EDA课程设计洗衣机控制器要点

东北石油大学课程设计
2014年 3 月7日
东北石油大学课程设计任务书
课程EDA技术课程设计
题目洗衣机控制器
专业电子信息工程姓名学号
主要内容、基本要求、主要参考资料等
主要内容：
设计一个洗衣机控制器，要求洗衣机有正转、反转、暂停三种状态。

设定洗衣机的工作时间，要洗衣机在工作时间内完成：定时启动→正转20秒→暂停10秒→反转20秒→暂停10秒→定时未到回到“正转20秒→暂停10秒→……”，定时到则停止，同时发出提示音。

基本要求：
1、设计一个电子定时器，控制洗衣机作如下运转：定时启动→正转20秒→暂停10秒→反转20秒→暂停10秒→定时未到回到“正转20秒→暂停10秒→……”，定时到则停止；
2、若定时到，则停机发出音响信号；
3、用两个数码管显示洗涤的预置时间（分钟数），按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，直到时间到停机；洗涤过程由“开始”信号开始；
4、三只LED灯表示“正转”、“反转”、“暂停”三个状态。

主要参考资料：
[1] 潘松著.EDA技术实用教程(第二版). 北京：科学出版社,2005.
[2] 康华光主编.电子技术基础模拟部分. 北京：高教出版社,2006.
[3] 阎石主编.数字电子技术基础. 北京：高教出版社,2003.
完成期限2014.3.7
指导教师
专业负责人
2014年3月3日
一、设计思想
1.基本原理
洗衣机控制器的设计主要是定时器的设计。

由一片FPGA和外围电路构成了电器控制部分。

FPGA接收键盘的控制命令，控制洗衣机的进水、排水、水位和洗衣机的工作状态、并控制显示工作状态以及设定直流电机速度、正反转控制、制动控制、起停控制和运动状态控制。

对芯片的编程采用模块化的VHDL (硬件描述语言)进行设计，设计分为三层实现，顶层实现整个芯片的功能。

顶层和中间层多数是由VHDL的元件例化语句实现。

中间层由无刷直流电机控制、运行模式选择、洗涤模式选择、定时器、显示控制、键盘扫描、水位控制以及对直流电机控制板进行速度设定、正反转控制、启停控制等模块组成，它们分别调用底层模块。

2.设计框图
图1 设计框图
用两位数码管预置洗涤时间(分钟数)，洗涤过程在送入预置时间后开始运转，洗涤中按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，用LED表示电动机的正、反转，如果定时时间到，则停机并发出音响信号。

二、设计步骤和调试过程
1、模块设计和相应模块代码
洗衣机控制器电路主要有五大部分组成，包括：减法计数器、时序控制电
路、预置时间和编码电路、数码管显示、译码器组成。

（1）预设时间和编码电路：本模块将输入的四位时间信号编码成八位二进制数输出到减法计数器电路。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity settime is port (
load:in std_logic;
time_input:in std_logic_vector(3 downto 0);
time_set:out std_logic_vector(7 downto 0)
);
end settime;
architecture settime of settime is
signal p1:std_logic_vector(7 downto 0);
begin
process(load)
begin
if(load'event and load='1')
then
case time_input is
when "0000"=>p1<="00000000";
when "0001"=>p1<="00000001";
when "0010"=>p1<="00000010";
when "0011"=>p1<="00000011";
when "0100"=>p1<="00000100";
when "0101"=>p1<="00000101";
when "0110"=>p1<="00000110";
when "0111"=>p1<="00000111";
when "1000"=>p1<="00001000";
when "1001"=>p1<="00001001";
when others=>p1<="00000000";
end case;
end if;
end process
time_set<=p1;
end settime;
图2预设时间和编码仿真
用K1、K2、K3、K4给time_input输入一个二进制数0111，让load有效，输出time_set为00000111。

（2）减法计数器模块：由于洗衣机有工作时间，必须要一模块来控制它的工作时间范围，当洗衣机开始工作后，减法计数器即会实现减数功能，直到时间减到零，洗衣机便停止工作。

当出现系统运行结束信号time_over时,蜂鸣器报警洗衣机工作结束。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity counter is
port
(
clk,start:in std_logic;
time_set:in std_logic_vector(7 downto 0);
time_remain:buffer std_logic_vector(7 downto 0);
time_over:buffer std_logic
);
end counter;
architecture counter of counter is
begin
process(clk)
variable time_second:integer range 0 to 59 :=59;
begin
if(clk'event and clk='1')
then
if(start='0')
then
if(time_remain(7 downto 0)=0)
then
time_remain<=time_set;
else
time_remain(7 downto 4)<=time_remain(3 downto 0);
time_remain(3 downto 0)<=time_set(3 downto 0);
end if;
time_second:=59;
time_over<='1';
else
if(time_over='1')
then
if(time_second=0 and time_remain(7 downto 0)=0) then
time_over<='0';
else
if(time_second=0)
then
if(time_remain(3 downto 0)=0)
then
time_remain(7 downto 4)<=time_remain(7 downto 4)-1;
time_remain(3 downto 0)<="1001";
time_second:=59;
else
time_remain(7 downto 4)<=time_remain(7 downto 4);
time_remain(3 downto 0)<=time_remain(3 downto 0)-1;
time_second:=59;
end if;
else
time_second:=time_second-1;
end if;
end if;
end if;
end if;
end if;
end process;
end counter;
图3减法计数器模块源仿真
（3）数码管显示模块：根据课程设计要求，必须将洗衣机的工作状态及工作时间在数码管和指示灯上显示出来，此模块是用来控制洗衣机的工作状态及工作的频率，并把工作状态及工作时间显示出来。

a,b,c,d,e,f,g分别对应数码管的七段，minute和second分别位选两个数码管，显示十位和个位。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all; entity showtime is
port (
time_remain:in std_logic_vector(7 downto 0);
clk:in std_logic;
minute,second:out std_logic;
a,b,c,d,e,f,g:out std_logic
);
end showtime;
architecture showtime of showtime is
signal temp:std_logic_vector(6 downto 0);
signal bcd:std_logic_vector(3 downto 0);
signal choose:std_logic;
begin
process(clk)
begin
if(clk'event and clk='1')
then
choose<=not choose;
if(choose='1')
then
minute<='0';second<='1';
bcd<= time_remain(7 downto 4);
else
minute<='1';second<='0';
bcd<= time_remain(3 downto 0);
end if;
end if;
end process;
process(bcd)
begin
case bcd is
when "0000"=>temp<="1111110";
when "0001"=>temp<="0110000";
when "0010"=>temp<="1101101";
when "0011"=>temp<="1111001";
when "0100"=>temp<="0110011";
when "0101"=>temp<="1011011";
when "0110"=>temp<="1011111";
when "0111"=>temp<="1110000";
when "1000"=>temp<="1111111";
when "1001"=>temp<="1111011";
when others=>temp<="1111011";
end case;
a<=temp(6)；b<=temp(5)；c<=temp(4)；d<=temp(3)；e<=temp(2)；f<=temp(1)；g<=temp(0)
end process
end showtime
图4数码管模块仿真
（4）时序电路模块：接收运行起止信号，安排电机运行状态并编码输出library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all; entity analyse is
port (
clk,start,time_over:in std_logic;
out_1,out_2:out std_logic );
end analyse;
architecture analyse of analyse is
begin
process(clk)
variable state:std_logic;
variable wash_time:integer:=0;
variable wait_time:integer:=0;
begin
if(clk'event and clk='1')
then
if(start='0')
then
wash_time:=0;
wait_time:=0;
state:='0';
out_1<='0';out_2<='0';
else
if(time_over='1')
then
if(wash_time=20)
then
if(wait_time=10)
then
wash_time:=0;
state:=not state;
else
wait_time:=wait_time+1;
end if;
else
wash_time:=wash_time+1;
wait_time:=0;
end if;
end if;
if (wash_time=20)
then
out_1<='0';out_2<='0';
else
if(state='0')
then
out_1<='1';out_2<='0';
else
out_1<='0';out_2<='1';
end if;
end if;
end if;
end if;
end process; end analyse;
图5时序电路模块仿真：
（5）译码器模块：接收电机运行状态信号，译码后实时控制电机的正传、反转和暂停。

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity move is port (
out_1,out_2:in std_logic;
REV,RUN,PAUSE:buffer std_logic );
end move;
architecture move of move is
signal choose:std_logic_vector(1 downto 0);
begin
choose(1)<=out_1;choose(0)<=out_2;
process(choose)
begin
case choose is
when "00"=>REV<='0';RUN<='0';PAUSE<='1';
when "10"=>REV<='0';RUN<='1';PAUSE<='0';
when "01"=>REV<='1';RUN<='0';PAUSE<='0';
when others=>REV<='0';RUN<='0';PAUSE<='0';
end case;
REV<=out_2;RUN<=out_1;PAUSE<=not(out_1 or out_2);
end process;
end move;
图6译码器模块仿真：
2、仿真及仿真结果分析
当预置号时间，启动start，数码管显示预置时间，电机开始以正转=>暂停=>反转=>暂停为周期进行循环，一个周期正好费时一分钟，一个周期结束，数码管显示减一，依次循环，直至数码管显示时间为零，洗衣结束。

图7总体仿真
3、实验调试结果
电路设计完成以后，按照预定设计，输入相应数据，三只LED灯按照设定时间规律间断性亮起，数码管也显示输入时间并按减数计时产生相应的数字显示，直到到达预定时间停止工作显示零，实验设计达到预期效果。

三、结论及心得体会
通过这次课程设计我对FPGA的编程更加熟悉，对定时器和计数器的设计，让我更加明白时序组合门电路设计思路和方法。

而且自已独立思考与设计，使我初步掌握了VHDL的设计方法与一些技巧。

通过这个实验设计，我更加熟练地掌握了一些常见的数字芯片的设计方法，在设计中也参考和查阅了很多资料，从中学到不少课本上没有的东西。

只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正地更好去理解知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

参考资料
[1] 潘松著.EDA技术实用教程(第二版). 北京：科学出版社,2005.
[2] 康华光主编.电子技术基础模拟部分. 北京：高教出版社,2006.
[3] 阎石主编.数字电子技术基础. 北京：高教出版社,2003.
[4] 谭会生，张昌凡.EDA技术及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2001.
[5] 潘松，黄继业.EDA技术实用教程.北京：科学出版社，2002.
[6]宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用.西安：西安电子科技大学出版社，1999
[7]张昌凡，龙永红，彭涛.可编程逻辑器件及VHDL设计技术.广州：华南工学院出版社，2001
东北石油大学课程设计成绩评价表
指导教师：2014年 3 月10 日。