十分簡單，軟件工作量有所減少，但是設(shè)計(jì)的成本提高。 鑒于本設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)探索研究，選用方案 B，在系統(tǒng)調(diào)試成功后或產(chǎn)品需要實(shí)際使用時(shí)則改用方案 A。 顯示模塊方案的論證和選擇 方案 A 使用 LED 顯示。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。 方案 B 使用 LCD12864 或 LCD1602。使用 LCD12864 或 LCD1602 都能滿足本設(shè)計(jì)的要求，如果考慮成本因素，則選用 LCD1602，如果注重人性化，使得整個(gè)系統(tǒng)的操作和使用更加的方便，則選用 LCD12864。 考慮到本設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)研究，因此選用方案 B 中的 LCD12864，如過要批量生產(chǎn)、實(shí)際應(yīng)用這種產(chǎn)品，怎選用 LCD1602 或其他能滿足設(shè)計(jì)要求的更經(jīng)濟(jì)顯示器件。 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， FPGA 控制模塊和MCU 控制模塊。 圖 3 智能熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖 下面是 FPGA 控制器的設(shè)計(jì)框圖，編程時(shí)器件端口就是根據(jù)這個(gè)圖設(shè)計(jì)的。 圖 4 FPGA控制器設(shè)計(jì)總體框圖 單片機(jī)的控制器的 設(shè)計(jì)框圖如下圖所示，下面的框圖已經(jīng)將 MCU 的 I/O 資源進(jìn)行了分配 ，有關(guān)單片機(jī)模塊的具體的電子線路就是根據(jù)這個(gè)系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)的。 圖 5 MCU 控制器設(shè)計(jì)總 體框圖 本系統(tǒng)使用了 4X4 的掃描鍵盤，下圖是按鍵掃描程序所得到的特征值，每個(gè)按鍵都有唯一對(duì)應(yīng)的一個(gè)特征值 ，根據(jù)這個(gè)唯一的特征值，可以確定是哪個(gè) 按鍵被按下， 并進(jìn)行相應(yīng)的按鍵處理。 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。 系統(tǒng)上電進(jìn)入主界面，進(jìn)行按鍵掃描和相應(yīng)的顯示，當(dāng)掃描到按鍵時(shí)進(jìn)行相關(guān)的按鍵處理，如當(dāng)掃描到的按鍵的特征值為 0x71 時(shí)，程序進(jìn)入了校時(shí)界面，這 個(gè)子程序的循環(huán)中依然進(jìn)行按鍵掃描和相應(yīng)的顯示，當(dāng)掃描的按鍵的特征值為 0xe8 時(shí)，程序從新回到主界面的狀態(tài)。 圖 7 總體程序流程圖 當(dāng)程序進(jìn)入校時(shí)、定時(shí)和溫度調(diào)節(jié)的界面時(shí)，按鍵的特征值分布如下右圖所示，“ ”和“ ” 分別表示調(diào)節(jié)量左移和右移， 每按一下實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)量左移或右移一個(gè)單位； “ ”和“ ” 分別表示增大和減少調(diào)節(jié)量，沒按以下實(shí)現(xiàn)加 一或減一。 圖 8 校時(shí)、調(diào)溫功能按鍵分布圖及對(duì)應(yīng)特征值 硬系統(tǒng)總體電路圖 FPGA模塊電路圖 圖 9 FPGA控制模塊電路圖 單片機(jī)控制模塊電路圖 圖 10 單片機(jī)控制模塊電路圖 3 .硬件電路組裝調(diào)試 各模塊的硬件組裝 FPGA模塊 外圍電路有自制傳感器電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路（驅(qū)動(dòng)電磁閥、控制電熱阻絲的電源）、與單片機(jī)通信控制口。 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 。當(dāng)A、 B 之間有水時(shí)，就相當(dāng)于用一根導(dǎo)線將 A、 B 連接起來， 再通過 如圖二所示的電路就能將可以將 A、 B 之間是否導(dǎo)通轉(zhuǎn)換成高 低電平：當(dāng) A、 B 導(dǎo)通是輸出端 Uo 為低電平，當(dāng) A、 B 導(dǎo)通斷開時(shí) Uo 為高電平。 圖 11 自制水位傳感器 繼電器電路 圖 12 繼電器驅(qū)動(dòng)電路 LED 只是電路的通道狀態(tài)，當(dāng)電熱阻絲通電時(shí) LED 點(diǎn)亮。 與單片機(jī)通信控制口： FPGA 和單片機(jī)的電平可以兼容，因此 FPGA 的 I/O 可以 直接與 MCU 的 I/O 口連接，不需要另外附加電平轉(zhuǎn)換電路。 但是 兩者間如果是用導(dǎo)線相連接的話，導(dǎo)線不宜過長。 單片機(jī)模塊 單片機(jī) 除了 必備的 保證系統(tǒng)正常工 作電路外，還有 4x4 按鍵電路、 LCD12864的顯示電路、與時(shí)鐘芯片的連接電路、 與傳 感器 DS18B20 的連接電路、與 FPGA的通信口。 圖 13 矩陣鍵盤電路 鍵盤的 8 個(gè)口接單片機(jī)的 P1 口。 圖 14 LCD12864 的顯示電路 與時(shí)鐘芯片的連接電路： 圖 15 DS1302 電路 注意 ： 這個(gè)電路中的 上拉電阻不能少，實(shí)際電路中 VCC2 接 的紐扣電池。 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 ,并逐個(gè)的調(diào)試 .因?yàn)殡娐分袥]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。 單片機(jī) 系統(tǒng) 直接用已有的開發(fā)上面的最小系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)上有 DS130DS18B20 和 LCD12864，電路圖與上面各模塊所給出的電路圖一致。 FPGA 系統(tǒng)直接 用我們系實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)箱上面的最小系統(tǒng)。 繼電器電路電路 和 自制的傳感器的電路 較 簡單 ，為節(jié)約設(shè)計(jì)實(shí)時(shí) 沒有制作PCB 板 ， 而是 設(shè)計(jì)好電路 圖之 后，直接用萬 用板焊接出相關(guān)電路。 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。 圖 17 改進(jìn)后的繼電器驅(qū)動(dòng)電路 在前面設(shè)計(jì)的自制傳感器在用導(dǎo)體直接斷路時(shí)能得到準(zhǔn)確結(jié)果，而在水中調(diào)試時(shí)行不通，因此將之做如下改正，并調(diào)試成功。 圖 18 自制水位傳感器 這是改進(jìn)后的 檢測(cè)水位 傳感器，浮標(biāo)知識(shí)液面的高度，當(dāng)液面低于 A A2時(shí)，浮標(biāo)下降到 A A2 的水平位置，導(dǎo)體棒將 A A2 接通；當(dāng)液面高于 BB2 時(shí)，浮標(biāo)上升到 B B2 的水平位置，導(dǎo)體棒將 B B2 接通。 注意導(dǎo)體棒的電阻很小可以忽略，整個(gè)裝置能承受 100 攝氏度 的溫度，也就是能在沸水中正常工作 ，而且此傳感器能檢測(cè)出一個(gè)高水位和一個(gè)低水位。 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。 各硬件電路 調(diào)試方法 FPGA調(diào)試方法 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 后輸出端 Uo 的電平變化，如果按照分析得到變化規(guī)律變化 則 說明電路沒有問題。 為使得電路測(cè)試條件與本設(shè)計(jì)的其實(shí)際工作環(huán)境更加接近，這里在實(shí)際電路調(diào)試將自制傳感器放入水中和從水中拿出觀察輸出端的電平變化是否符合邏輯。 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。這樣測(cè)試沒有問題后，在繼電器的負(fù)載端接入熱電阻絲，用高低電平控制，觀察熱電阻絲的的電源能否按高低電平接通和斷開，如果能則說明此電路沒有問題。 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 DS1302 電路方法： 先寫入數(shù)據(jù)到 DS1302 相關(guān)寄存器，用 Proteus 仿真，觀察能否寫入，再從 DS1302 相關(guān)寄存器讀取剛好寫入的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)所的單片機(jī) I/O 口，用 Proteus 仿真，觀察數(shù)據(jù)是否和剛好寫入的數(shù)據(jù)相符合。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)證了的又非常簡單的程序，這樣 便于于確保程序的準(zhǔn)確性和可靠性。 測(cè)試 DS18B20 電路方法 讀取其中 相關(guān)寄存器 數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)的 I/O 口，用 LED 檢測(cè)各位 的高低電平， 觀察 與仿真中顯示的值是否相同，同時(shí)分析是否符合芯片資料中介紹的相關(guān)信息相符合。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)證了的又非常簡單的程序 ，這樣 便于于確保程序的準(zhǔn)確性和可靠性 。 整個(gè)系統(tǒng)硬件調(diào)試方法：連接好所有模塊后，再單獨(dú)用簡單的程序測(cè)試各個(gè)模塊能否正常，如果各個(gè)模塊都能單獨(dú)正常工作，則整個(gè)系統(tǒng)的電路沒有問題。 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。 下面是編譯 VHDL 語言程序后生產(chǎn)的器件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖： 圖 21 FPGA控制 器結(jié)構(gòu)圖 注：圖左邊的全部是輸入口，圖 右邊的全部是輸出口。 DS1302軟件調(diào)試、仿真和實(shí)物測(cè)試 圖 2