宠物智能投喂器 FPGA 设计 VHDL Quartus

名称：宠物智能投喂器 FPGA 设计 VHDL Quartus

软件：Quartus

语言：VHDL

开发板/平台：DE2-115

功能介绍

本设计实现了一个基于 FPGA 的宠物智能投喂器控制系统，使用 VHDL 编写并在 Quartus 环境下完成工程实现。系统通过 DE2-115 开发板上的拨码开关、按键、LED 和八位七段数码管完成投喂参数设置、倒计时显示、投喂状态指示和缺粮报警等功能。 用户可以通过拨码开关设置投喂次数和投喂重量档位，其中投喂次数支持 1~4 次选择，重量档位支持 20g、40g、60g、80g、100g 等显示配置。按键部分包含启动、时间增加、时间减少和手动应急投喂，便于演示定时投喂和人工触发投喂两类场景。 显示部分使用 HEX0~HEX7 数码管显示重量、次数和时间信息，LED0 用于缺粮报警，LED1 用于喂食状态提示。整体功能贴近“定时、定量、缺粮提醒”的智能投喂器控制需求，适合作为 FPGA 课程设计、VHDL 综合设计和 DE2-115 板级实验参考。

运行环境

开发语言：VHDL 开发软件：Quartus 目标开发板：DE2-115 主要硬件资源：50MHz 时钟、KEY 按键、SW 拨码开关、LED 指示灯、HEX 七段数码管 顶层模块：pet_smart_feeder

设计思路

系统采用模块化 VHDL 设计，把投喂控制、时间节拍、数码管显示和顶层板级连接分开实现。顶层 pet_smart_feeder 负责连接 DE2-115 的按键、拨码、LED 和 HEX 数码管资源，并通过泛型参数设置 1 秒分频系数、默认倒计时时间和单次投喂持续时间，便于在仿真和上板时分别调整时间尺度。 投喂逻辑以用户设置为核心：SW1~SW0 用于选择投喂次数，SW4~SW2 用于选择投喂重量档位，KEY0 用于启动定时流程，KEY1/KEY2 用于调整投喂间隔时间，KEY3 用于手动应急投喂。系统根据倒计时状态控制投喂输出，在投喂阶段点亮喂食指示 LED，并将当前设置和时间信息送入显示模块。 剩余粮量检测通过 SW5 输入模拟，高电平表示缺粮状态，控制逻辑驱动 LED0 输出缺粮报警。这样的设计把实际传感器接口抽象为单路数字输入，便于课程设计、实验演示和后续扩展到真实粮仓检测开关。

模块结构

工程主要模块包括： pet_smart_feeder：顶层模块，连接时钟、复位、按键、拨码、LED 和八位数码管，并协调各功能模块。 tick_gen：时间节拍产生模块，根据系统时钟产生秒级节拍，用于倒计时和定时控制。 feeder_control：投喂控制核心模块，处理启动、时间调整、手动投喂、缺粮检测、投喂次数和重量设置等逻辑。 display_driver：显示驱动模块，将时间、次数、重量等数据转换为七段数码管显示内容。 LED7S：七段数码管译码模块，用于数字到段码的转换。 tb_pet_smart_feeder：测试平台，用于对顶层控制流程进行仿真验证。

开发板验证

工程面向 DE2-115 开发板使用，顶层端口已经按照板载资源进行管脚约束，包含 50MHz 系统时钟、低有效复位拨码、KEY0~KEY3 按键、SW0~SW5 拨码输入、LED0/LED1 指示灯以及 HEX0~HEX7 八位七段数码管显示输出。约束文件可直接用于 Quartus 工程编译和下载验证，适合在 DE2-115 上观察按键启动、手动投喂、缺粮报警、次数/重量设置和倒计时显示等功能。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

工程包含 tb_pet_smart_feeder 测试平台，可用于验证投喂器顶层逻辑的启动、参数设置、倒计时、投喂输出和缺粮报警流程。Quartus 工程中包含综合、布局布线、时序分析和下载文件生成结果，可作为学习 VHDL 模块化设计与 FPGA 板级实现流程的参考。

部分代码

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

entity pet_smart_feeder is
  generic(
    G_1S_DIV: integer := 50000000;
    G_COUNTDOWN_SECONDS: integer := 600;
    G_FEED_SECONDS: integer := 3
  );
  port(
    clk: in std_logic;                          -- 50MHz系统时钟
    rst_n: in std_logic;                        -- 低电平复位SW17
    start_key_n: in std_logic;                  -- 启动键（低有效）key0
    sw_times: in std_logic_vector(1 downto 0);  -- 次数拨码SW1~0：00→1次，01→2次，10→3次，11→4次
    sw_weight: in std_logic_vector(2 downto 0); -- 重量拨码SW4~2：000→20/001→40/010→60/011→80/100→100g
    time_key_add_n: in std_logic;               -- 时间加键（低有效）key1
    time_key_sub_n: in std_logic;               -- 时间减键（低有效）key2
    feed_key_n: in std_logic;                   -- 手动应急喂键（低有效）key3
    sw_check: in std_logic;                     -- 剩余粮量检测，高电平缺粮 SW5
    food_shortage_led: out std_logic;           -- 缺粮报警LED输出 LED0
    food_feed_led: out std_logic;               -- 喂食LED输出 LED1
    HEX0: out std_logic_vector(6 downto 0);     -- 数码管HEX0段码（重量个位）
    HEX1: out std_logic_vector(6 downto 0);     -- 数码管HEX1段码（重量十位）
    HEX2: out std_logic_vector(6 downto 0);     -- 数码管HEX2段码（重量百位）
    HEX3: out std_logic_vector(6 downto 0);     -- 数码管HEX3段码（次数N）
    HEX4: out std_logic_vector(6 downto 0);     -- 数码管HEX4段码（分钟个位）
    HEX5: out std_logic_vector(6 downto 0);     -- 数码管HEX5段码（分钟十位）
    HEX6: out std_logic_vector(6 downto 0);     -- 数码管HEX6段码（小时个位）
    HEX7: out std_logic_vector(6 downto 0)      -- 数码管HEX7段码（小时十位）
  );
end pet_smart_feeder;