北京邮电大学数字电路与逻辑设计洗衣机控制器实验报告DOC.docx
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北京邮电大学数字电路与逻辑设计洗衣机控制器实验报告DOC
北京邮电大学
数字电路与逻辑设计实验
题目：
洗衣机控制器
学院：
信息与通信工程学院
班级：
学号：
姓名：
班内序号日期：
2015年11月5日
一、设计课题的任务要求：
（1）实验目的：
1、熟练掌握VHDL语言和QuartusII软件的使用；
2、理解状态机的工作原理和设计方法；
3、掌握利用EDA工具进行自顶向下的电子系统设计方法；
（2）实验内容：
基本要求：
1、洗衣机的工作步骤为洗衣、漂洗和脱水三个过程，工作时间分别为：
洗衣30秒（进水5秒，洗衣15秒，排水5秒，甩干5秒），漂洗25秒（进水5秒，漂洗10秒，排水5秒，甩干5秒），脱水15秒（排水5秒，甩干10秒）；
2、用一个按键实现洗衣程序的手动选择：
A、单洗涤；B、单漂洗；C、单脱水；D、漂洗和脱水；E、洗涤、漂洗和脱水全过程；
3、用发光二极管显示洗衣机的工作状态（洗衣、漂洗和脱水），并倒计时显示每个状态的工作时间，全部过程结束后，应有声音提示使用者；
4、用点阵动画显示洗衣机工作过程中进水、波轮或滚筒转动、排水和甩干等的工作情况，四种工作情况的动画显示要有区别且尽可能的形象；
5、用一个按键实现暂停洗衣和继续洗衣的控制，暂停后继续洗衣应回到暂停之前保留的状态。
提高要求：
1、三个过程的时间有多个选项供使用者选择。
2、可以预约洗衣时间。
3、自拟其它功能。
二、系统设计：
（1）设计思路和分块设计：
实验的目的是模仿洗衣机的功能，设计出洗衣机控制器。
包括开关控制，工作暂停，工作模式的选择，工作状态的显示，倒计时工作时间并显示和工作结束报警等功能。
将整个控制器分为7个小模块，分别是分频模块、按键模块、控制器、防抖模块、报警模块、点阵显示和数码管译码输出显示，再将各个模块连接起来，实现洗衣机控制器功能。
分频模块：
选取主时钟频率为1kHz，为了使倒计时输出为1s的时间周期，需要将主频率进行1kHz分频，使得到的频率为1Hz，输入给控制器的时钟。
按键模块：
有模式选择、暂停和开始3个按键，模式选择可以选择5种洗衣模式，当开始按键按下并且有模式输入时，洗衣机开始工作。
当暂停按键按下时，洗衣机暂停工作并保持当前工作状态。
防抖模块：
按键经过防抖后，可以输出时钟，去除了毛刺即抖动时钟。
报警模块：
时钟输入为1kHz，当洗衣结束后，报警模块接收到控制器给它的输入信号，会以1000Hz的频率报警，（由于人耳能听到的频率为20-20000Hz）持续5秒后停止。
点阵显示：
以1kHz的频率进行扫描，点阵上可以显示稳定的图案，在洗衣过程中分别显示进水、洗衣、漂洗、脱水和甩干5个小状态。
数码管译码输出显示：
控制器将倒计时十位和个位输出到译码器，译码电路分别显示十位和个位，扫描频率为1kHz，数码管可以稳定显示。
控制器：
控制器是整个电路的核心模块，控制各个模块的连接。
时钟频率为1Hz，输出为3个大状态（洗衣、漂洗、脱水），用发光二极管显示，5个小状态，十位个位输出和报警输出。
用状态转移控制各个过程的转换，控制各个小状态的转换，完成各个功能显示的连接。
（2）总体框图：
系统框图
分频模块
clk
数码管译码输出显示
点阵显示
控制器
防抖模块
报警模块
按键模块
状态转移图
开始
001|101011
漂洗
010|100
101101|101
洗衣
脱水
001010011|101|100
结束
ASM图
开始
输入状态
否
状态是否为0
开始按键输入
是
否
是否开始
倒计时时间显示
否是
点阵显示（5种小状态）
是否暂停
倒计时
二极管显示（3种大状态）
暂停
时间是否为0
是是否
是否继续
是
报警
是否有新状态
否
结束
是
结束
否
三、仿真波形及波形分析
分频模块：
clk为1000Hz的时钟，输出clkout为分频后的时钟，频率为1Hz。
防抖模块：
输入reset信号有抖动，输出resetn为无抖动的时钟。
按键模块：
输入pauseclk、startclk、stateclk分别为暂停、开始、模式输入按键，当按下暂停按键时，暂停输出pauseout变为高电平，洗衣机工作状态保持不变；
当按下开始按键时，输出startout变为高电平，洗衣机开始工作；当按下模式按键时，可以选择5种工作模式，输出对应5种模式。
报警模块：
时钟clk为1000Hz，为蜂鸣器工作频率，当输入信号alarmin为高电平时，输出alarmout变为高电平，维持5秒后变为低电平，结束报警。
数码管译码输出显示：
clk为1kHz的扫描频率，gewei、shiwei分别为个位、十位输入，showout为数码管译码输出，十位个位交替显示，cat控制数码管的点亮，分别显示十位和个位输出。
控制器：
时钟clk为1Hz，输入按键信号pause（暂停）、start（开始），洗衣工作模式state，输出mode为洗衣、漂洗、脱水三个大状态，输出mode_mini为进水、洗衣、漂洗、排水、甩干五个小状态，输出time_gewei、time_shiwei为个位、十位转换为二经制的输出，alarm为报警输出，当洗衣结束输出高电平。
四、源程序
（1）、分频模块
entitydivis
port（
clk:
instd_logic;--1kHz
clkout:
outstd_logic--1Hz
）;
enddiv;
architecturediv_archofdivis
signalt:
std_logic;
signalcount:
integerrange0to499;--计数500个周期
begin
process（clk）
begin
if（clk'eventandclk='1'）then
if（count=499）--1000分频
thencount<=0;
t<=nott;
else
count<=count+1;
endif;
endif;
endprocess;
clkout<=t;
end;
（2）、按键模块
entitybuttonis
port
（
stateclk,pauseclk,startclk:
instd_logic;--按键输入
stateout:
outstd_logic_vector（2downto0）;--5种模式输出
pauseout,startout:
outstd_logic--暂停、开始输出
）;
endbutton;
architecturearchiofbuttonis
begin
p1:
process（stateclk）--5种模式
variablecout1:
integerrange0to5;
begin
if（stateclk'eventandstateclk='1'）then
cout1:
=cout1+1;
if（cout1>5）then
cout1:
=cout1mod5;
endif;
endif;
casecout1is
when1=>stateout<="001";
when2=>stateout<="010";
when3=>stateout<="011";
when4=>stateout<="100";
when5=>stateout<="101";
when0=>stateout<="000";
endcase;
endprocessp1;
p2:
process（pauseclk）--当有按键按下，暂停工作，再次按下继续工作
variablecout2:
integerrange0to1;
begin
if（pauseclk'eventandpauseclk='1'）then
cout2:
=cout2+1;
endif;
if（cout2=1）then
pauseout<='1';
else
pauseout<='0';
endif;
endprocessp2;
p3:
process（startclk）--按键按下开始工作
variablecout3:
integerrange0to1;
begin
if（startclk'eventandstartclk='1'）then
cout3:
=cout3+1;
endif;
if（cout3=1）then
startout<='1';
else
startout<='0';
endif;
endprocessp3;
endarchi;
（3）、防抖模块
entitydoudongis
port
（
clk,reset:
instd_logic;--clk为1kHz，reset为按键信号
resetn:
outstd_logic--防抖后的按键信号
）;
enddoudong;
architectureaofdoudongis
signaltmp1,tmp2:
std_logic;
begin
process（clk）
begin
if（clk'eventandclk='0'）then
tmp2<=tmp1;
tmp1<=reset;
endif;
endprocess;
resetn<=clkandtmp1and（nottmp2）;
enda;
（4）、点阵显示
entitydianzhenis
port（
clk_scan:
instd_logic;--1kHz的时钟扫描频率
condition:
instd_logic_vector（2downto0）;--5个小状态输入
row:
outstd_logic_vector（7downto0）;--行扫描
col_R:
outstd_logic_vector（7downto0）;--列扫描（红色亮）
col_G:
outstd_logic_vector（7downto0）--列扫描（绿色亮）
）;
enddianzhen;
architecturearc_dianzhenofdianzhenis
signalscan_row:
std_logic_vector（2downto0）;--行扫描
begin
p1:
process（clk_scan,condition）
begin
ifclk_scan'eventandclk_scan='1'then
caseconditionis
when"000"=>--进水
casescan_rowis
when"000"=>
row<="10111111";col_R<="01111110";col_G<="01111110";
when"001"=>
row<="11011111";col_R<="01000010";col_G<="01000010";
when"010"=>
row<="11101111";col_R<="01000010";col_G<="11100010";
when"011"=>
row<="11110111";col_R<="01000010";col_G<="11010010";
when"100"=>
row<="11111011";col_R<="01000010";col_G<="01001010";
when"101"=>
row<="11111101";col_R<="01111110";col_G<="01111110";
whenothers=>
row<="11111111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
endcase;
ifscan_row="110"orscan_row="111"then
scan_row<="000";
elsescan_row<=scan_row+1;
endif;
when"001"=>
casescan_rowis--洗衣
when"000"=>
row<="10111111";col_R<="01111110";col_G<="01111110";
when"001"=>
row<="11011111";col_R<="01011010";col_G<="01000010";
when"010"=>
row<="11101111";col_R<="01100110";col_G<="01000010";
when"011"=>
row<="11110111";col_R<="01100110";col_G<="01000010";
when"100"=>
row<="11111011";col_R<="01011010";col_G<="01000010";
when"101"=>
row<="11111101";col_R<="01111110";col_G<="01111110";
whenothers=>
row<="11111111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
endcase;
ifscan_row="110"orscan_row="111"then
scan_row<="000";
elsescan_row<=scan_row+1;
endif;
when"010"=>--漂洗
casescan_rowis
when"000"=>
row<="10111111";col_R<="01111110";col_G<="01111110";
when"001"=>
row<="11011111";col_R<="01000010";col_G<="01011010";
when"010"=>
row<="11101111";col_R<="01000010";col_G<="01100110";
when"011"=>
row<="11110111";col_R<="01000010";col_G<="01000010";
when"100"=>
row<="11111011";col_R<="01000010";col_G<="01011010";
when"101"=>
row<="11111101";col_R<="01111110";col_G<="01111110";
whenothers=>
row<="11111111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
endcase;
ifscan_row="110"orscan_row="111"then
scan_row<="000";
elsescan_row<=scan_row+1;
endif;
when"011"=>—-排水
casescan_rowis
when"000"=>
row<="10111111";col_R<="01111110";col_G<="11111110";
when"001"=>
row<="11011111";col_R<="01000010";col_G<="11000010";
when"010"=>
row<="11101111";col_R<="01000010";col_G<="11000010";
when"011"=>
row<="11110111";col_R<="01000010";col_G<="11000010";
when"100"=>
row<="11111011";col_R<="01000010";col_G<="11111010";
when"101"=>
row<="11111101";col_R<="01111110";col_G<="01111110";
whenothers=>
row<="11111111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
endcase;
ifscan_row="111"then
scan_row<="000";
elsescan_row<=scan_row+1;
endif;
when"100"=>--甩干
casescan_rowis
when"000"=>
row<="10111111";col_R<="10010000";col_G<="00000000";
when"001"=>
row<="11011111";col_R<="01010000";col_G<="00000000";
when"010"=>
row<="11101111";col_R<="00110000";col_G<="00000110";
when"011"=>
row<="11110111";col_R<="00010000";col_G<="00001001";
when"100"=>
row<="11111011";col_R<="00110000";col_G<="00001001";
when"101"=>
row<="11111101";col_R<="01010000";col_G<="00000110";
when"110"=>
row<="11111110";col_R<="10010000";col_G<="00000000";
when"111"=>
row<="01111111";col_R<="00010000";col_G<="00000000";
endcase;
ifscan_row="111"then
scan_row<="000";
elsescan_row<=scan_row+1;
endif;
whenothers=>--没有状态，不显示
casescan_rowis
when"000"=>
row<="10111111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
when"001"=>
row<="11011111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
when"010"=>
row<="11101111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
when"011"=>
row<="11110111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
when"100"=>
row<="11111011";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
when"101"=>
row<="11111101";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
when"110"=>
row<="11111110";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
when"111"=>
row<="01111111";col_R<="00000000";col_G<="00000000";
endcase;
ifscan_row="111"then
scan_row<="000";
elsescan_row<=scan_row+1;
endif;
endcase;
endif;
endprocessp1;
endarc_dianzhen;
（5）、报警模块
entityalarmis
port
（
clk,alarmin:
instd_logic;--clk为1kHz时钟频率，alarmin为报警输入
alarmout:
outstd_logic--报警输出，持续时间为5秒
）;
endalarm;
architectureaofalarmis
signalcnt:
integerrange0to4999;
begin
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifalarmin='1'then
if（cnt/=4999）then--5秒报警
cnt<=cnt+1;alarmout<='1';
elsealarmout<='0';
endif;
elsecnt<=0;alarmout<='0';
endif;
endif;
endprocess;
enda;
（6）、数码管译码输出显示
entityledshowis
port
（
clk:
instd_logic;--1kHz扫描频率
shiwei,gewei:
instd_logic_vector（3downto0）;--十位、个位二进制输入
showout:
outstd_logic_vector（6downto0）;--数码管译码输出
cat:
outstd_logic_vector（5downto0）--控制数码管依次点亮
）;
endledshow;
architectureaofledshowis
signalcnt:
integerrange0to1;--控制个位、十位交替点亮
begin
process（clk,shiwei,gewei）
begin
if（clk'eventandclk='1'）then
casecntis
when0=
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