智能热水器设计毕业论文

I武汉理工大学毕业设计（论文）智能热水器设计学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： II目 录摘 要 .VABSTRACT .VI绪论 .11 主要器件和编程语言简介 .21.1 本设计所用到的主要元器件 .21.2 器件简介 .21.2.1 FPGA 简介 .21.2.2 单片机简介 .31.2.3 DS1302 简介 .31.2.4 DS18B20 简介 .51.3 编程语言简介 .61.3.1.VHDL 简介61.3.2 .C51 语言简介62 系统方案选择和论证 .82.1 设计要求 .82.2 各模块方案论证和选择 .82.2.1 控制器模块方案的论证和选择 .82.2.2 水位控制模块方案的论证和选 .92.2.3 水温控制模块方案的论证和选择 .92.2.4 定时开关控制模块方案的论证和选择 .102.2.5 时钟模块方案的论证和选择 .102.2.6 键盘模块方案的论证和选择 .112.2.7 显示模块方案的论证和选择 .112.3 硬件系统框图和总体软件系统流程图 .112.4 硬系统总体电路图 .14III2.4.1 FPGA 模块电路图 .142.4.2 单片机控制模块电路图 .153 .硬件电路组装调试 .173.1 各模块的硬件组装 .173.1.1 FPGA 模块 .173.1.2 单片机模块 .183.2 组装和改进系统硬件电路 .193.3 各硬件电路调试方法 .203.3.1 FPGA 调试方法 .203.3.2 继电器电路的调试方法 .214 .软件调试及仿真 .224.1 各模块的软件调试、仿真和实物测试 .224.1.1 FPGA 软件调试、仿真和实物测试 .224.1.2 DS1302 软件调试、仿真和实物测试 .234.1.3 DS18B20 软件调试、仿真和实物测试 .234.2 整个系统软件调试、仿真和实物测试 .244.2.1 主程序的调试、仿真和实物测试 .244.2.2 水位调节子程序的调试、仿真和实物测试 .264.2.3 水温调节子程序的调试、仿真和实物测试 .264.2.4 定时开关子程序的调试、仿真和实物测试 .284.2.5 校时程序仿真 .294.2.6 按键功能提示界面的程序仿真 .304.2.7 没有实现的第二定时功能提示界面的程序仿真 .305 .总体设计电路的优缺点总结及改进意见和展望 .315.1 优点 .315.2 缺点 .315.3 改进意见和展望 .31IV结 论 .32参考文献 .33附录 A：VHDL 语言源程序 .34附录 B： C51 语言程序主程序名及头文件名 .35致 谢 .36插图索引图 1 DS1302 封装图 .4图 2 KEIL uVision2 C51 编译器所支持的数据类型 .7图 3 智能热水器系统设计总体框图 .12图 4 FPGA 控制器设计总体框图 .12图 5 MCU 控制器设计总体框图 .12图 6 矩阵键盘特征值分布图 .13图 7 总体程序流程图 .13V图 8 校时、调温功能按键分布图及对应特征值 .14图 9 FPGA 控制模块电路图 .15图 10 单片机控制模块电路图 .16图 11 自制水位传感器 .17图 12 继电器驱动电路 .17图 13 矩阵键盘电路 .18图 14 LCD12864 的显示电路 .18图 15 DS1302 电路 .19图 16 DS18B20 电路 .19图 17 改进后的继电器驱动电路 .20图 18 自制水位传感器 .20图 19 自顶向下的设计流程 .22图 20 FPGA 控制器的时序仿真图 .22图 21 FPGA 控制器结构图 .22图 22 DS1302 仿真图 .23图 23 DS18B20 仿真图 .23图 24 主程序流程图 .24图 25 主程序仿真图 .25图 26 提示功能界面仿真图 .25图 27 水位调节程序的流程图 .26图 28 水位调节程序仿真图（a） .26图 29 水位调节程序仿真图（b） .26图 30 水温调节子程序流程图 .27图 31 水温调节仿真图 .27图 32 按确定键后的水温调节界面 .28图 33 定时开关子程序流程图 .28图 34 定时开关功能仿真图 .28图 35 按确定键后的仿真图 .29图 36 校时功能界面仿真 .29图 37 按确定键后的校时功能界面仿真 .29图 38 提示功能界面仿真 .30图 39 没实现的定时功能提示界面仿真 .30VI摘 要智 能 化 的 热 水 器 一 般 的 用 单 片 机 作 为 控 制 器 ， 能 实 现 恒 温 和 水 位 的 自 动 调节 的 功 能 ， 本 设 计 是 以 FPGA 和 单 片 共 同 作 为 控 制 器 件 设 的 智 能 化 热 水 器 ， 在 减少 了 一 些 外 围 器 件 的 同 时 实 现 了 恒 温 和 水 位 的 自 动 调 节 控 制 ， 还 能 实 施 时 间 监 控 ，根 据 不 同 的 月 份 ， 不 同 的 日 期 ， 不 同 的 时 间 而 自 动 开 启 和 关 断 热 水 器 的 电 源 ， 从而 使 得 热 水 使 用 更 加 方 便 ， 设 定 后 不 需 要 人 的 干 预 ， 同 时 能 节 约 电 能 。 本 设 计 编程 语 言 使 用 VHDL 语 言 和 C51， 运 行 环 境 分 别 是 MAX+plus II 10.0 和 Keil uVision3， 用 Proteus 7 Professional 画 系 统 的 电 路 图 并 进 行 仿 真 调 试 ， FPGA 芯片 使 用 Altera 公 司 的 EPF10K10TC144-4， 单 片 机 使 用 STC89C52RC.关 键 词 ： 智 能 、 热 水 器 、 FPGA 、 EDA 、 VHDL、 单 片 机 89C51、 C51、 恒 温 控 制 、液 位 控 制 、 时 钟 控 制 、 键 盘 控 制 、 液 晶 显 示VIIAbstractWater heaters are generally use MCU as the controller.This 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 10.0 and Keil uVision3, with Proteus 7 Professional painting system and the simulation circuit debug, FPGA chip use Alteras EPF10K10TC144-4, 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 display1绪论选题的背景及目的市 场 上 适 合 家 庭 使 用 的 热 水 器 有 两 类 ， 一 类 是 燃 气 式 ， 另 一 类 是 电 热 式 ，而 购 买 热 水 器 主 要 考 虑 价 格 、 安 全 性 ， 方 便 性 、 寿 命 、 成 本 等 因 素 ， 一般来说，燃气热水器的优点是价格低、加热快、出水量大、温度稳定，缺点是必须分室安装，不易调温，需定期除垢，在使用中易产生有害气体，因此其使用受到一定限制；储水式电热水器的优点是干净、卫生，不必分室安装，不产生有害气体，调温方便，高档产品还有到达设定温度后自动断电、自动补温等功能。本设计是基于已有的储水式电热水器基础上实现时钟定时开关的控制和高温断路保护功能，同时用 FPGA 作为数据采集器，使得液位和温度的实时性更强，液位和温度的精准度更高，同时可手动调节液位和温度，用 LCD 显示相关信息，整个系统外围器件少，稳定性高，同时安装使用方便。研究现状分析目前大多数智能热水器都是基于单片机控制的智能热水器，利用 EDA 技术和单片机技术，设计的基于 FPGA 电热式热水器控制器，实现系统的硬件电路及相关配套软件的设计，使系统能完成热水器定时开关、热水器温度、水位参数的采集、对采集数据实时记录、处理、分析、显示和控制等功能。此设计将 FPGA 和单片机结合使用，既发挥了 FPGA 高速数据采集的特点，有发挥了单片机在控制方便的优点，因此整个系统的实时性比一般的仅用单片机设计的系统的实时性强，但在其性价比低，因而，此设计仅适用于练习FPGA 与单片机的通信功能，练习用 FPGA 和单片机完成一个具体系统的具体功能的设计，如果希望此产品能具有一定的实用价值和市场竞争力，可以用单片机单独完成此设计，用 DS1302 时钟芯片完成时钟的嵌入和定时控制的功能。研究方法通过分析现有电热式热水器的功能和结构的和查阅相关文献、资料，总结现了市场上现有的热水器的种类、结构和功能特点，在已有产品的功能基础上加入了定时开关功能，使得此产品更人性化也符合社会提倡的节能的需要，此设计先通过 Proteus 和 MasplusII 等软件仿真，然后在系统板上进行逐个的功能调试，在逐个功能完成的基础上进行系统总体功能调试。231 主要器件和编程语言简介1.1 本设计所用到的主要元器件FPGA 芯 片 EPF10K10TC144-4 一 片单片机 STC89C52RC 一片时 钟 芯 片 DS1302 一 片温 度 传 感 器 DS18B20 一 个液 晶 显 示 器 LCD12864 一 片继 电 器 HLS8L-DC5V-S-C 三 个电 平 转 换 芯 片 MAX232 一 片1.2 器件简介1.2.1 FPGA 简介FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、GAL、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block） 、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect ）三个部分。FPGA 的基本特点主要有：(1)采用 FPGA 设计 ASIC 电路，