空调系统有限状态机的设计

空调系统有限状态机的设计

摘要：空调系统状态机自动控制是以可编程逻辑为核心，配以各种传感器，电机驱动，状态机，变频器等实现自动控制，能确保空调末端温度供给，降低系统运行费用和时间，从而节约资源，它必将日趋成熟，在人类的生活中大显身手。一直以来，环保问题时世界关注的焦点，各种替代能源动力车的出现，为空调业提出来新的课题与挑战。现代家用也得发展成为人们生活的追求，空调已成为人们的必备品。

关键字：FPGA，空调系统状态机，自动控制。

一、设计分析：

1.课程设计目的：

本课程设计的目的是在掌握EDA实验开发的初步使用基础上，了解EDA技术，对空调系统进一步了解，掌握其状态机的工作原理，掌握用Verilog实现状态机的方法。通过本课程的设计，更好的巩固加深基础知识的理解，独立完成仿真过程，增强理论联系实际，提高电路分析能力，为日后的学习奠定基础。

2.课程设计要求：

试设计一个空调系统状态机，它两个输入端A和B分别与传感器相连（用两位拨码开关模拟），用于检测室内温度。如果室内温度正常，则A和B均为0。如果室内温度过高，则A为“1”，B为“0”。如果室内温度过低，则A为“0”，B为“1”。根据A和B的值来判断当前的状态，如太热，则在液晶上显示TOO-HOT，并将输出端COOL 置为“1”，并显示，表明现在开始制冷；如太冷，则在液晶上显示TOO-COLD，并将输出端HEAT置为“1”，并显示，表明现在开始加热；如适中，则在液晶上显示JUST-RIGHT，COOL和HEAT都为“0”。

要求一: 由传感器检测室内温度，并将采集来的数据传输到控制系统的预处理单元，在预处理单元将采集来的温度信号与设定值相比较，来判断当前的状态 (太热、太冷或适中)，然后将处理结果传输到控制单元，最后由执行机构接受控制单元输出的控制信号，控制

室内空调。

要求二: 脉冲序列检测器广泛应用于现代数字通信系统中。随着通信技术的发展，对多路脉冲序列信号检测要求越来越高，本实验设计一个基于FPGA的多路脉冲序列检测器的设计方案，要求能对多路脉冲序列信号进行检测。设计完成后，经综合和仿真验证波形与代码作用是否一致。

二、软件设计模块程序

1.空调有限自动状态机的总体模块示意图，如图一所示:

输入输出描述如下:

输入: clk,接入系统时钟,作为系统时基，高电平有效。两位的环境采样信号，A为高温,B为低温。四位中间变量，just right=’00'为常温,too cold='01’为太低,too hot='10'为太热，stvar代表当前状态。A=0 并且B=0,则just right= stvar, A=0 并且B=1, 则too cold=stvar,A=1并且B=0,则too hot= stvar.

输出:heaT为加热操作标志，cooL为制冷操作标志，just right 状态无需任何操作，too cold状态时，stvar赋给cool制热，too hot 状态时，stvar 赋给heat制冷。

2.序列检测器总体模块示意图如图二所示：

输入: DIN 是存放8位序列的数值，CLK 为时钟脉冲，CLR 为清零端，中间信号D为标准逻辑矢量，用来存放预制数的每一位，中间信号Q为整型，范围是0到8。

输出: AB 为输出端，用来显示检测序列数的正确性，输出A 或B，A 表明此数与预制的密码相同，B表明不同。

3.程序简要说明

空调空调系统的有限状态自动机VHDL程序分析:

Type state_typeis(just_right,too_cold,too_hot);

Attribute sequential_encoding:string;

Attribute sequential_encodingof

state_type:typeis"000110";

signalstvar:state_type；

attribute state_vector:string;

attribute state_vector of style_b:architecture is "stvar";

定义state_type的属性sequential_encoding,定义stvar的属性state_vector,给just_right,too_cold,too_hot分别赋值“00 01 10”。

(2)wait until clk='1';

if(temp_low=’1’) then stvar -too_cold;

elsif(temp_high=’1’) then stvars =too_hot;

else stvar<=just_right;

end if;

case stvar is

when just_right=>heat<='0';cool<='0';

when too cold=>heat<='l';cool<='0';

when too_hot=>heat<='0';cool<='1';

end case;

当clk为上升沿时，先判断temp_low,temp_high的值，再断给stvar赋什么值，当temp_low=' 1’时，stvar<=too_cold,则输出heat<='l';cool<='0';当temp_high='l'时，stvar<=too_hot,则输

出heat<='0';coo1<=' 1';当temp_low='0',temp_high='0'时，stvar<=just_right,则输出heat<='0';cool<='0'、

序列检测器VHDL程序分析

d<=“11100101”

process(clk,clr)

begin

ifclr='1'thenq<=0;

elsifclk'eventandclk='1'then

If clr=’1' then q<=0;

elsif clk'event and clk='1' then

首先设置了一个8位待检测的预置数，之后定义一个进程，该进程语句是对信号clk, clr 敏感，这两个信号中只要有一个信号发生变化，都将启动该进程语句，在进程语句中，如果清除信号为高电平，那么q就置零，否则当来一个上升沿时钟脉冲，就进行序列检测。(2) case q is

When 0=>if din=d(7)then q<=1;else q<=0;end if;

when 1=>if din=d(6)then q<=2;else q<=0:end if;

When 2=>if din=d(5)then q<=3;else q<=O;end if;

When 3=>if din=d(4)then q<-4;else q< 0;end if;

when4=>if din=d(3) then q<=;else q<=0;end if;

When5=>if din=d(2) then q<=6;else q<=0;end if;

when6=>if din=d(1) then q<=7;else q<=0;end if;

when7=>if din=d(0) then q<=8;else q<=0;end if;

when others =>q<=0;

end case;

这是一个case语句，根据q的值的不同来执行之后的语句，当q 的值与所以条件句的选择值都不相同时，则执行others后面的顺序语句。注意:条件句中的“=>”不是操作符，而是相当于“then”的作用。上述代码的作用是检测序列，如果每一位的连续检测中都与预置的密码数相同，那么q最后的值就为8，否则只要有一个序列不相同，q的值就为0，就重新检测。

(3) process(q) begin

If q=8 then ab<=“1010”；

else ab<=“1011”；

end if;

end process;

这个进程是用来检测结果的判断输出，如果序列检测正确就输出A，否则输出B。

三、硬件电路

1.建立TOP顶层文件如下图所示；

2.对TOP顶层模块文件编译，编译成功后如图所示；

3.修改Device and pin Options中的Unused Pins，改为三态输入。

如图：

4.进行引脚分配，如图所示：

四、仿真结果

波形仿真

空调有限系统自动状态机波形仿真一如图所示：

空调有限系统自动状态机波形仿真二如图所示：

空调有限系统自动状态机波形仿真三如图所示：

波形一的时序、逻辑分析：

由仿真波形一可以看出：当clk=1为上升沿时，A=1，B=1时，表示不可能发生此种情况，即不会发生又热又冷的情况，所以此时输出heat,cool的输出都为零，不制热或制冷。

波形二的时序、逻辑分析：

由仿真波形二可以看出：当clk=1为上升沿时，A=0，B=1时，stvar<=too_cold,heat=’1’;cool<=’0’,即此时太冷开始制热。

波形三的时序、逻辑分析：

由仿真波形三可以看出：当来一个上升沿时钟脉冲以后，din的值为1，第二个时钟上升沿来了，din的值为1，以此类推，可以检测到的数据为“11100101”与原来的8位待检测数据完全一样，所以输出端ab有输出A。其余数据不一样的输出为B。

下载到试验箱上，进行调试；

液晶显示模块：下图为温度正常，COOL和HEAT都为“0”。

如下图所示:次图为温度太低，HEAT开始加热。HEAT为“1”。

如下图所示：此图为温度太高，COOL开始制冷，COOL为“1”。

流水灯从右向左开始灭。

流水灯从左向右开始灭

五.总结分析

整个设计通过了软件和硬件上的调试。我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于教材管理系统，其程序是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。

这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，这次课程设计让我充分认识到团队合作的重要性，只有分工协作才能保证整个项目的有条不絮。另外在课程设计的过程中，当我们碰到不明白的问题时，指导老师总是耐心的讲解，给我们的设计以极大的帮助，使我们获益匪浅。因此非常感谢老师的教导。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实

践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一名软件工程专业的学生，这次课程设计是很有意义的。更重要的是如何把自己平时所学的东西应用到实际中。虽然自己对于这门课懂的并不多，很多基础的东西都还没有很好的掌握，觉得很难，也没有很有效的办法通过自身去理解，但是靠着这一个多礼拜的“学习”，在小组同学的帮助和讲解下，渐渐对这门课逐渐产生了些许的兴趣，自己开始主动学习并逐步从基础慢慢开始弄懂它。

所以我认为这次的课程设计意义很深，和我的队友的共同学习﹑配合﹑努力的过程也很愉快，另外还要感谢老师的耐心辅导。