多功能数字时钟万年历温湿度DHT11设计

项目概述

名称： 多功能数字时钟万年历温湿度DHT11VHDL+Verilog Quartus II

软件： Quartus II

语言： VHDL + Verilog

代码功能

熟悉QUARTUSII开发软件，掌握VHDL语言，掌握EDA技术及其开发流程；

设计一个多功能的数字钟，具有年、月、日、时、分、秒计数显示功能，以24小时循环计数；具有校对、闹铃功能及环境温湿度的采集显示。采用EDA技术自顶向下层次化设计方法，由控制模块、计时模块、显示、报时模块、闹铃模块及温湿度采集模块共同构建一个基于FPGA的数字钟。

用VHDL语言设计满足上述功能要求的数字钟，完成各功能模块的功能仿真，通过系统实验箱下载验证设计课题的正确性。

本项目实现了一个功能丰富的多模式数字时钟万年历系统，集成了DHT11温湿度传感器。系统具备时钟显示、万年历功能、闹钟设置、秒表计时、温湿度监测等多种功能。支持LCD1602液晶显示和数码管显示两种显示方式，用户可通过按键在不同功能模式间切换。系统采用24小时制时间显示，万年历支持年月日显示并能自动处理闰年和月份天数，闹钟功能支持定时提醒，秒表提供精确计时功能。

代码已在开发板验证

核心板CORE4E-6DF说明书.pdf

外设板PERI1-8KD说明书.pdf

演示视频

代码实现思路

系统架构设计

系统采用分层模块化设计，主要分为以下几个层次：

1. 时钟基础层
   ：提供系统时钟分频和基准时序
2. 功能模块层
   ：实现各种具体功能（时钟、万年历、闹钟、秒表等）
3. 接口控制层
   ：处理按键输入、传感器通信和显示输出
4. 模式管理层
   ：协调各功能模块的工作状态

关键技术实现

• 万年历算法
  ：实现闰年判断和月份天数自动调整
• DHT11通信协议
  ：采用状态机实现单总线时序控制
• 多显示接口
  ：同时支持LCD1602和数码管显示
• 按键防抖
  ：硬件和软件结合的按键处理机制

代码结构

主要模块说明

• calendar
   - 万年历模块，实现年月日计算和闰年处理逻辑
• clock
   - 时钟模块，提供时分秒计时功能和时钟分频
• alarm
   - 闹钟模块，实现闹钟时间设置和报警功能
• stopwatch
   - 秒表模块，提供精确的计时和暂停功能
• dht11
   - 温湿度传感器模块，实现DHT11通信协议（Verilog实现）
• display
   - 显示控制模块，管理数码管的动态扫描显示
• lcd1602
   - LCD显示模块，控制液晶屏的字符显示
• mode_select
   - 模式选择模块，处理功能模式切换逻辑
• change_io
   - 输入输出控制模块，处理按键输入和蜂鸣器输出
• key_6s
   - 按键处理模块，实现按键防抖和长按检测
• BCD
   - BCD码转换模块，处理数字显示的编码转换

系统接口定义

功能模式说明

1. 时钟模式
   ：显示当前时分秒，支持12/24小时制切换
2. 万年历模式
   ：显示年月日和星期，自动处理闰年
3. 闹钟模式
   ：设置和显示闹钟时间，支持闹铃提醒
4. 秒表模式
   ：提供开始、暂停、复位的计时功能
5. 温湿度模式
   ：实时显示环境温度和湿度数据
6. 设置模式
   ：调整时间、日期和闹钟参数

设计特点

• 混合语言设计
  ：主体采用VHDL，DHT11模块使用Verilog实现
• 多功能集成
  ：集成时钟、万年历、闹钟、秒表、温湿度监测
• 双显示支持
  ：同时支持LCD1602和数码管显示
• 智能万年历
  ：自动处理闰年和各月天数差异
• 用户友好界面
  ：直观的按键操作和模式切换
• 实时数据采集
  ：DHT11传感器提供环境监测功能

技术亮点

• 精确时序控制
  ：采用多级时钟分频确保计时精度
• 状态机设计
  ：DHT11通信和按键处理均采用状态机实现
• 模块化架构
  ：各功能模块独立设计，便于扩展和维护
• 资源优化
  ：合理的逻辑设计，有效利用FPGA资源

工程相关图片

部分代码展示：

LIBRARY ieee;
   USE ieee.std_logic_1164.all;
   USE ieee.std_logic_unsigned.all;
--时分秒模块
ENTITY clock IS
PORT(
      clk         : IN STD_LOGIC;
      RST         : IN STD_LOGIC;
      hour_add    : IN STD_LOGIC;
      minute_add  : IN STD_LOGIC;
      day_cin     : OUT STD_LOGIC;
      hour_out    : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
      minute_out  : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
      second_out  : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)
);
END clock;

ARCHITECTURE behave OF clock IS

   SIGNAL hour   :STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
   SIGNAL minute :STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
   SIGNAL second :STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
   SIGNAL day_en : STD_LOGIC :='0';
   SIGNAL cnt    :STD_LOGIC_VECTOR(31 DOWNTO 0):="00000000000000000000000000000000";
BEGIN
   day_cin <= day_en;
PROCESS(clk, RST)
   BEGIN
IF(RST ='1') THEN
         cnt <="00000000000000000000000000000000";
ELSIF(clk'EVENT AND clk = '1') THEN
IF(cnt >="00000010111110101111000010000000") THEN-----------0000001111101000
            cnt <="00000000000000000000000000000000";
         ELSE
            cnt <= cnt +"00000000000000000000000000000001";
         END IF;
      END IF;
   END PROCESS;


PROCESS(clk, RST)
   BEGIN
IF(RST ='1') THEN
         hour <="00000000";
         minute <="00000000";
         second <="00000000";
         day_en <='0';
ELSIF(clk'EVENT AND clk = '1') THEN
IF(hour_add ='1') THEN
IF(hour >="00010111") THEN
               hour <="00000000";
            ELSE
               hour <= hour +"00000001";
            END IF;
ELSIF(minute_add ='1') THEN
IF(minute >="00111011") THEN
               minute <="00000000";
            ELSE
               minute <= minute +"00000001";
            END IF;
ELSIF(cnt >="00000010111110101111000010000000") THEN---------0000001111101000
IF(hour ="00010111" AND minute ="00111011" AND second ="00111011") THEN
               day_en <='1';
               hour <="00000000";
               minute <="00000000";
               second <="00000000";
ELSIF(minute ="00111011" AND second ="00111011") THEN
               day_en <='0';
               hour <= hour +"00000001";
               minute <="00000000";
               second <="00000000";
ELSIF(second ="00111011") THEN
               day_en <='0';
               hour <= hour;
               minute <= minute +"00000001";
               second <="00000000";
            ELSE
               day_en <='0';
               hour <= hour;
               minute <= minute;
               second <= second +"00000001";
            END IF;
         END IF;
      END IF;
   END PROCESS;


   hour_out <= hour;
   minute_out <= minute;
   second_out <= second;

END behave;

代码下载（付费可见）：