【正文】 RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST 為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對 DS1302 進行操作。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)。上電運行時，在 Vcc≥ 之前， RST 必須保持低電平。只有在 SCLK 為低電平時，才能將 RST 置為高電平。 I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 )，后面有詳細說明。 SCLK 為時鐘輸入端。 DS1302 的引腳功能圖 如下圖： 圖 1 DS1302 封裝圖 DS1302 的控制字節(jié) DS1302 的控制字如圖 2所示。控制字節(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，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為 1 表示存取 RAM 數(shù)據(jù) 。位 5 至位 1 指示操作單元的地址 。最低有效位 (位 0)如為 0 表示要進行寫操作，為 1 表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。 數(shù)據(jù)輸入輸出 (I/O) 在控制指令字輸入后的下一個 SCLK 時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位 0 開始。同樣，在緊跟 8 位的控制指令字后的下一個 SCLK 脈沖的下降沿讀出 DS1302 的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位 0 位到高位 7。 DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 個寄存器，其中有 7 個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為 BCD 碼形式 ,其日歷、時間寄存器及其控制字見表 1。 此 外， DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與 RAM 相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(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。 DS1302 與 RAM 相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個 RAM 單元，共 31 個，每個單元組態(tài)為一個 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 個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫 )、 FFH(讀 )。 為了實現(xiàn)系統(tǒng)報警計時等功能，此設(shè)計采用了 DS302 實時時鐘芯 片。DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實時時鐘 電路 ，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為 ～ 。采用三線接口與 CPU 進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM數(shù)據(jù)。 DS1302內(nèi)部有一個 318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。 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，同時提供了對后背電源 進行涓細電流充電的能力。 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，也能保持時鐘的連續(xù)運行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 兩者中的較大者供電。當 Vcc2 大于 Vcc1＋ 時， Vcc2 給 DS1302 供電。當 Vcc2 小于 Vcc1 時， DS1302 由 Vcc1供電。 X1 和 X2 是振蕩源，外接 晶振。 RST 是復位 /片選線，通過把 RST 輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(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， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù) 據(jù)的傳送手段。當 RST 為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對 DS1302 進行操作。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)。上電運行時，在 Vcc≥ 之前，RST 必須保持低電平。只有在 SCLK 為低電平時，才能將 RST 置為高電平。I/O 為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端 (雙向 )，后面有詳細說明。 SCLK 始終是輸入端。 DS18B20 簡介 DS18B20 的數(shù)字溫度計提供 9 至 12 位（可編程設(shè)備溫度讀數(shù)。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。為讀寫以及溫度轉(zhuǎn)換可以從數(shù)據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源。 因為每一個 DS18B20 的包含一個獨特的序號，多個 ds18b20s 可以同時存在于一條總線。這使得溫度傳感器放置在許多不同的地方。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)備或機器，并進行過程監(jiān)測和控制。 存儲器 DS18B20的存儲器包括高速暫存器 RAM和可電擦除 RAM，可電擦除 RAM又包括溫度觸發(fā)器 TH和 TL，以及一個配置寄存器。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寄存器，接著也可以 用讀寄存器的命令來確認這些數(shù)字。當確認以后就可以用復制寄存器的命令來將這些數(shù)字轉(zhuǎn)移到可電擦除 RAM 中。當修改過寄存器中的數(shù)時，這個過程能確保數(shù)字的完整性。 高速暫存器 RAM 是由 8 個字節(jié)的存儲器組成；第一和第二個字節(jié)是溫度的顯示位。第三和第四個字節(jié)是復制 TH 和 TL，同時第三和第四個字節(jié)的數(shù)字可以更新；第五個字節(jié)是復制配置寄存器，同時第五個字節(jié)的數(shù)字可以更新；六、七、八三個字節(jié)是計算機自身使用。用讀寄存器的命令能讀出第九個字節(jié)，這個字節(jié)是對前面的八個字節(jié)進行校驗。 溫度的讀取 DS18B20 在出廠時以配置為 12 位，讀取溫度時共讀取 16 位，所以把后11 位的 2 進制轉(zhuǎn)化為 10 進制后在乘以 便為所測的溫度，還需要判斷正 負。前 5 個數(shù)字為符號位，當前 5 位為 1 時，讀取的溫度為負數(shù)；當前 5 位為0 時，讀取的溫度為正數(shù)。 編程語言簡介 VHDL 簡介 VHDL 語言是一種用于電路設(shè)計的高級語言 。 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。 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。目前，它在中國的應用多數(shù)是用在 FPGA/CPLD/EPLD 的設(shè)計中。在使用 VHDL等高級語言時，有專用的工具來實現(xiàn)將語言描述的電路功能轉(zhuǎn)換為實際的電路 ，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 。 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格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。 VHDL 的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計，或稱設(shè)計實體（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 涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設(shè)計實體分成內(nèi)外部分的概念是VHDL 系統(tǒng)設(shè)計的基本點。應用 VHDL 進行工程設(shè)計的優(yōu)點是多方面的。 （ 1）與其他的硬件描述語言相比， VHDL 具有更強的行為描述能力，從而決定了他成為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)，從邏輯行為上描述和設(shè)計大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。 （ 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)計早期就能查驗設(shè)計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設(shè)計進行仿真模擬。 （ 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)計的分解和已有設(shè)計的再利用功能。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現(xiàn)。 （ 4）對于用 VHDL 完成的一個確定的設(shè)計，可以利用 EDA 工具進行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動的把 VHDL 描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。 （ 5） VHDL 對設(shè)計的描述具有相對獨立性，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也不必管理最終設(shè)計實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨立的設(shè)計 。 C51 語 言簡介 語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 每寫一個程序，總離不開數(shù)據(jù)的應用，在學習 C51 語言的過程中掌握理解數(shù)據(jù)類型也是很關(guān)鍵的。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。在標準 C 語言中基本的數(shù)據(jù)類型為 char, int, short, long, float 和 double，而在 C51 編譯器中 int 和 short 相同， float 和 double 相同，這里就不列出說明了。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。 38～177。 +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)計要求 基本功能要求：實現(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)；定時開啟和關(guān)斷控制，根據(jù)不同日期和時間，開啟和關(guān)斷熱水器電源；鍵盤設(shè)定溫度及時間校正功能，能設(shè)定維持溫度的范圍的最大值和最小值，同時可以用鍵盤校正時間。 擴展功能要求：實現(xiàn)恒溫控制，使得溫度能溫度在具體的某個值，而不是維持在某個范圍之內(nèi)，即 實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)控；實現(xiàn)水位的調(diào)節(jié)功能，能使水位維持在某個具體的數(shù)值，而不是維持在某個范圍之內(nèi)，即實現(xiàn)水位的實時監(jiān)控。 本設(shè)計軟件部分主要采用 VHDL 硬件描述語言編程實現(xiàn) FPGA 的數(shù)據(jù)采集和控制功能，用 C51 語言實現(xiàn)單片機的控制功能，并利用 MAX+PLUSⅡ和 Keil uVision3 軟件開發(fā)平臺進行編程調(diào)試。 對于 VHDL 語言程序要調(diào)試等待準確的仿真時序圖，對于 C51程序， 要用 Keil編譯，并用 Proteus 7 Professional得到準確的仿真結(jié)果。 其中 FPGA和 MCU的通信的 的程序則直 接 用實物 進行 調(diào)試，并要求得到與理論分析相一致的結(jié)果。 本設(shè)計由 控制器 模塊 、 水位控制模塊、水溫控制模塊、定時開關(guān)控制模塊、時鐘模塊、鍵盤模塊和顯示模塊 七 大硬件模塊構(gòu)成，各模塊相互關(guān)聯(lián) ，控制器是各模塊相互聯(lián)系溝通的橋梁 。 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：單獨使用 FPGA 作為控制器。如果單獨使用 FPGA 作為控制器件，優(yōu)勢是大大的簡化了外圍電路， 提高了整個系統(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)計要求，且不需要外部 EEPROM 和時鐘芯片 ,可以直接使用 FPGA 內(nèi)部的高速 ROM， 也可以編寫時鐘模塊的程序， 且 FPGA 速度要比單片機快的多，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 與單片機相比沒有優(yōu)勢。 FPGA 的主要優(yōu)勢是能實現(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；單片機的主要優(yōu)勢是控制簡單方便。 在此設(shè)計中單獨使用 FPGA 不能很好的體現(xiàn)它在高速數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢。 方案 B：單獨使用單片機作為 控制器。如果單獨使用單片機使用作為控 制 器，優(yōu)勢是能較簡單方便實現(xiàn) 水位控制模 塊、水溫控制模塊、定時開關(guān)控制模塊、時鐘模塊、鍵盤模塊和顯示模塊等各個功能模塊的控制功能， 同時成本大大降低， 但是增加了 一些 外圍元件， 如需要增加時鐘芯片和 EEPROM 芯片， 外圍電路 的復雜性增加 ，這使得電路的穩(wěn)定性和可靠性與方案 A 相比有所降低 。 方案 C：同時使用 FPGA 和單片作為控制器件。這樣的方案主要是綜合兩種控制器件的優(yōu)勢，但是成本提高 。 本設(shè)計采用 方案 C，原因 是為了探索 FPGA 在控制功能方面的應用領(lǐng)域 ，利用低端 FPGA 實現(xiàn)一些控制功能，不僅電路大大簡化，而且成本也與單 片機相當 。 水位控制模塊方案的論證和選 擇 方案 A 采用超聲波 。 用超聲波實時監(jiān)測水位的高度，因為本設(shè)計用到 DS18B20，可以根據(jù)溫度用軟件補償因為溫度變化而引起的超聲波速度的變化，這樣能較準確的實時監(jiān)控熱水器內(nèi)水位的高度，因而可以使等水位維持在某個值附近。 方案 B 采用壓力傳感器。用壓力傳感器測量出熱水器不裝水時的重量，再測量出裝入水后的重量（即先要用壓力傳感器設(shè)計成一個電子稱），根據(jù)這個差值可以計算出液位的高度，此方式能十分準確的測出液位高度，因此可以通過電磁閥將水位穩(wěn)定在某個