基于CPLD的电器定时开关控制系统设计

随着当今社会工作和生活节奏的加快，人们对许多电器、仪器、设备的自动化要求也越来越高，但现有的许多电器还不具备定时开启和关闭功能，许多需要在固定时间开关的装置，还需人工值守和操作，因此设计带有时钟显示功能的多个电器定时开关控制系统，具有实际意义。

　　2系统功能及操作

　　系统上电时复位，时钟显示为0时0分0秒，按下"时间"设置键设定时间，数字钟开始工作，数码管显示当前时间；按下"开启电器编号"设置键，再按下要定时开启的电器编号，对应发光二极管亮，表示设置有效；按下"电器开启时间"设置按键；再依次输入4位十进制的小时和分钟，作为开启时间；按下"电器关闭时间"设置按键，再依次输入4位十进制的小时和分钟，作为关闭时间。至此定时开关设置完成，对于电饭锅等具有保持功能的电器，则不用设置定时关闭。使用Verilog HDL编写CPLD程序，理论上可同时设置多个电器的定时自动开启，本设计可同时设置3个电器。

　　3硬件设计

　　硬件设计采用Altera公司的CPLD EPM7128SLC84-6，简化了外围电路，稳定性和可靠性高，成本低。220 V、50 Hz工频电源经变压器、电桥整流后通过三端稳压器，提供工作电压，其电源电路如图1所示。

　　外接4×4键盘，使用较少的I／O端口线就可实现对较多按键的控制。当有键按下时，kb为低电平，CPLD的按键扫描部分采用动态扫描方式进行识别。设置14个按键，分别为0～9十个数字键和设定时间、开启电器编号、电器开启时间、电器关闭时间4个功能键，其余两个留作功能扩展。4×4键盘电路如图2所示。

　　本系统设计使用6个数码管显示时间，3个发光二极管标志是否定时。电器开启信号经三极管放大后接继电器，通过继电器吸合导通电源线，开启电器。

　　4软件设计

　　Verilog HDL是硬件设计人员和QuartusⅡ界面之间的交互手段，其具体物理建模能力强，设计方便，可读性好，语法类似C语言，与VHDL相比，更容易学习和掌握，与原理图设计法相比，设计和分析更容易，可避免考虑画面的布局及美观，修改也方便。本设计CPLD部分完全使用Verilog HDL编写。

　　4.1按键扫描及键值读取

　　CPLD检测到kb下降沿时，表示有键按下时，为防止按键抖动，延时一段时间再检测，若确有键按下，CPLD采用低电平逐行扫描，待找到按键时，根据扫捕得到的数值，确定按键值。对于无效按键，设按键值为"15"。输入信号kb的下降沿触发对键值的读取，可保证对于每一次按键，仅作一次处理。主要程序如下：

　　

　　4.2功能键的判断

　　程序初始化时为设定时间、开启电器编号、电器开启时间、电器关闭时间4个功能键设置对应按键值。定义功能标志寄存器fun，并使用格雷码标志各个功能，相邻两个功能的编码仅有一位不同，可避免状态跳变，比目前常用的独热码节省CPLD逻辑单元。由于本设计中寄存器fun只有5个状态，选用3位格雷码，并对编码方式进行改进。根据上一步得到的按键值判断具体要实现哪个功能，并依此设置fun的值，如下所示：

　　

　　4.3数字键的判断和处理

　　先根据键值判断是哪一个数字键，再根据功能标志寄存器fun判断进行哪项设置。若正在进行的是时间设置，则将时间寄存器左移4位，将数字值存入低位；若为设定需要开启电器的编号状态，则电器编号数组num对应位置"1"，并通过电阻使相应发光二极管点亮，否则为"0"；若为设定电器开启时间状态，相应电器的开启时间寄存器timeon左移4位，将数字值存入低位；若为设定电器关闭时间状态，相应电器的关闭时间寄存器timeoff左移4位，将数字值存人低位。若为无效按键，则不进行任何操作。

　　4.4数字钟的工作

　　本系统设计作为数字钟和定时器，对计时准确性要求较高．由有源晶体振荡器提供系统时钟，可保证其稳定度。在顶层模块中对系统时钟分频，得到1 Hz时钟，作为数字钟部分行波时钟。这样减少了片内各触发器之间的时钟偏移，事实证明，对设计时序无不良影响。 先将没定的时间送人小时、分钟对应的寄存器hour和min，为了显示和用户操作方便，用6位二进制寄存器，以8421BCD码表示时间。如果秒为8'h59则秒寄存器sec清零，分钟值加1，若秒值末位为"9"，则秒值末位清零，秒值十位加1。

　　4.5判断电器的开启和关闭

　　若当前时间与某个已定时的电器的开启时间相同，则开启寄存器数组on对应位输出高电平，开启对应电器；若与某个已定时的电器的关闭时间相同，则开启寄存器数组on对应位输出低电平，关闭对应电器。

　　4.6显示

　　对应不同的状态，数码管显示不同值。时钟设置状态，显示当前时间；开启电器编号设置状态，显示欲开启的电器编号；电器开启时间设置状态，屁示电器应开启的时间；电器关闭时间设置状态，显示电器应关闭的时间。

　　具体实现时，由系统时钟控制，分时点亮各个数码管，可节约能源。由于时间很快，而人眼存在视觉暂留，看上去6个数码管均同时显示。在CPLD中编程实现数码管的七段译码，可节省外同电路。

　　5 结语

　　本设备设定开启、关闭时间为一天之内的任意时间，满足一般使用要求，亦可作为数字时钟使用。由晶体振荡器提供时钟，计时精准，使用常见器件设计，实现方便，成本低，耗电少，体积小，重量轻，工作可靠。可用于定时开启家用电器，如通过提前设置，下班回家时电饭锅已经把饭做熟。空调已经开启，饮水机已经烧好开水，热水器已经烧好洗澡水等。也可用于办公楼里上下班自动响铃装置，工厂里需要定时开关的设备，以及一些手动操作开关不安全的地方，具有实用价值。