【正文】 CLK 時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0 開始。 DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 個寄存器，其中有 7 個寄存器與日歷、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表 1。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 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。采用三線接口與 CPU 進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時(shí)鐘信號或 RAM數(shù)據(jù)。 DS1302 是 DS1202 的升級產(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)提供了對后背電源 進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。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。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1＋ 時(shí)， Vcc2 給 DS1302 供電。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 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。如果在傳送過程中 RST 置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。只有在 SCLK 為低電平時(shí)，才能將 RST 置為高電平。 SCLK 始終是輸入端。信息被發(fā)送到 /從 DS18B20 通過 1 線接口，所以中央微處理器與 DS18B20 只有一個一條口線連接。 因?yàn)槊恳粋€ DS18B20 的包含一個獨(dú)特的序號，多個 ds18b20s 可以同時(shí)存在于一條總線。它的用途很多，包括空調(diào)環(huán)境控制，感測建筑物內(nèi)溫設(shè)備或機(jī)器，并進(jìn)行過程監(jiān)測和控制。存儲器能完整的確定一線端口的通訊，數(shù)字開始用寫寄存器的命令寫進(jìn)寄存器，接著也可以 用讀寄存器的命令來確認(rèn)這些數(shù)字。當(dāng)修改過寄存器中的數(shù)時(shí)，這個過程能確保數(shù)字的完整性。第三和第四個字節(jié)是復(fù)制 TH 和 TL，同時(shí)第三和第四個字節(jié)的數(shù)字可以更新；第五個字節(jié)是復(fù)制配置寄存器，同時(shí)第五個字節(jié)的數(shù)字可以更新；六、七、八三個字節(jié)是計(jì)算機(jī)自身使用。 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 便為所測的溫度，還需要判斷正 負(fù)。 編程語言簡介 VHDL 簡介 VHDL 語言是一種用于電路設(shè)計(jì)的高級語言 。 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。在使用 VHDL等高級語言時(shí)，有專用的工具來實(shí)現(xiàn)將語言描述的電路功能轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電路 ，所以 使用者 就用不著對底層的電路很熟悉，也用不著對 CPLD/FPGA 的結(jié)構(gòu)很熟悉 。 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（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(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。這種將設(shè)計(jì)實(shí)體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。 （ 1）與其他的硬件描述語言相比， 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言。 （ 2） VHDL 豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能可行性，隨時(shí)可對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬。符合市場需求的大規(guī)模系統(tǒng)高效 、 高速的完成必須有多人甚至多個代發(fā)組共同并行工作才能實(shí)現(xiàn)。 （ 5） VHDL 對設(shè)計(jì)的描述具有相對獨(dú)立性，設(shè)計(jì)者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)器件是什么，而進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì) 。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。下面來看看它們的具體定義： 數(shù)據(jù)類型 長度 值域 unsigned char 單字節(jié) 0～ 255 signed char 單字節(jié) 128～ +127 unsigned int 雙字節(jié) 0～ 65535 signed int 雙字節(jié) 32768～ +32767 unsigned long 四字節(jié) 0～ 4294967295 signed long 四字節(jié) 2147483648～ +2147483647 float 四字節(jié) 177。 +38 * 1～ 3字節(jié) 對象的地址 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)溫度自動調(diào)節(jié)控制，使得溫度能維持在某個一定的范圍之內(nèi)；液位自動調(diào)節(jié)控制，使得液位能維持某個范圍之內(nèi)；定時(shí)開啟和關(guān)斷控制，根據(jù)不同日期和時(shí)間，開啟和關(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。 本設(shè)計(jì)軟件部分主要采用 VHDL 硬件描述語言編程實(shí)現(xiàn) FPGA 的數(shù)據(jù)采集和控制功能，用 C51 語言實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的控制功能，并利用 MAX+PLUSⅡ和 Keil uVision3 軟件開發(fā)平臺進(jìn)行編程調(diào)試。 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。 各模塊方案 論證和選擇 控制器模塊 方案的論證 和選擇 方案 A：單獨(dú)使用 FPGA 作為控制器。 FPGA 的主要優(yōu)勢是能實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)，大大簡化外圍電路，且能完成數(shù)據(jù)的高速 采集；單片機(jī)的主要優(yōu)勢是控制簡單方便。 方案 B：單獨(dú)使用單片機(jī)作為 控制器。 方案 C：同時(shí)使用 FPGA 和單片作為控制器件。 本設(shè)計(jì)采用 方案 C，原因 是為了探索 FPGA 在控制功能方面的應(yīng)用領(lǐng)域 ，利用低端 FPGA 實(shí)現(xiàn)一些控制功能，不僅電路大大簡化，而且成本也與單 片機(jī)相當(dāng) 。 用超聲波實(shí)時(shí)監(jiān)測水位的高度，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@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值附近。用壓力傳感器測量出熱水器不裝水時(shí)的重量，再測量出裝入水后的重量（即先要用壓力傳感器設(shè)計(jì)成一個電子稱），根據(jù)這個差值可以計(jì)算出液位的高度，此方式能十分準(zhǔn)確的測出液位高度，因此可以通過電磁閥將水位穩(wěn)定在某個值，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。自己制作一個傳感器測量出一個水位的最低值、測量出一個水位的最高值，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。 同時(shí)自制的傳感器簡單，而且成本很低。成本低，同時(shí)能滿足設(shè)計(jì)要求。 AD590 的測溫范圍為 55℃～ +150℃ 。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。 但是 AD590 需要放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路，電路較為復(fù)雜。 DS18B20 能測量 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。 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)三極管的控制級信號的占空比來調(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 。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。 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。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。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。 時(shí)鐘模塊方案的論證和選擇 方案 A 在 FPGA 中嵌入時(shí)鐘。 方案 B 直接選用一種時(shí)鐘芯片。 綜上 ，本設(shè)計(jì)采用方案 B。使用四個獨(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。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。 顯示模塊方案的論證和選擇 方案 A 使用 LED 顯示。 方案 B 使用 LCD12864 或 LCD1602。 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。 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，每個按鍵都有唯一對應(yīng)的一個特征值 ，根據(jù)這個唯一的特征值，可以確定是哪個 按鍵被按下， 并進(jìn)行相應(yīng)的按鍵處理。 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 8 校時(shí)、調(diào)溫功能按鍵分布圖及對應(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)動電路（驅(qū)動電磁閥、控制電熱阻絲的電源）、與單片機(jī)通信控制口。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， 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。 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。 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 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 ： 這個電路中的 上拉電阻不能少，實(shí)際電路中 VCC2 接 的紐扣電池。 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。 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。 圖 17 改進(jìn)后的繼電器驅(qū)動電路 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。 注意導(dǎo)體棒的電阻很小可以忽略，整個裝置能承受 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出一個高水位和一個低水位。 各硬件電路 調(diào)試方法 FPGA調(diào)試方法 先測試系統(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。 為使得電路測試條件與本設(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。這樣測試沒有問題后，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。 測試 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。 測試 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。 整個系統(tǒng)硬件調(diào)試方法：連接好所有模塊后，再單獨(dú)用簡單的程序測試各個模塊能否正常，如果各個模塊都能單獨(dú)正常工作，則整個系統(tǒng)的電路沒有問題。 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