智能热水器设计毕业论文二稿

智能热水器设计毕业论文二稿Modified by JEEP on December 26th, 2020.目录插图索引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 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AbstractWater heaters are generally use MCU as the 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 and Keil uVision3, with Proteus 7 Professional painting system and the simulation circuit debug, FPGA chip use Altera'sEPF10K10TC144-4, 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 一片器件简介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，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I／O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。

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、裘学红编着。

DS1302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～。

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31×8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Vcc1＋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Vcc≥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。