隨著當今社會工作和生活節奏的加快，人們對許多電器" title="電器">電器、儀器、設備的自動化要求也越來越高，但現有的許多電器還不具備定時開啟和關閉功能，許多需要在固定時間開關" title="開關">開關的裝置，還需人工值守和操作，因此設計帶有時鐘顯示功能的多個電器定時開關控制" title="控制">控制系統，具有實際意義。
2系統功能及操作
系統上電時復位，時鐘顯示為0時0分0秒，按下"時間"設置鍵設定時間，數字鐘開始工作，數碼管顯示當前時間；按下"開啟電器編號"設置鍵，再按下要定時開啟的電器編號，對應發光二極管亮，表示設置有效；按下"電器開啟時間"設置按鍵；再依次輸入4位十進制的小時和分鐘，作為開啟時間；按下"電器關閉時間"設置按鍵，再依次輸入4位十進制的小時和分鐘，作為關閉時間。至此定時開關設置完成，對于電飯鍋等具有保持功能的電器，則不用設置定時關閉。使用Verilog HDL編寫CPLD" title="CPLD">CPLD程序，理論上可同時設置多個電器的定時自動開啟，本設計可同時設置3個電器。
3硬件設計
硬件設計采用Altera公司的CPLD EPM7128SLC84-6，簡化了外圍電路，穩定性和可靠性高，成本低。220 V、50 Hz工頻電源經變壓器、電橋整流后通過三端穩壓器，提供工作電壓，其電源電路如圖1所示。
外接4×4鍵盤，使用較少的I／O端口線就可實現對較多按鍵的控制。當有鍵按下時，kb為低電平，CPLD的按鍵掃描部分采用動態掃描方式進行識別。設置14個按鍵，分別為0～9十個數字鍵和設定時間、開啟電器編號、電器開啟時間、電器關閉時間4個功能鍵，其余兩個留作功能擴展。4×4鍵盤電路如圖2所示。
本系統設計使用6個數碼管顯示時間，3個發光二極管標志是否定時。電器開啟信號經三極管放大后接繼電器，通過繼電器吸合導通電源線，開啟電器。
4軟件設計
Verilog HDL是硬件設計人員和QuartusⅡ界面之間的交互手段，其具體物理建模能力強，設計方便，可讀性好，語法類似C語言，與VHDL相比，更容易學習和掌握，與原理圖設計法相比，設計和分析更容易，可避免考慮畫面的布局及美觀，修改也方便。本設計CPLD部分完全使用Verilog HDL編寫。
4.1按鍵掃描及鍵值讀取
CPLD檢測到kb下降沿時，表示有鍵按下時，為防止按鍵抖動，延時一段時間再檢測，若確有鍵按下，CPLD采用低電平逐行掃描，待找到按鍵時，根據掃捕得到的數值，確定按鍵值。對于無效按鍵，設按鍵值為"15"。輸入信號kb的下降沿觸發對鍵值的讀取，可保證對于每一次按鍵，僅作一次處理。主要程序如下：
4.2功能鍵的判斷
程序初始化時為設定時間、開啟電器編號、電器開啟時間、電器關閉時間4個功能鍵設置對應按鍵值。定義功能標志寄存器fun，并使用格雷碼標志各個功能，相鄰兩個功能的編碼僅有一位不同，可避免狀態跳變，比目前常用的獨熱碼節省CPLD邏輯單元。由于本設計中寄存器fun只有5個狀態，選用3位格雷碼，并對編碼方式進行改進。根據上一步得到的按鍵值判斷具體要實現哪個功能，并依此設置fun的值，如下所示：
4.3數字鍵的判斷和處理
先根據鍵值判斷是哪一個數字鍵，再根據功能標志寄存器fun判斷進行哪項設置。若正在進行的是時間設置，則將時間寄存器左移4位，將數字值存入低位；若為設定需要開啟電器的編號狀態，則電器編號數組num對應位置"1"，并通過電阻使相應發光二極管點亮，否則為"0"；若為設定電器開啟時間狀態，相應電器的開啟時間寄存器timeon左移4位，將數字值存入低位；若為設定電器關閉時間狀態，相應電器的關閉時間寄存器timeoff左移4位，將數字值存人低位。若為無效按鍵，則不進行任何操作。
4.4數字鐘的工作
本系統設計作為數字鐘和定時器，對計時準確性要求較高．由有源晶體振蕩器提供系統時鐘，可保證其穩定度。在頂層模塊中對系統時鐘分頻，得到1 Hz時鐘，作為數字鐘部分行波時鐘。這樣減少了片內各觸發器之間的時鐘偏移，事實證明，對設計時序無不良影響。先將沒定的時間送人小時、分鐘對應的寄存器hour和min，為了顯示和用戶操作方便，用6位二進制寄存器，以8421BCD碼表示時間。如果秒為8'h59則秒寄存器sec清零，分鐘值加1，若秒值末位為"9"，則秒值末位清零，秒值十位加1。
4.5判斷電器的開啟和關閉
若當前時間與某個已定時的電器的開啟時間相同，則開啟寄存器數組on對應位輸出高電平，開啟對應電器；若與某個已定時的電器的關閉時間相同，則開啟寄存器數組on對應位輸出低電平，關閉對應電器。
4.6顯示
對應不同的狀態，數碼管顯示不同值。時鐘設置狀態，顯示當前時間；開啟電器編號設置狀態，顯示欲開啟的電器編號；電器開啟時間設置狀態，屁示電器應開啟的時間；電器關閉時間設置狀態，顯示電器應關閉的時間。
具體實現時，由系統時鐘控制，分時點亮各個數碼管，可節約能源。由于時間很快，而人眼存在視覺暫留，看上去6個數碼管均同時顯示。在CPLD中編程實現數碼管的七段譯碼，可節省外同電路。
5 結語
本設備設定開啟、關閉時間為一天之內的任意時間，滿足一般使用要求，亦可作為數字時鐘使用。由晶體振蕩器提供時鐘，計時精準，使用常見器件設計，實現方便，成本低，耗電少，體積小，重量輕，工作可靠。可用于定時開啟家用電器，如通過提前設置，下班回家時電飯鍋已經把飯做熟。空調已經開啟，飲水機已經燒好開水，熱水器已經燒好洗澡水等。也可用于辦公樓里上下班自動響鈴裝置，工廠里需要定時開關的設備，以及一些手動操作開關不安全的地方，具有實用價值。