基于CPLD設(shè)計的電器定時開關(guān)控制系統(tǒng)

1前言
隨著當今社會工作和生活節(jié)奏的加快，人們對許多電器、儀器、設(shè)備的自動化要求也越來越高，但現(xiàn)有的許多電器還不具備定時開啟和關(guān)閉功能，許多需要在固定時間開關(guān)的裝置，還需人工值守和操作，因此設(shè)計帶有時鐘顯示功能的多個電器定時開關(guān)控制系統(tǒng)，具有實際意義。
2系統(tǒng)功能及操作
系統(tǒng)上電時復位，時鐘顯示為0時0分0秒，按下'時間'設(shè)置鍵設(shè)定時間，數(shù)字鐘開始工作，數(shù)碼管顯示當前時間；按下'開啟電器編號'設(shè)置鍵，再按下要定時開啟的電器編號，對應(yīng)發(fā)光二極管亮，表示設(shè)置有效；按下'電器開啟時間'設(shè)置按鍵；再依次輸入4位十進制的小時和分鐘，作為開啟時間；按下'電器關(guān)閉時間'設(shè)置按鍵，再依次輸入4位十進制的小時和分鐘，作為關(guān)閉時間。至此定時開關(guān)設(shè)置完成，對于電飯鍋等具有保持功能的電器，則不用設(shè)置定時關(guān)閉。使用Verilog HDL編寫CPLD程序，理論上可同時設(shè)置多個電器的定時自動開啟，本設(shè)計可同時設(shè)置3個電器。
3硬件設(shè)計
硬件設(shè)計采用Altera公司的CPLD EPM7128SLC84-6，簡化了外圍電路，穩(wěn)定性和可靠性高，成本低。220 V、50 Hz工頻電源經(jīng)變壓器、電橋整流后通過三端穩(wěn)壓器，提供工作電壓，其電源電路如圖1所示。

外接4×4鍵盤，使用較少的I／O端口線就可實現(xiàn)對較多按鍵的控制。當有鍵按下時，kb為低電平，CPLD的按鍵掃描部分采用動態(tài)掃描方式進行識別。設(shè)置14個按鍵，分別為0～9十個數(shù)字鍵和設(shè)定時間、開啟電器編號、電器開啟時間、電器關(guān)閉時間4個功能鍵，其余兩個留作功能擴展。4×4鍵盤電路如圖2所示。


本系統(tǒng)設(shè)計使用6個數(shù)碼管顯示時間，3個發(fā)光二極管標志是否定時。電器開啟信號經(jīng)三極管放大后接繼電器，通過繼電器吸合導通電源線，開啟電器。
4軟件設(shè)計
Verilog HDL是硬件設(shè)計人員和QuartusⅡ界面之間的交互手段，其具體物理建模能力強，設(shè)計方便，可讀性好，語法類似C語言，與VHDL相比，更容易學習和掌握，與原理圖設(shè)計法相比，設(shè)計和分析更容易，可避免考慮畫面的布局及美觀，修改也方便。本設(shè)計CPLD部分完全使用Verilog HDL編寫。
4.1按鍵掃描及鍵值讀取
CPLD檢測到kb下降沿時，表示有鍵按下時，為防止按鍵抖動，延時一段時間再檢測，若確有鍵按下，CPLD采用低電平逐行掃描，待找到按鍵時，根據(jù)掃捕得到的數(shù)值，確定按鍵值。對于無效按鍵，設(shè)按鍵值為'15'。輸入信號kb的下降沿觸發(fā)對鍵值的讀取，可保證對于每一次按鍵，僅作一次處理。主要程序如下：



4.2功能鍵的判斷
程序初始化時為設(shè)定時間、開啟電器編號、電器開啟時間、電器關(guān)閉時間4個功能鍵設(shè)置對應(yīng)按鍵值。定義功能標志寄存器fun，并使用格雷碼標志各個功能，相鄰兩個功能的編碼僅有一位不同，可避免狀態(tài)跳變，比目前常用的獨熱碼節(jié)省CPLD邏輯單元。由于本設(shè)計中寄存器fun只有5個狀態(tài)，選用3位格雷碼，并對編碼方式進行改進。根據(jù)上一步得到的按鍵值判斷具體要實現(xiàn)哪個功能，并依此設(shè)置fun的值，如下所示：

4.3數(shù)字鍵的判斷和處理
先根據(jù)鍵值判斷是哪一個數(shù)字鍵，再根據(jù)功能標志寄存器fun判斷進行哪項設(shè)置。若正在進行的是時間設(shè)置，則將時間寄存器左移4位，將數(shù)字值存入低位；若為設(shè)定需要開啟電器的編號狀態(tài)，則電器編號數(shù)組num對應(yīng)位置'1'，并通過電阻使相應(yīng)發(fā)光二極管點亮，否則為'0'；若為設(shè)定電器開啟時間狀態(tài)，相應(yīng)電器的開啟時間寄存器timeon左移4位，將數(shù)字值存入低位；若為設(shè)定電器關(guān)閉時間狀態(tài)，相應(yīng)電器的關(guān)閉時間寄存器timeoff左移4位，將數(shù)字值存人低位。若為無效按鍵，則不進行任何操作。
4.4數(shù)字鐘的工作
本系統(tǒng)設(shè)計作為數(shù)字鐘和定時器，對計時準確性要求較高．由有源晶體振蕩器提供系統(tǒng)時鐘，可保證其穩(wěn)定度。在頂層模塊中對系統(tǒng)時鐘分頻，得到1 Hz時鐘，作為數(shù)字鐘部分行波時鐘。這樣減少了片內(nèi)各觸發(fā)器之間的時鐘偏移，事實證明，對設(shè)計時序無不良影響。 先將沒定的時間送人小時、分鐘對應(yīng)的寄存器hour和min，為了顯示和用戶操作方便，用6位二進制寄存器，以8421BCD碼表示時間。如果秒為8'h59則秒寄存器sec清零，分鐘值加1，若秒值末位為'9'，則秒值末位清零，秒值十位加1。
4.5判斷電器的開啟和關(guān)閉
若當前時間與某個已定時的電器的開啟時間相同，則開啟寄存器數(shù)組on對應(yīng)位輸出高電平，開啟對應(yīng)電器；若與某個已定時的電器的關(guān)閉時間相同，則開啟寄存器數(shù)組on對應(yīng)位輸出低電平，關(guān)閉對應(yīng)電器。
4.6顯示
對應(yīng)不同的狀態(tài)，數(shù)碼管顯示不同值。時鐘設(shè)置狀態(tài)，顯示當前時間；開啟電器編號設(shè)置狀態(tài)，顯示欲開啟的電器編號；電器開啟時間設(shè)置狀態(tài)，屁示電器應(yīng)開啟的時間；電器關(guān)閉時間設(shè)置狀態(tài)，顯示電器應(yīng)關(guān)閉的時間。
具體實現(xiàn)時，由系統(tǒng)時鐘控制，分時點亮各個數(shù)碼管，可節(jié)約能源。由于時間很快，而人眼存在視覺暫留，看上去6個數(shù)碼管均同時顯示。在CPLD中編程實現(xiàn)數(shù)碼管的七段譯碼，可節(jié)省外同電路。
5 結(jié)語
本設(shè)備設(shè)定開啟、關(guān)閉時間為一天之內(nèi)的任意時間，滿足一般使用要求，亦可作為數(shù)字時鐘使用。由晶體振蕩器提供時鐘，計時精準，使用常見器件設(shè)計，實現(xiàn)方便，成本低，耗電少，體積小，重量輕，工作可靠?？捎糜诙〞r開啟家用電器，如通過提前設(shè)置，下班回家時電飯鍋已經(jīng)把飯做熟?？照{(diào)已經(jīng)開啟，飲水機已經(jīng)燒好開水，熱水器已經(jīng)燒好洗澡水等。也可用于辦公樓里上下班自動響鈴裝置，工廠里需要定時開關(guān)的設(shè)備，以及一些手動操作開關(guān)不安全的地方，具有實用價值。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）