智能热水器设计毕业论文.doc
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武汉理工大学
毕业设计(论文)
智能热水器设计
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学生姓名:
指导教师:
目录
摘要 V
ABSTRACT VI
绪论 1
1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 2
1.2器件简介 2
1.2.1 FPGA简介 2
1.2.2 单片机简介 3
1.2.3 DS1302简介 3
1.2.4 DS18B20简介 5
1.3 编程语言简介 6
1.3.1 VHDL简介 6
1.3.2 C51语言简介 6
2系统方案选择和论证 8
2.1设计要求 8
2.2各模块方案论证和选择 8
2.2.1控制器模块方案的论证和选择 8
2.2.2 水位控制模块方案的论证和选 9
2.2.3 水温控制模块方案的论证和选择 9
2.2.4 定时开关控制模块方案的论证和选择 10
2.2.5 时钟模块方案的论证和选择 10
2.2.6 键盘模块方案的论证和选择 11
2.2.7 显示模块方案的论证和选择 11
2.3硬件系统框图和总体软件系统流程图 11
2.4硬系统总体电路图 14
2.4.1 FPGA模块电路图 14
2.4.2单片机控制模块电路图 15
3.硬件电路组装调试 17
3.1各模块的硬件组装 17
3.1.1 FPGA模块 17
3.1.2 单片机模块 18
3.2组装和改进系统硬件电路 19
3.3各硬件电路调试方法 20
3.3.1 FPGA调试方法 20
3.3.2 继电器电路的调试方法 21
4.软件调试及仿真 22
4.1各模块的软件调试、仿真和实物测试 22
4.1.1FPGA软件调试、仿真和实物测试 22
4.1.2 DS1302软件调试、仿真和实物测试 23
4.1.3 DS18B20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 24
4.2.1主程序的调试、仿真和实物测试 24
4.2.2水位调节子程序的调试、仿真和实物测试 26
4.2.3水温调节子程序的调试、仿真和实物测试 26
4.2.4定时开关子程序的调试、仿真和实物测试 28
4.2.5校时程序仿真 29
4.2.6按键功能提示界面的程序仿真 30
4.2.7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 31
5.1优点 31
5.2缺点 31
5.3改进意见和展望 31
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1DS1302封装图 4
图2KEILuVision2C51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4FPGA控制器设计总体框图 12
图5MCU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9FPGA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14LCD12864的显示电路 18
图15DS1302电路 19
图16DS18B20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20FPGA控制器的时序仿真图 22
图21FPGA控制器结构图 22
图22DS1302仿真图 23
图23DS18B20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+plusII10.0和KeiluVision3,用Proteus7Professional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
Abstract
WaterheatersaregenerallyuseMCUasthecontroller.Thiskindofwaterheaterscouldachievetoconstanttemperatureandwaterlevelautomaticlly,ThedesignofintelligentwaterheaterisbasedonFPGAandMCUcontrol,reducingthenumberofperipheraldeviceswhileachievingtheautomaticadjustmentoftemperatureandwaterlevelcontrol,andalsomonitortheimplementationofthetime,accordingtoadifferentmonth,differentdays,differenttimesandautomaticturnedonandoffthepoweroftheintelligentwaterheater,makingtheuseofwaterheartermoreconvenient,Settingswithouthumanintervention,savingenergyatthesametime.
ThedesignofprogramminglanguageusesVHDLlanguageandC51,operatingenvironmentareMAX+plusII10.0andKeiluVision3,withProteus7Professionalpaintingsystemandthesimulationcircuitdebug,FPGAchipuseAltera'sEPF10K10TC144-4,microcontrolleruseSTC89C52RC.
Keywords:
Smart,waterheaters,FPGA,EDA,VHDL,MCU89C51,C51,temperaturecontrol,waterlevelcontrol,clockcontrol,keyboardcontrol,liquidcrystaldisplay
34
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。
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
1.2器件简介
1.2.1 FPGA简介
FPGA是英文FieldProgrammableGateArray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。
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