隨著當(dāng)今社會(huì)工作和生活節(jié)奏的加快，人們對(duì)許多電器" title="電器">電器、儀器、設(shè)備的自動(dòng)化要求也越來(lái)越高，但現(xiàn)有的許多電器還不具備定時(shí)開啟和關(guān)閉功能，許多需要在固定時(shí)間開關(guān)" title="開關(guān)">開關(guān)的裝置，還需人工值守和操作，因此設(shè)計(jì)帶有時(shí)鐘顯示功能的多個(gè)電器定時(shí)開關(guān)控制" title="控制">控制系統(tǒng)，具有實(shí)際意義。
2系統(tǒng)功能及操作
系統(tǒng)上電時(shí)復(fù)位，時(shí)鐘顯示為0時(shí)0分0秒，按下"時(shí)間"設(shè)置鍵設(shè)定時(shí)間，數(shù)字鐘開始工作，數(shù)碼管顯示當(dāng)前時(shí)間；按下"開啟電器編號(hào)"設(shè)置鍵，再按下要定時(shí)開啟的電器編號(hào)，對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管亮，表示設(shè)置有效；按下"電器開啟時(shí)間"設(shè)置按鍵；再依次輸入4位十進(jìn)制的小時(shí)和分鐘，作為開啟時(shí)間；按下"電器關(guān)閉時(shí)間"設(shè)置按鍵，再依次輸入4位十進(jìn)制的小時(shí)和分鐘，作為關(guān)閉時(shí)間。至此定時(shí)開關(guān)設(shè)置完成，對(duì)于電飯鍋等具有保持功能的電器，則不用設(shè)置定時(shí)關(guān)閉。使用Verilog HDL編寫CPLD" title="CPLD">CPLD程序，理論上可同時(shí)設(shè)置多個(gè)電器的定時(shí)自動(dòng)開啟，本設(shè)計(jì)可同時(shí)設(shè)置3個(gè)電器。
3硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)采用Altera公司的CPLD EPM7128SLC84-6，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)較多按鍵的控制。當(dāng)有鍵按下時(shí)，kb為低電平，CPLD的按鍵掃描部分采用動(dòng)態(tài)掃描方式進(jìn)行識(shí)別。設(shè)置14個(gè)按鍵，分別為0～9十個(gè)數(shù)字鍵和設(shè)定時(shí)間、開啟電器編號(hào)、電器開啟時(shí)間、電器關(guān)閉時(shí)間4個(gè)功能鍵，其余兩個(gè)留作功能擴(kuò)展。4×4鍵盤電路如圖2所示。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用6個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)間，3個(gè)發(fā)光二極管標(biāo)志是否定時(shí)。電器開啟信號(hào)經(jīng)三極管放大后接繼電器，通過繼電器吸合導(dǎo)通電源線，開啟電器。
4軟件設(shè)計(jì)
Verilog HDL是硬件設(shè)計(jì)人員和QuartusⅡ界面之間的交互手段，其具體物理建模能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)方便，可讀性好，語(yǔ)法類似C語(yǔ)言，與VHDL相比，更容易學(xué)習(xí)和掌握，與原理圖設(shè)計(jì)法相比，設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)到kb下降沿時(shí)，表示有鍵按下時(shí)，為防止按鍵抖動(dòng)，延時(shí)一段時(shí)間再檢測(cè)，若確有鍵按下，CPLD采用低電平逐行掃描，待找到按鍵時(shí)，根據(jù)掃捕得到的數(shù)值，確定按鍵值。對(duì)于無(wú)效按鍵，設(shè)按鍵值為"15"。輸入信號(hào)kb的下降沿觸發(fā)對(duì)鍵值的讀取，可保證對(duì)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(shí)為設(shè)定時(shí)間、開啟電器編號(hào)、電器開啟時(shí)間、電器關(guān)閉時(shí)間4個(gè)功能鍵設(shè)置對(duì)應(yīng)按鍵值。定義功能標(biāo)志寄存器fun，并使用格雷碼標(biāo)志各個(gè)功能，相鄰兩個(gè)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(dú)熱碼節(jié)省CPLD邏輯單元。由于本設(shè)計(jì)中寄存器fun只有5個(gè)狀態(tài)，選用3位格雷碼，并對(duì)編碼方式進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)上一步得到的按鍵值判斷具體要實(shí)現(xiàn)哪個(gè)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(gè)數(shù)字鍵，再根據(jù)功能標(biāo)志寄存器fun判斷進(jìn)行哪項(xiàng)設(shè)置。若正在進(jìn)行的是時(shí)間設(shè)置，則將時(shí)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(hào)狀態(tài)，則電器編號(hào)數(shù)組num對(duì)應(yīng)位置"1"，并通過電阻使相應(yīng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，否則為"0"；若為設(shè)定電器開啟時(shí)間狀態(tài)，相應(yīng)電器的開啟時(shí)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(shí)間狀態(tài)，相應(yīng)電器的關(guān)閉時(shí)間寄存器timeoff左移4位，將數(shù)字值存人低位。若為無(wú)效按鍵，則不進(jìn)行任何操作。
4.4數(shù)字鐘的工作
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為數(shù)字鐘和定時(shí)器，對(duì)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性要求較高．由有源晶體振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘，可保證其穩(wěn)定度。在頂層模塊中對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻，得到1 Hz時(shí)鐘，作為數(shù)字鐘部分行波時(shí)鐘。這樣減少了片內(nèi)各觸發(fā)器之間的時(shí)鐘偏移，事實(shí)證明，對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)序無(wú)不良影響。先將沒定的時(shí)間送人小時(shí)、分鐘對(duì)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(jìn)制寄存器，以8421BCD碼表示時(shí)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(dāng)前時(shí)間與某個(gè)已定時(shí)的電器的開啟時(shí)間相同，則開啟寄存器數(shù)組on對(duì)應(yīng)位輸出高電平，開啟對(duì)應(yīng)電器；若與某個(gè)已定時(shí)的電器的關(guān)閉時(shí)間相同，則開啟寄存器數(shù)組on對(duì)應(yīng)位輸出低電平，關(guān)閉對(duì)應(yīng)電器。
4.6顯示
對(duì)應(yīng)不同的狀態(tài)，數(shù)碼管顯示不同值。時(shí)鐘設(shè)置狀態(tài)，顯示當(dāng)前時(shí)間；開啟電器編號(hào)設(shè)置狀態(tài)，顯示欲開啟的電器編號(hào)；電器開啟時(shí)間設(shè)置狀態(tài)，屁示電器應(yīng)開啟的時(shí)間；電器關(guān)閉時(shí)間設(shè)置狀態(tài)，顯示電器應(yīng)關(guān)閉的時(shí)間。
具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，由系統(tǒng)時(shí)鐘控制，分時(shí)點(diǎn)亮各個(gè)數(shù)碼管，可節(jié)約能源。由于時(shí)間很快，而人眼存在視覺暫留，看上去6個(gè)數(shù)碼管均同時(shí)顯示。在CPLD中編程實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的七段譯碼，可節(jié)省外同電路。
5 結(jié)語(yǔ)
本設(shè)備設(shè)定開啟、關(guān)閉時(shí)間為一天之內(nèi)的任意時(shí)間，滿足一般使用要求，亦可作為數(shù)字時(shí)鐘使用。由晶體振蕩器提供時(shí)鐘，計(jì)時(shí)精準(zhǔn)，使用常見器件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方便，成本低，耗電少，體積小，重量輕，工作可靠?？捎糜诙〞r(shí)開啟家用電器，如通過提前設(shè)置，下班回家時(shí)電飯鍋已經(jīng)把飯做熟。空調(diào)已經(jīng)開啟，飲水機(jī)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(dòng)響鈴裝置，工廠里需要定時(shí)開關(guān)的設(shè)備，以及一些手動(dòng)操作開關(guān)不安全的地方，具有實(shí)用價(jià)值。