数字万年历温湿度计 Verilog QuartusII

# 设计文档

## 项目信息

**名称：** 数字万年历温湿度计 Verilog QuartusII

**软件：** QuartusII

**语言：** Verilog

## 代码功能

本项目实现了一个基于FPGA的多功能数字万年历系统，集成了时间显示、日期显示和环境监测功能。系统具备以下核心功能：

- **实时时钟功能**：通过DS1340Z时钟芯片实现精确的时、分、秒显示，采用24小时制
- **万年历功能**：显示年、月、日、星期信息，支持用户手动校准
- **温湿度监测**：集成SHT20传感器，实时测量并显示环境温度和湿度
- **双模式显示**：支持时间日期模式和温湿度模式的切换显示
- **多种输入方式**：支持4×4矩阵键盘和旋转编码器两种输入方式
- **数码管显示**：采用8位七段数码管动态扫描显示，支持小数点控制

系统通过I2C总线与外部传感器通信，采用模块化设计确保各功能模块独立工作且协调配合。

本代码已在小脚丫开发板验证

编辑

## 代码实现思路

### 整体架构
系统采用分层模块化设计，主要分为以下几个层次：

1. **硬件接口层**：包括I2C通信、数码管驱动、按键检测等底层硬件控制
2. **数据处理层**：负责温湿度数据转换、BCD码转换、时间数据处理
3. **控制逻辑层**：实现模式切换、显示控制、用户交互逻辑
4. **显示驱动层**：控制8位数码管的动态扫描显示

### 核心算法
- **I2C通信协议**：实现与DS1340Z时钟芯片和SHT20温湿度传感器的标准I2C通信
- **温度计算**：T = -46.85 + 175.72 × T_code / 2^16，通过定点运算实现浮点计算
- **湿度计算**：RH = -6 + 125 × H_code / 2^16，采用类似的定点运算方法
- **BCD转换**：将二进制数据转换为BCD码，便于数码管显示
- **按键消抖**：采用计数器方式实现按键信号的消抖处理

### 状态机设计
系统采用多个状态机协同工作：
- **主控状态机**：控制系统整体运行流程和模式切换
- **I2C状态机**：管理I2C通信的START、WRITE、READ、STOP等状态
- **显示状态机**：控制数码管的扫描显示时序

## 代码结构

### 主要模块说明

**`Digtal_Calender` 模块**
- 系统顶层模块，集成所有子模块并实现顶层控制逻辑

**`DS1340Z_driver` 模块**
- DS1340Z实时时钟芯片驱动，实现时间的读取和设置功能

**`SHT20_Driver` 模块**
- SHT20温湿度传感器驱动，负责温湿度数据的采集

**`Calculate` 模块**
- 温湿度数据计算模块，将传感器原始数据转换为实际温湿度值

**`mode_ctrl` 模块**
- 模式控制模块，处理用户输入并控制系统运行状态

**`Array_KeyBoard` 模块**
- 4×4矩阵键盘扫描模块，实现按键检测和编码

**`Encoder` 模块**
- 旋转编码器处理模块，检测旋转方向和脉冲信号

**`Debounce` 模块**
- 按键消抖模块，消除按键机械抖动产生的干扰

**`Decoder` 模块**
- 显示模式切换控制模块，处理时间和温湿度显示的切换

**`Segment_scan` 模块**
- 数码管扫描显示模块，实现8位数码管的动态显示控制

**`bin_to_bcd` 模块**
- 二进制到BCD码转换模块，为数码管显示提供数据格式转换

部分代码展示：

//1. 时间显示功能：包括小时、分钟、秒，采用24小时显示方式?//2. 日期显示功能：包括年、月、日、星期?//3. 实际温度和湿度显示功能?//4. 使用键盘或旋转编码器作为输入，进行日期和时间的校准和日期时间温湿度的显示切换。// --------------------------------------------------------------------module?Digtal_Calender(input				clk,		//系统时钟input				rst_n,		//系统复位，低有效//矩阵键盘input			[3:0]	col,output			[3:0]	row,//旋转编码器input				key_a,		//旋转编码器A管脚input				key_b,		//旋转编码器B管脚input				key_o,		//旋转编码器D管脚//时钟芯片output			reg i2c_scl,	//I2C总线SCLinout				reg i2c_sda,	//I2C总线SDA//数码管控制output				seg_rck,	//74HC595的RCK管脚output				seg_sck,	//74HC595的SCK管脚output				seg_din		//74HC595的SER管脚);wire		[15:0]	key_out;wire		[15:0]	key_pulse;reg		[3:0]	dat_1;		//SEG1 显示的数据输入reg		[3:0]	dat_2;		//SEG2 显示的数据输入reg		[3:0]	dat_3;		//SEG3 显示的数据输入reg		[3:0]	dat_4;		//SEG4 显示的数据输入reg		[3:0]	dat_5;		//SEG5 显示的数据输入reg		[3:0]	dat_6;		//SEG6 显示的数据输入reg		[3:0]	dat_7;		//SEG7 显示的数据输入reg		[3:0]	dat_8;		//SEG8 显示的数据输入reg		[7:0]	dat_en_dis;		//数码管数据位显示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]reg		[7:0]	dot_en_dis;		//数码管小数点位显示使能，[MSB~LSB]=[SEG1~SEG8]wire ? ? select_display;wire ? ? shift_p;wire ? ? shift_n;wire shift_rst_n;assign shift_rst_n=~(shift_p | shift_n);//温湿度芯片wire			i2c_scl_THM;	//I2C时钟总线wire			i2c_sda_THM;	//I2C数据总线//时钟芯片wire ? ? ? ?i2c_scl_TM;wire ? ? ? ?i2c_sda_TM;//矩阵键盘控制Array_KeyBoard?u0(.clk					(clk			),.rst_n				(rst_n			),.col					(col			),.row					(row			),.key_out				(key_out		),.key_pulse			(key_pulse		));wire L_pulse,R_pulse;Encoder?u1(.clk				(clk		),	//系统时钟 12MHz.rst_n				(rst_n		),	//系统复位 低有效.key_a				(key_a		),	//旋转编码器EC11的A脚.key_b				(key_b		),	//旋转编码器EC11的B脚.L_pulse			(L_pulse	),	//左旋脉冲输出.R_pulse			(R_pulse	)	//右旋脉冲输出);wire O_jit,O_pulse,O_state;//key debounce moduleDebounce?u2(.clk				(clk		),	//系统时钟 12MHz.rst_n				(rst_n		),	//系统复位 低有效.key_n				(key_o		),	//按键信号输入.key_jit			(O_jit		),	//延时消抖输出.key_pulse			(O_pulse	),	//消抖脉冲输出.key_state			(O_state	)	//消抖翻转输出);