【正文】 下面是編譯 VHDL 語(yǔ)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。 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。這樣測(cè)試沒(méi)有問(wèn)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(kāi)，如果能則說(shuō)明此電路沒(méi)有問(wèn)題。 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(guò) LED驗(yàn)證是否符合邏輯。 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。 單片機(jī) 系統(tǒng) 直接用已有的開(kāi)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。 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。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(lái)， 再通過(guò) 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(kāi)時(shí) Uo 為高電平。 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 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。 方案 B 使用 LCD12864 或 LCD1602。電路也十分簡(jiǎn)單，軟件工作量有所減少，但是設(shè)計(jì)的成本提高。 綜上 ，本設(shè)計(jì)采用方案 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。將可控硅串入電路，通過(guò)控制的高低電平，來(lái)接通和斷開(kāi)，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。使用繼電器控制熱電阻絲的電源的開(kāi)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(kāi)，熱電阻絲斷電停止工作。 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(jiǎn)單。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。成本低，同時(shí)能滿足設(shè)計(jì)要求。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(kāi)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。 用超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位的高度，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)用到 DS18B20，可以根據(jù)溫度用軟件補(bǔ)償因?yàn)闇囟茸兓鸬某暡ㄋ俣鹊淖兓?，這樣能較準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)崴鲀?nèi)水位的高度，因而可以使等水位維持在某個(gè)值附近。 方案 C：同時(shí)使用 FPGA 和單片作為控制器件。 FPGA 的主要優(yōu)勢(shì)是能實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化外圍電路，且能完成數(shù)據(jù)的高速 采集；單片機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)是控制簡(jiǎn)單方便。 其中 FPGA和 MCU的通信的 的程序則直 接 用實(shí)物 進(jìn)行 調(diào)試，并要求得到與理論分析相一致的結(jié)果。 +38 * 1～ 3字節(jié) 對(duì)象的地址 bit 位 0 或 1 sfr 單字節(jié) 0～ 255 sfr16 雙字節(jié) 0～ 65535 sbit 位 0 或 1 圖 2 KEIL uVision2 C51 編譯器所支持的數(shù)據(jù)類型 2 系統(tǒng)方案選擇和論證 設(shè)計(jì)要求 基本功能要求：實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使得溫度能維持在某個(gè)一定的范圍之內(nèi)；液位自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使得液位能維持某個(gè)范圍之內(nèi)；定時(shí)開(kāi)啟和關(guān)斷控制，根據(jù)不同日期和時(shí)間，開(kāi)啟和關(guān)斷熱水器電源；鍵盤設(shè)定溫度及時(shí)間校正功能，能設(shè)定維持溫度的范圍的最大值和最小值，同時(shí)可以用鍵盤校正時(shí)間。先看表 2－ 1，表中列出了 KEIL uVision2 C51 編譯器所支持的數(shù)據(jù)類型。符合市場(chǎng)需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效 、 高速的完成必須有多人甚至多個(gè)代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。 （ 1）與其他的硬件描述語(yǔ)言相比， VHDL 具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語(yǔ)言。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，或稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一個(gè)元件，一個(gè)電路模塊或一個(gè)系統(tǒng)）分成外部（或稱可是部分 ,及端口 )和內(nèi)部（或稱不可視部分 ）， 即 涉及實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完成部分。 其主要用于 描述數(shù)字系 統(tǒng)的行為、結(jié)構(gòu)、功能和接口。 溫度的讀取 DS18B20 在出廠時(shí)以配置為 12 位，讀取溫度時(shí)共讀取 16 位，所以把后11 位的 2 進(jìn)制轉(zhuǎn)化為 10 進(jìn)制后在乘以 便為所測(cè)的溫度，還需要判斷正 負(fù)。當(dāng)修改過(guò)寄存器中的數(shù)時(shí)，這個(gè)過(guò)程能確保數(shù)字的完整性。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測(cè)建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機(jī)器，并進(jìn)行過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制。信息被發(fā)送到 /從 DS18B20 通過(guò) 1 線接口，所以中央微處理器與 DS18B20 只有一個(gè)一條口線連接。只有在 SCLK 為低電平時(shí)，才能將 RST 置為高電平。 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。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1＋ 時(shí)， Vcc2 給 DS1302 供電。 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。 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警計(jì)時(shí)等功能，此設(shè)計(jì)采用了 DS302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯 片。 DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 個(gè)寄存器，其中有 7 個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為 BCD 碼形式 ,其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字見(jiàn)表 1。位 5 至位 1 指示操作單元的地址 。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 )，后面有詳細(xì)說(shuō)明。當(dāng)RST 為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì) DS1302 進(jìn)行操作。當(dāng) Vcc2小于 Vcc1 時(shí)， DS1302 由 Vcc1 供電。 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。 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 ～ 。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。 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)。 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。 ( 2)FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 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， 即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，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。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。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。本人授權(quán) 大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。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。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書(shū)寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè) 論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書(shū)、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū) 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)： 一、撰寫（設(shè)計(jì)）過(guò)程 學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、論文（設(shè)計(jì)）水平 論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建議成績(jī)： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“√”） 指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū) 評(píng)閱教師評(píng)價(jià)： 一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)） 任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）水平 論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □