FPGA温湿度光照监测与数字时钟 Verilog Quartus

名称：FPGA温湿度光照监测与数字时钟 Verilog Quartus

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

这是一个基于 Verilog 与 Quartus 的 FPGA 环境监测及时钟设计。系统集成 DHT11 温湿度采集和 AP3216C 光照传感接口，支持设置温度、湿度及光照阈值，并通过独立 LED 输出对应的报警状态。 系统还包含数字时钟与闹钟控制功能，可通过开关和按键切换模式、调整小时与分钟，并切换 12/24 小时制。时间由数码管显示，LCD1602 接口用于显示系统信息；拨码开关和确认按键参与阈值设置及功能操作。

运行环境

硬件描述语言：Verilog。开发软件：Quartus。工程提供 DE70.qpf 项目文件及 Cyclone IV FPGA 开发板管脚分配文件。

设计思路

顶层模块 DHT11_ctrl 将温湿度采集、光照传感、时钟显示和阈值报警组织为一个完整的监测系统。DHT11 驱动通过单总线读取温湿度数据，AP3216C 接口通过 I2C 获取光照相关数据；阈值控制模块结合拨码开关、模式选择和确认按键设置温度、湿度及光照阈值，并由相应报警输出反映比较结果。 时钟部分提供时间显示、闹钟操作和 12/24 小时制切换等控制接口。显示部分连接 LCD1602 与数码管：LCD 接口用于系统信息显示，数码管输出用于时分秒显示，模式指示灯则对应操作状态。顶层通过内部连线将传感器读数、阈值设置、显示与报警模块连接起来。

模块结构

顶层模块：DHT11_ctrl。主要功能模块包括 dht11 温湿度传感器驱动、AP3216C I2C 接口、threshold_ctrl 阈值设置、dis_HEX 温湿度显示与报警，以及 Digital_clock、set_mode、display、alarm_clock 等时钟与显示控制模块；LCD1602 相关功能由 lcd1602_show 和 LCD_Driver 等模块配合实现。

开发板验证

工程提供了 DE70.qsf 管脚分配文件，并配有上板操作指南，接口分配涉及 DHT11 温湿度传感器、AP3216C 光照传感器、LCD1602、数码管、拨码开关和按键。操作时，DHT11 数据端连接 A0，AP3216C 的 I2C 时钟与数据端连接 A2、A4；可结合板载按键和开关进行模式切换、时间设置及阈值设置。

演示视频

工程配有功能演示视频和上板视频，可查看系统运行与开发板操作过程。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

附有设计文档图片，内容涉及工程文件、程序编译、RTL 图、管脚分配和 Testbench 仿真图。

部分代码

以下展示顶层模块 DHT11_ctrl 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module DHT11_ctrl(
    input clk,          // 系统时钟: 50MHz
    input i_rst_n,      // 系统复位: 低电平有效--key0
    inout io_data,      // DHT11单总线数据端口: 双向IO--A0
	 
    // Digital_clock 控制接口
    input alarm_SW,     // 闹钟显示/设置开关--SW0
    input MODE_SW,      // 模式切换开关--SW1
    input AH_key,       // 调整小时按键--key1
    input AM_key,       // 调整分钟按键--key2
    input change,       // 12/24 小时制切换--SW3
    output [3:0] led_mode, // 模式指示灯(LDE0~LED3)	 

    input [6:0] sw_val,   // 7 个拨码开关--SW5~SW11
    input [1:0] sw_mod,   // 选择设置参数(温度/湿度/光照)--SW12,SW13
    input btn_confirm,    // 按键确认，低电平按下--key3

    output LED_temp,    // 温度报警指示灯: 高电平亮，当实际温度 > 阈值时触发--LED4
    output LED_humi,    // 湿度报警指示灯: 高电平亮，当实际湿度 > 阈值时触发--LED5
    output LED_lux,     // 光照报警指示灯: 高电平亮，当实际光照 > 阈值时触发--LED6

    // AP3216C I2C 接口
    output ap_scl,      // AP3216C I2C 时钟--A2
    inout  ap_sda,      // AP3216C I2C 数据--A4

    // LCD1602 接口
    output LCD_EN,      // LCD 使能
    output RS,          // LCD 寄存器选择
    output RW,          // LCD 读写选择
    output [7:0] DB8,   // LCD 数据总线
	 output LCD_ON,      // LCD power
	 output LCD_BLON,      //Back Light ON/

    // 数码管段选输出 (共阳极编码，低电平点亮段)
    output [7:0] HEX0,  // 时间显示: 秒个位
    output [7:0] HEX1,  // 时间显示: 秒十位
    output [7:0] HEX2,  // 时间显示: 分个位
    output [7:0] HEX3,  // 时间显示: 分十位

    output [7:0] HEX4,  // 时间显示: 时个位
    output [7:0] HEX5,  // 时间显示: 时十位
    output [7:0] HEX6,  // 预留(默认熄灭)
    output [7:0] HEX7   // 预留(默认熄灭)
);

// 内部连线：用于连接传感器驱动模块输出的温湿度原始数据
wire [7:0] temp_data;   // 采集到的8位温度数据
wire [7:0] humi_data;   // 采集到的8位湿度数据
wire [15:0] als_data;   // 光照强度(lux)
wire [9:0]  ps_data;    // 距离(接近)数据
wire [6:0] set_temp;    // 温度阈值
wire [6:0] set_humi;    // 湿度阈值
wire [6:0] set_lux;     // 光照阈值

// DHT11 显示模块的数码管输出仅用于内部连接
wire [7:0] dht_hex0;
wire [7:0] dht_hex1;
wire [7:0] dht_hex2;
wire [7:0] dht_hex3;
wire [7:0] dht_hex4;
wire [7:0] dht_hex5;
wire [7:0] dht_hex6;
wire [7:0] dht_hex7;


assign LCD_ON =1;
assign LCD_BLON=1;
//---------------------------------------------------------
// 实例化：DHT11 传感器驱动模块
// 功能：按照DHT11时序协议从传感器读取40位数据，并解析出温湿度。
//---------------------------------------------------------
dht11 i_dht11(
    .i_clk   (clk),       // 输入时钟
    .i_rst_n (i_rst_n),   // 复位信号
    .io_data (io_data),   // 双向数据总线
    .o_temp  (temp_data), // 输出解析后的温度
    .o_humi  (humi_data)  // 输出解析后的湿度
);

//---------------------------------------------------------
// 实例化：显示与报警控制模块
// 功能：1. 将温湿度数据拆分为十位和个位；
//       2. 进行阈值比较，驱动LED报警；
//       3. 将数值转换为数码管7段码显示。
//---------------------------------------------------------
dis_HEX i_dis_HEX(
    .clk      (clk),       // 输入时钟
    .temp     (temp_data), // 实时温度输入
    .humi     (humi_data), // 实时湿度输入
    .set_temp (set_temp),  // 预设温度阈值
    .set_humi (set_humi),  // 预设湿度阈值
    .LED_temp (LED_temp),  // 温度报警输出
    .LED_humi (LED_humi),  // 湿度报警输出
    // 数码管显示输出
    .HEX0     (dht_hex0),
    .HEX1     (dht_hex1),
    .HEX2     (dht_hex2),
    .HEX3     (dht_hex3),
    .HEX4     (dht_hex4),
    .HEX5     (dht_hex5),
    .HEX6     (dht_hex6),
    .HEX7     (dht_hex7)
);

//---------------------------------------------------------
// 实例化：阈值控制模块
//---------------------------------------------------------
threshold_ctrl i_threshold_ctrl(
    .clk        (clk),
    .rst_n      (i_rst_n),
    .sw_val     (sw_val),
    .sw_mod     (sw_mod),
    .btn_confirm(btn_confirm),
    .set_temp   (set_temp),
    .set_humi   (set_humi),
    .set_lux    (set_lux)
);

//---------------------------------------------------------
// 实例化：AP3216C 传感器接口
// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

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