智能热水器设计(毕业论文二稿).doc

目目 录录 摘摘 要要.V ABSTRACT.VI 绪论绪论.1 1 主要器件和编程语言简介主要器件和编程语言简介.2 1.1 本设计所用到的主要元器件本设计所用到的主要元器件.2 1.21.2 器件简介器件简介.2 1.2.11.2.1 FPGA 简介.2 1.2.21.2.2 单片机简介单片机简介.3 1.2.31.2.3 DS1302DS1302 简介简介.3 1.2.41.2.4 DS18B20DS18B20 简介简介.5 1.31.3 编程语言简介编程语言简介.6 1.3.11.3.1.VHDL 简介简介 6 1.3.21.3.2.C51 语言简介语言简介 6 2 系统方案选择和论证系统方案选择和论证.8 2.12.1 设计要求设计要求.8 2.22.2 各模块方案论证和选择各模块方案论证和选择.8 2.2.12.2.1 控制器模块方案的论证和选择控制器模块方案的论证和选择.8 2.2.22.2.2 水位控制模块方案的论证和选水位控制模块方案的论证和选.9 2.2.32.2.3 水温控制模块方案的论证和选择水温控制模块方案的论证和选择.9 2.2.42.2.4 定时开关控制模块方案的论证和选择定时开关控制模块方案的论证和选择.10 2.2.52.2.5 时钟模块方案的论证和选择时钟模块方案的论证和选择.10 2.2.62.2.6 键盘模块方案的论证和选择键盘模块方案的论证和选择.11 2.2.72.2.7 显示模块方案的论证和选择显示模块方案的论证和选择.11 2.32.3 硬件系统框图和总体软件系统流程图硬件系统框图和总体软件系统流程图.11 2.42.4 硬系统总体电路图硬系统总体电路图.14 2.4.12.4.1 FPGAFPGA 模块电路图模块电路图.14 2.4.22.4.2 单片机控制模块电路图单片机控制模块电路图.15 3 . .硬件电路组装调试硬件电路组装调试.17 3.13.1 各模块的硬件组装各模块的硬件组装.17 3.1.13.1.1 FPGAFPGA 模块模块.17 3.1.23.1.2 单片机模块单片机模块.18 3.23.2 组装和改进系统硬件电路组装和改进系统硬件电路.19 3.33.3 各硬件电路调试方法各硬件电路调试方法.20 3.3.13.3.1 FPGAFPGA 调试方法调试方法.20 3.3.23.3.2 继电器电路的调试方法继电器电路的调试方法.21 4 . .软件调试及仿真软件调试及仿真 .22 4.14.1 各模块的软件调试、仿真和实物测试各模块的软件调试、仿真和实物测试.22 4.1.14.1.1 FPGAFPGA 软件调试、仿真和实物测试软件调试、仿真和实物测试.22 4.1.24.1.2 DS1302DS1302 软件调试、仿真和实物测试软件调试、仿真和实物测试.23 4.1.34.1.3 DS18B20DS18B20 软件调试、仿真和实物测试软件调试、仿真和实物测试.23 4.2 整个系统软件调试、仿真和实物测试整个系统软件调试、仿真和实物测试.24 4.2.14.2.1 主程序的调试、仿真和实物测试主程序的调试、仿真和实物测试.24 4.2.24.2.2 水位调节子程序的调试、仿真和实物测试水位调节子程序的调试、仿真和实物测试.26 4.2.34.2.3 水温调节子程序的调试、仿真和实物测试水温调节子程序的调试、仿真和实物测试.26 4.2.44.2.4 定时开关子程序的调试、仿真和实物测试定时开关子程序的调试、仿真和实物测试.28 4.2.54.2.5 校时程序仿真校时程序仿真.29 4.2.64.2.6 按键功能提示界面的程序仿真按键功能提示界面的程序仿真.30 4.2.74.2.7 没有实现的第二定时功能提示界面的程序仿真没有实现的第二定时功能提示界面的程序仿真.30 5 . .总体设计电路的优缺点总结及改进意见和展望总体设计电路的优缺点总结及改进意见和展望.31 5.15.1 优点优点.31 5.25.2 缺点缺点.31 5.35.3 改进意见和展望改进意见和展望.31 结结 论论 .32 参考文献参考文献.33 附录附录 A A：VHDLVHDL 语言源程序语言源程序.34 附录附录 B B： C51C51 语言程序主程序名及头文件名语言程序主程序名及头文件名.35 致致 谢谢 .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.13 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.30 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. 关关键键词词： 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 Abstract Water 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 display 绪论 选题的背景及目的选题的背景及目的 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。 1 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 1.21.2 器件简介 1.2.11.2.1FPGA 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，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯 片。( 2)FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。 (3)FPGA 内部有丰富的触发器和 IO 引脚。 (4)FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件 之一。 (5)FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。 可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之 一。 目前 FPGA 的品种很多，有 XILINX 的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、 ALTERA 公司的 FLEX 系列等。 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时 需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编 程方式。 加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后， FPGA 进入工作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此， FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因 此，FPGA 的使用非常灵活。 FPGA 有多种配置模式：并行主模式为一片 FPGA 加一片 EPROM 的方式； 主从模式可以支持一片 PROM 编程多片 FPGA；串行模式可以采用串行 PROM 编程 FPGA；外设模式可以将 FPGA 作为微处理器的外设，由微处理器对其编 程。 1.2.21.2.2单片机简介单片机简介 单片机 STC89C52RC 和 89C51 单片机基本相同，具体资料参照参考教科书 单片微型计算机原理及应用 ，张毅坤、陈善久、裘学红编著。 1.2.31.2.3DS1302DS1302 简介简介 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实 时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补 偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可 采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 318 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品， 与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电 源进行涓细电流充电的能力。 引脚功能及结构 DS1302 的引脚排列,其中 Vcc1 为后备电源，VCC2 为主电源。在主电源 关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的 较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc10.2V 时，Vcc2 给 DS1302 供电。当 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。X1 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据 传送。RST 输入有两种功能：首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列 送入移位寄存器；其次，RST 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 RST 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。如果 在传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。 上电运行时，在 Vcc2.5V 之前，RST 必须保持低电平。只有在 SCLK 为低电 平时，才能将 RST 置为高电平。I/O 为串行数 据输入输出端(双向)，后 面有详细说明。SCLK 为时钟输入端。 DS1302 的引脚功能图如下图： 图 1 DS1302 封装图 DS1302 的控制字节 DS1302 的控制字如图 2 所示。控制字节的最高有效位(位 7)必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入 DS1302 中，位 6 如果为 0，则表示存取日 历时钟数据，为 1 表示存取 RAM 数据;位 5 至位 1 指示操作单元的地址;最低有 效位(位 0)如为 0 表示要进行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最 低位开始输出。 数据输入输出(I/O) 在控制指令字输入后的下一个 SCLK 时钟的上升沿时，数据被写入 DS1302，数据输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的 下一个 SCLK 脉冲的下降沿读出 DS1302 的数据，读出数据时从低位 0 位到高 位 7。 DS1302 的寄存器 DS1302 有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数 据位为 BCD 码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表 1。 此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄 存器及与 RAM 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄 存器外的所有寄存器内容。 DS1302 与 RAM 相关的寄存器分为两类：一类是 单个 RAM 单元，共 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的 RAM 寄存器，此方式下可一次性读写所有的 RAM 的 31 个字节，命令控制字为 FEH(写)、FFH(读)。 为了实现系统报警计时等功能，此设计采用了 DS302 实时时钟芯片。 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗、带 RAM 的实时时 钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功 能，工作电压为 2.5V5.5V。采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用 突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。DS1302 内部有一个 318 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器。DS1302 是 DS1202 的升级产品， 与 DS1202 兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电 源进行涓细电流充电的能力。 2.1 引脚功能及结构 DS1302 的引脚排列,其中 Vcc1 为后备电源，VCC2 为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的 连续运行。DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc10.2V 时，Vcc2 给 DS1302 供电。当 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。X1 和 X2 是振荡源，外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线， 通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST 输入有两种功能： 首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 RST 为高电平时，所有的数据传 送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。如果在传送过程中 RST 置为低电平， 则会终止此次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在 Vcc2.5V 之前， RST 必须保持低电平。只有在 SCLK 为低电平时，才能将 RST 置为高电平。 I/O 为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK 始终是输入端。 1.2.41.2.4DS18B20DS18B20 简介简介 DS18B20 的数字温度计提供 9 至 12 位（可编程设备温度读数。信息被发 送到/从 DS18B20 通过 1 线接口，所以中央微处理器与 DS18B20 只有一个一 条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电 源。 因为每一个 DS18B20 的包含一个独特的序号，多个 ds18b20s 可以同时 存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多， 包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。 存储器 DS18B20 的存储器包括高速暂存器 RAM 和可电擦除 RAM，可电擦除 RAM 又包括温度触发器 TH 和 TL，以及一个配置寄存器。存储器能完整的确 定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读 寄存器的命令来确认这些数字。当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这 些数字转移到可电擦除 RAM 中。当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保 数字的完整性。 高速暂存器 RAM 是由 8 个字节的存储器组成；第一和第二个字节是温度 的显示位。第三和第四个字节是复制 TH 和 TL，同时第三和第四个字节的数字 可以更新；第五个字节是复制配置寄存器，同时第五个字节的数字可以更新； 六、七、八三个字节是计算机自身使用。用读寄存器的命令能读出第九个字节， 这个字节是对前面的八个字节进行校验。 温度的读取 DS18B20 在出厂时以配置为 12 位，读取温度时共读取 16 位，所以把后 11 位的 2 进制转化为 10 进制后在乘以 0.0625 便为所测的温度，还需要判断正 负。前 5 个数字为符号位，当前 5 位为 1 时，读取的温度为负数；当前 5 位为 0 时，读取的温度为正数。 1.31.3编程语言简介编程语言简介 1.3.11.3.1VHDL 简介简介 VHDL 语言是一种用于电路设计的高级语言。VHDL 的英文全写是： VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）Hardware Description Language,即超 高速集成电路硬件描述语言。其主要用于描述数字系统的行为、结构、功能和 接口。目前，它在中国的应用多数是用在 FPGA/CPLD/EPLD 的设计中。在使 用 VHDL 等高级语言时，有专用的工具来实现将语言描述的电路功能转换为实 际的电路，所以使用者就用不着对底层的电路很熟悉，也用不着对 CPLD/FPGA 的结构很熟悉。 除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格与句 法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL 的程序结构特点是将一项工程 设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部 （或称可是部分,及端口)和内部（或称不可视部分），即涉及实体的内部功能和 算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后， 其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是 VHDL 系统设计的基本点。应用 VHDL 进行工程设计的优点是多方面的。 （1）与其他的硬件描述语言相比，VHDL 具有更强的行为描述能力，从而决定 了他成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体 的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。 （2）VHDL 丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验 设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。 （3）VHDL 语句的行为描述能力和程序结构决定了他具有支持大规模设计的分 解和已有设计的再利用功能。符合市场需求的大规模系统高效、高速的完成必 须有多人甚至多个代发组共同并行工作才能实现。 （4）对于用 VHDL 完成的一个确定的设计，可以利用 EDA 工具进行逻辑综合 和优化，并自动的把 VHDL 描述设计转变成门级网表。 （5）VHDL 对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不 必管理最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。 1.3.21.3.2C51 语言简介语言简介 语言数据结构 每写一个程序，总离不开数据的应用，在学习 C51 语言的过程中掌握理解 数据类型也是很关键的。先看表 21，表中列出了 KEIL uVision2 C51 编译 器所支持的数据类型。在标准 C 语言中基本的数据类型为 char, int, short, long, float 和 double，而在 C51 编译器中 int 和 short 相同，float 和 double 相同，这里就不列出说明了。下面来看看它们的具体定义： 数据类型长度值域 unsigned char 单字节0255 signed char单字节-128+127 unsigned int 双字节065535 signed int双字节-32768+32767 unsigned long 四字节04294967295 signed long四字节-2147483648+2147483647 float四字节1.175494E-383.402823E+38 *13 字节对象的地址 bit位0 或 1 sfr单字节0255 sfr16双字节065535 sbit位0 或 1 图 2 KEIL uVision2 C51 编译器所支持的数据类型 2 系统方案选择和论证系统方案选择和论证 2.12.1 设计要求设计要求 1、基本功能要求：实现温度自动调节控制，使得温度能维持在某个一定的 范围之内；液位自动调节控制，使得液位能维持某个范围之内；定时开启和关 断控制，根据不同日期和时间，开启和关断热水器电源；键盘设定温度及时间 校正功能，能设定维持温度的范围的最大值和最小值，同时可以用键盘校正时 间。 2、扩展功能