語言的洗衣機控制器設(shè)計

1、目 錄一、目的2二、內(nèi)容及要求21、設(shè)計的主要內(nèi)容22、設(shè)計的主要要求3三、原理31基于狀態(tài)機的控制電路設(shè)計32洗衣機控制器的工作原理3（1）洗衣機的工作狀態(tài)3（2）全自動洗衣過程4（3）單獨執(zhí)行某個洗衣程序4（4）設(shè)計思路5四、步驟及仿真圖7五、程序設(shè)計10(1)時鐘分頻模塊···························

2、;·····························10（2）數(shù)碼管顯示11（3）定時器電路12。（4）預(yù)置時間和編碼電路···············

3、··································13（5）時序電路13（6）譯碼器14六、心得體會14七、參考文獻15一、目的 1 學(xué)習(xí)掌握全自動洗衣機的控制原理。2 掌握基于有限狀態(tài)機的控制電路設(shè)計方法.二、內(nèi)容及要求1、設(shè)計的主要內(nèi)容：

4、設(shè)計一個全自動洗衣機控制器電路，實現(xiàn)對洗衣機的全自動控制。 根據(jù)全自動洗衣機的控制原理設(shè)計一個控制電路， 使之能夠控制全自動洗衣機完成整個 工作過程。洗衣機工作過程分為兩種情況： （1）全部自動完成 當(dāng)按下復(fù)位按鈕時，洗衣機上電，控制電路復(fù)位到初始狀態(tài)（默認(rèn)水位為“中”；使用 ） 者可根據(jù)衣服的多少，按下水位控制按鈕，改變水位設(shè)置，以控制上水時加水的多少；當(dāng)按 下啟動/暫停按鈕時，洗衣機開始洗衣的第一個操作：進水閥門打開，開始上水，并根據(jù)水 位設(shè)置（高、中、低、少）歷時不同的時間timeadd（8s、7s、6s、5s） ；然后進水閥門關(guān)閉， 電機開始運轉(zhuǎn)，開始洗衣過程，并歷時 9s；然后電機停

5、止運轉(zhuǎn)，排水閥門打開，開始排水， 并根據(jù)水位設(shè)置（高、中、低、少）歷時不同的時間timedrain（7s、6s、5s、4s） ；然后排水 閥門關(guān)閉，進水閥門打開，開始第二次上水，并歷時timeadd當(dāng)甩干結(jié)束后，整個洗衣 過程完成，揚聲器發(fā)出持續(xù) 15 秒的急促的“嘀嘀”音，提示用戶洗衣結(jié)束。正常運行狀態(tài) 下全自動洗衣機工作過程：空閑（idle）第一次加水（water1）7s洗衣（wash）9s第一次排水（drain1）6s第二 次加水（water2）7s漂洗（rinse）9s第二次排水（drain2）6s甩干（dry）5s蜂鳴 15s 。 洗衣機整個工作過程可分為 9 個狀態(tài)，運用有限狀態(tài)機

6、的設(shè)計思想來實現(xiàn)。 （2）人工干預(yù)在每個工作狀態(tài)下，如果想要洗衣機暫停工作，可按下啟動/暫停按鈕，則洗衣機立刻 暫停當(dāng)時的操作。比如，在第一次加水過程中，若按下啟動/暫停按鈕，則進水閥門立刻關(guān) 閉，暫停上水，計時暫停；當(dāng)再次按下啟動/暫停按鈕，則進水閥門又打開，并繼續(xù)計時， 直到加水滿 timeadd 后，進入洗衣過程。 洗衣機功能設(shè)置： 打開洗衣機蓋/合上洗衣機蓋：當(dāng)洗衣機在甩干過程中，若打開洗衣機蓋，則洗衣機 應(yīng)立即暫停工作，停止電機運轉(zhuǎn)和排水；只有合上洗衣機蓋，洗衣機才能繼續(xù)工作。因此洗 衣機控制器有一個 open_door 輸入信號，并根據(jù)此信號控制洗衣機的動作。 水位控制：有一個水位

7、控制按鈕，逐次按動它，水位可以在高、中、低、少這 4 檔 間切換，以控制上水時加水的多少。 洗衣模式選擇：有一個洗衣模式選擇按鈕，在洗衣機上電后開始啟動之前，按動此 按鈕，可以選擇洗衣機單獨執(zhí)行不同的洗衣程序：浸泡、洗滌、漂洗、脫水（甩干） ；若不 按此按鈕，則默認(rèn)全程自動執(zhí)行浸泡、洗滌、漂洗、甩干這 4 個程序。2、設(shè)計的主要要求：（1）根據(jù)設(shè)計題目要求編寫相應(yīng)程序代碼。（2）畫出洗衣機控制器包括不同洗衣模式的完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。（3）對編寫的VHDL程序代碼進行編譯和仿真。（4）總結(jié)設(shè)計內(nèi)容。三、原理1 基于狀態(tài)機的控制電路設(shè)計有限狀態(tài)機（FSM，F(xiàn)inite State Machine）是

8、一種重要的時序邏輯電路單元，尤其適 合于設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的控制模塊。 狀態(tài)機可以認(rèn)為是組合邏輯和寄存器邏輯的特殊組合， 它一 般包括兩個部分：組合邏輯部分和寄存器部分。組合邏輯部分又包括次態(tài)邏輯和輸出邏輯， 分別用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號； 寄存器部分用于存儲狀態(tài)。 狀態(tài)機的次態(tài)是現(xiàn)態(tài)及輸入 信號的函數(shù)，輸出信號根據(jù)狀態(tài)機的現(xiàn)態(tài)或輸入信號而定。 根據(jù)輸出信號產(chǎn)生方法的不同，狀態(tài)機可分為兩類：摩爾（Moore）型狀態(tài)機和米里 （Mealy）型狀態(tài)機。對于 Moore 型狀態(tài)機，其輸出只為狀態(tài)機當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)，而與輸入 無關(guān)。而對于 Mealy 型狀態(tài)機，其輸出不僅與狀態(tài)機當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而且與輸入有關(guān)

9、。 實用的狀態(tài)機一般都設(shè)計為同步時序電路，它在時鐘信號的觸發(fā)下，完成各狀態(tài)之間 的轉(zhuǎn)移，并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。 采用 Verilog HDL 語言實現(xiàn)基于狀態(tài)機的控制電路設(shè)計， 就是在時鐘信號的觸發(fā)下， 完 成兩項任務(wù)： （1）用 case 或 if-else 語句描述出狀態(tài)的轉(zhuǎn)移， （2）描述狀態(tài)機的輸出信號（通 常是控制信號） 。2 洗衣機控制器的工作原理（1）洗衣機的工作狀態(tài)洗衣機有 9 個工作狀態(tài)分別為：空閑（idle） 、第一次加水（water1） 、洗衣（wash） 、第 一次排水（drain1） 、第二次加水（water2） 、漂洗（rinse） 、第二次排水（drain2） 、甩干

10、（dry） 、 蜂鳴（beep） 。 （2）全自動洗衣過程最簡單的操作是在洗衣機上電后（默認(rèn)水位為“中”，通過水位控制按鈕設(shè)置好合適的 ） 水位，然后按下start_pause啟動/暫停按鈕，使洗衣機全自動完成整個洗衣過程，此時洗衣機控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖 1所示。 圖1 洗衣機控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖start_p ause rst idle m=0 ， w=0 d=0 15s beep m=0，d=0 speaker water1 w=1 m=0 ， 7s wash m=1 w=0 ， 浸泡 9s 甩干 5s dry m=1，d=1 w=0 6s drain2 d=1 w=0， m=0 9s rin

11、se m=1 w=0，d=0 7s drain1 d=1 w=0， m=0 6s water2 w=1 m=0，d=0 洗滌 漂洗圖 1 全自動洗衣機控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖 。 一旦按下 rst 按鈕， 則電路復(fù)位到初始狀態(tài)， 控制信號 m=0， w=0， d=0。 當(dāng)按下 start_pause 啟動/暫停按鈕時，則進入 water1 狀態(tài)，w = 1，使進水閥門打開，開始上水，并歷時 7s。然 后轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)wash，w = 0，使進水閥門關(guān)閉；同時 m = 1，使電機開始運轉(zhuǎn)，開始 洗衣過程，并歷時 9s。再轉(zhuǎn)移到下一狀態(tài)drain1，直到當(dāng)甩干結(jié)束后，整個洗衣過 程完成，揚聲器發(fā)出持續(xù)

12、15 秒的急促的“嘀嘀”音，提示用戶洗衣結(jié)束，控制器又返回到 初始狀態(tài)。 （3）單獨執(zhí)行某個洗衣程序 但有時候，人們可能需要單獨執(zhí)行某個洗衣程序，如洗滌或脫水，這時可以在洗衣前通 過按動洗衣模式選擇按鈕來選擇不同的洗衣程序。 在這種情況下， 洗衣機控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移 圖就會比圖 1更復(fù)雜一些，下面加以詳細說明。 首先在 idle 狀態(tài)下，當(dāng)按下啟動/暫停按鈕時，控制器要根據(jù)不同的洗衣模式跳轉(zhuǎn)到不 同的狀態(tài)：若默認(rèn)是全自動洗衣程序或選擇浸泡程序，則跳轉(zhuǎn)到 water1；若選擇洗滌程序， 則跳轉(zhuǎn)到 wash；若選擇漂洗程序，則跳轉(zhuǎn)到 water2；若選擇甩干，則跳轉(zhuǎn)到 dry。而當(dāng)洗衣機執(zhí)行完相應(yīng)的

13、洗衣程序后，則所有控制信號、計時器應(yīng)清零，同時控制器應(yīng) 返回初始狀態(tài)。因此，在 water1 狀態(tài)下，當(dāng)加好水時控制器不是直接跳轉(zhuǎn)到 wash，而是要 先判斷洗衣模式是否為浸泡程序，若是，則跳轉(zhuǎn)到 idle；若不是，才直接跳轉(zhuǎn)到 wash。同 理，在 drain1 狀態(tài)下，當(dāng)排完水時控制器不是直接跳轉(zhuǎn)到 water2，而是要先判斷洗衣模式是 否為洗滌程序，若是，則跳轉(zhuǎn)到 idle；若不是，才直接跳轉(zhuǎn)到 water2。在 drain2 狀態(tài)下，當(dāng) 排完水時控制器不是直接跳轉(zhuǎn)到 dry，而是要先判斷洗衣模式是否為漂洗程序，若是，則跳 轉(zhuǎn)到 idle；若不是，才直接跳轉(zhuǎn)到 dry。（4）設(shè)計思路洗衣

14、機控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示，將整個設(shè)計劃分為兩個子模塊：時鐘分頻子模 塊和洗衣機狀態(tài)控制器子模塊。 圖2 洗衣機控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）時鐘分頻子模塊 clkdiv.v將系統(tǒng)時鐘 50MHz 分頻為 1KHz， 再將 1KHz 分頻為 1Hz， 以產(chǎn)生洗衣結(jié)束時的提示蜂 鳴音 speaker=clk_1Hz&clk_1KHz&alarm（每間隔 1s 產(chǎn)生一個音頻為 1KHz 的提示音） 。 1Hz 的時鐘信號還作為洗衣機狀態(tài)控制器子模塊的輸入時鐘信號，驅(qū)動洗衣定時器計 數(shù)。（2）洗衣機狀態(tài)控制器子模塊 wash_ctrl.v 設(shè)計時，首先應(yīng)畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖并仔細分析，明確在每

15、個狀態(tài)下控制器要輸出哪些控 制信號，計數(shù)器該怎樣計數(shù)；當(dāng)希望洗衣機暫停時，所有控制信號應(yīng)都變?yōu)?0，計數(shù)器暫停 計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器正常計數(shù)到預(yù)定值時，應(yīng)跳轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。然后用 case 語句、if-else 語句對 狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出進行描述。 信號定義： input clk_1KHz, clk_1Hz, rst, start_pause, mode, level, open_door; /* start_pause：啟動/暫停按鈕信號，高有效； mode：洗衣模式選擇信號，高有效。不按時，默認(rèn)全程 執(zhí)行浸泡、洗滌、漂洗、甩干這 4 個程序；每按一下，單獨選 擇浸泡，或洗滌，或漂洗，或甩干程序。 le

16、vel：水位控制信號（負脈沖） ，每按一下，循環(huán)選擇水 位（高、中、低、少） ； open_door： 洗衣機蓋打開信號 （負脈沖） 第一次按是 ， “開 蓋” ，再按一次則是合蓋。 * */ output W, M, D; /W 是進水閥門控制信號，M 是引擎工作信號，D 是放水閥門 控制信號 output3:0 times; /定時計數(shù)器，用于洗衣各過程的定時計數(shù) output speaker; /洗衣結(jié)束提示音信號，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲 output3:0 nextstate; /狀態(tài)機，描述洗衣機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程 為方便設(shè)計，這里還定義了一些中間變量： reg3:0 modestate; /洗

17、衣模式計數(shù)器，0：默認(rèn)全自動洗程序，1：只執(zhí)行浸泡程序，2： 只執(zhí)行洗滌程序，3：只執(zhí)行漂洗程序，4：只執(zhí)行甩干程序。根據(jù)其值決定控制器從 idle 狀態(tài)應(yīng)跳轉(zhuǎn)到哪一狀態(tài)。 reg3:0 waterlevel;/水位計數(shù)器，用來控制加水時間，當(dāng)水位為高、中、低、少時其 值為 0、1、2、3。 reg3:0 timeadd; /加水時間計數(shù)器， 根據(jù)水位選擇控制加水時間， 當(dāng)水位為高、 中、 低、少時其值為 8s、7s、6s、5s。 reg3:0 timedrain; /排水時間計數(shù)器，根據(jù)水位選擇控制排水時間，當(dāng)水位為高、中、 低、少時其值為 7s、6s、5s、4s； reg doorstat

18、e; /洗衣機蓋的狀態(tài)，為“1”表示蓋是打開的，為“0”表示蓋是合 上的。 reg start_pause_level;/將啟動/暫停脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的高低電平信號。 reg alarm; /蜂鳴狀態(tài)信號，蜂鳴時 alarm 為“1” ，平時為“0” 整個模塊包括 8 大部分： 5 / 用 parameter 常量定義狀態(tài)機的狀態(tài)，洗衣、漂洗、甩干和蜂鳴的時間長度 / 將啟動/暫停脈沖信號轉(zhuǎn)換為高低電平信號 always(posedge start_pause or posedge rst) / 洗衣模式選擇（對 modestate 賦值） always(posedge rst or pos

19、edge mode) / 水位控制（對 waterlevel 賦值） always(posedge rst or negedge level) /復(fù)位時默認(rèn)水位為“中” / open_door 信號控制 always(posedge rst or negedge open_door) / 根據(jù)水位選擇控制加水時間和排水時間 always(posedge clk_1KHz) begin case(waterlevel) endcase end / 狀態(tài)機輸出及狀態(tài)轉(zhuǎn)移 always(posedge clk_1Hz or posedge rst) begin if(rst) /控制信號清零，計數(shù)器

20、清零，狀態(tài)機回到空閑狀態(tài) else begin case(nextstate) idle: /（1）空閑狀態(tài) /根據(jù) modestate 的值判斷應(yīng)跳轉(zhuǎn)到哪個狀態(tài) water1 : /（2）第一次加水 begin if(!start_pause_level) begin end /暫停操作 else begin if(times<timeadd-1) begin end /若未加好水，則一直加水 else begin end /否則根據(jù) modestate 是否為 4'd1 判斷應(yīng)跳轉(zhuǎn)到空閑態(tài)或下一個狀態(tài) end end wash: /（3）洗衣 6 drain1: /（4）第一

21、次排水 /若未排完水，則一直排水 /否則根據(jù) modestate 是否為 4'd2 判斷應(yīng)跳轉(zhuǎn)到空閑態(tài)或下一個狀態(tài) water2: /（5）第二次加水 rinse: /（6）漂洗 drain2: /（7）第二次排水 /若未排完水，則一直排水 /否則根據(jù) modestate 是否為 4'd3 判斷應(yīng)跳轉(zhuǎn)到空閑態(tài)或下一個狀態(tài) dry: /（8）甩干 beep: /（9）蜂鳴 endcase end end / speaker 信號輸出 assign speaker=clk_1Hz&clk_1KHz&alarm;四、步驟及仿真圖（1）在上面的代碼提示 框架中完成核心子

22、模塊wash_ctrl.v的設(shè)計。 （2）對核心子模塊 wash_ctrl.v 進行時序仿真。 仿真全程自動順序執(zhí)行浸泡、洗滌、漂洗、甩干這 4 個程序 當(dāng)rst信號來到時，所有的信號置零；當(dāng)start_pause信號有效時，進入加水狀態(tài)；只要不 再按下start_pause按鈕，洗衣機將按照預(yù)定的時序自動完成洗衣的全過程。如圖3所示。 圖3 洗衣過程全部自動完成的仿真圖 仿真人工干預(yù)洗衣過程 在洗衣過程全部自動完成后，再分別給rst和start_pause一個正脈沖，模擬一次新的洗衣 過程。在洗衣狀態(tài)（wash）下，第二次按下start_pause按鈕，則M從“1”變?yōu)椤?” ，洗衣機 暫停

23、操作；稍后第三次按下start_pause按鈕時，則M從“0”變?yōu)椤?” ，洗衣機繼續(xù)操作。如 圖4所示。 圖4 人工干預(yù)洗衣過程的仿真圖 仿真選擇洗衣模式在人工干預(yù)洗衣過程結(jié)束后，再給rst一個正脈沖，模擬一次新的洗衣過程。當(dāng)?shù)谝淮?按下mode按鈕時，洗衣機進入浸泡程序操作；第二次按下mode按鈕時，洗衣機進入洗滌程 序。當(dāng)然，若依次按下mode按鈕時，洗衣機會依次進入漂洗、甩干程序（后兩個程序限于 篇幅不作圖解） 。如圖 5所示。仔細觀察modestate和nextstate的變化。 圖5 選擇洗衣模式的仿真圖 仿真進行水位控制 在上述洗衣過程結(jié)束后，再給 rst 一個正脈沖，模擬一次新

24、的洗衣過程。先給 level 一 個負脈沖，設(shè)置水位為低，再啟動；到第二次加水期間，給 level 一個負脈沖，設(shè)置水位為 少。觀察洗衣和漂洗過程中的加水時間和排水時間是否分別與設(shè)置的水位相一致。 圖6 設(shè)置水位分別為低和少時的仿真圖 仿真在甩干過程中，打開洗衣機蓋的現(xiàn)象 圖7 在甩干過程中，先后打開和合上洗衣機蓋時的仿真圖（3）設(shè)計頂層圖形文件（如圖 8所示） ，編譯。 注意這里用未消抖按鍵 9、按鍵 10（低有效） ，作為水位控制信號 level_n 與洗衣機蓋打 開信號 open_door_n 的控制鍵，因此還需要增加按鈕消抖模塊。 圖8 頂層圖形文件wash_top.bdt（4）進行引

25、腳鎖定。 輸入信號： clk（f=50MHz）接 Pin28； rst 接鍵 1（Pin233） ；start_pause 接鍵 4（Pin236） ；mode 接鍵 7（Pin239） ； level_n：水位控制信號，負脈沖有效，接鍵 9（Pin132） ； open_door_n：洗衣機蓋打開信號，負脈沖有效，接鍵 10（Pin128） 。 輸出信號： W 接發(fā)光二極管 D8（Pin168） ；M 接 D7（Pin167） 接 D6（Pin166） ；D ； times 3.0： 當(dāng)前狀態(tài)工作時間， 接數(shù)碼管 1， 從高位到低位分別接 Pin16、 Pin15、 Pin14、 Pin13

26、； nextstate3.0：當(dāng)前工作狀態(tài)，接數(shù)碼管 2，從高位到低位分別接 Pin20、Pin19、Pin18、 Pin17； modestate3.0： 所選洗衣模式， 接數(shù)碼管 7， 從高位到低位分別接 Pin140、 Pin139、 Pin138、 Pin137； 10 waterlevel3.0：當(dāng)前水位檔位，接數(shù)碼管 8，從高位到低位分別接 Pin160、Pin159、 Pin158、Pin141； speaker 接 Pin174。 五、 程序設(shè)計(1)時鐘分頻模塊（2） 數(shù)碼管顯示（3）定時器電路 end（4）預(yù)置時間和編碼電路（5）時序電路（6）譯碼器六、心得體會課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.從選題到定稿，從理論到實踐，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很