14 ~ 17일차 mini Project4 - 공기 조화 설비 HVAC_System

2025.07.17 ~ 2025.07.22

 

 

📦 BESPOKE 스마트 가전 FPGA 시스템

다양한 센서 및 액추에이터를 통합하여 구현한 스마트 가전 시뮬레이션 FPGA 프로젝트

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📌 프로젝트 개요

이 프로젝트는 Vivado 기반 Basys3 보드에서 다음과 같은 스마트 가전 기능을 통합적으로 구현합니다:

• 초음파 거리 측정
• DHT11 온습도 센서 기반 HVAC 제어
• 전자레인지 기능 (타이머, 서보 제어, 부저 알림)
• UART 통신을 통한 측정값 전송 및 외부 명령 수신
• 스톱워치 / IDLE 애니메이션

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🎯 주요 기능

모드 설명

MODE 0 (Idle)	FND 순환 애니메이션 표시 (대기 상태)
MODE 1 (공조기 자동)	온습도 + 초음파 거리 측정 → 자동 모터 제어 (측정 온도 기준 PWM) + UART 전송
MODE 2 (공조기 수동)	온습도 측정 + 스위치·버튼으로 설정한 희망 온도에 따라 DC 모터 제어 + UART 전송
MODE 3 (전자레인지)	시간 설정 + 조리 동작 FSM + 서보모터 제어 + 종료시 부저 알림
MODE 4 (스톱워치)	실시간 스톱워치 카운트 FND 표시

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📡 UART 포맷 명세

데이터 종류 포맷 예시 설명

초음파 거리	Dist:0123cm	거리 측정 결과 (cm)
온도/습도	Temp:27.06C Humi:64.00%	정수 2자리 + 소수 2자리로 전송
오류 메시지	Error: DHT fail	DHT11 측정 실패 시 전송 (예정 기능)

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⚙️ 사용한 주요 모듈

센서 및 제어

• hcsr04.v: 초음파 거리 측정
• dht11_controller.v: 온습도 센서 제어 FSM
• manual_temp_controller.v: 수동 온도 설정 FSM
• hvac_pwm_dcmotor.v: 온도 기반 DC 모터 제어
• mw_controller.v, mw_servo_motor.v: 전자레인지 FSM

디스플레이 및 출력

• fnd_controller.v: 7-segment 표시 제어
• idle_fnd.v: IDLE 모드 애니메이션
• buzzer_controller.v: 부저 제어
• uart_tx.v, data_sender.v: UART 통신

공통 모듈

• button_debounce.v: 버튼 디바운싱
• tick_generator.v: 1Hz / 1us 등 클럭 분주기

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🔁 FSM 다이어그램 요약 (Mermaid)

🧠 DHT11 FSM

stateDiagram-v2
    [*] --> IDLE
    IDLE --> SEND_REQUEST: after 3s
    SEND_REQUEST --> WAIT_RESPONSE_LOW: after 18ms
    WAIT_RESPONSE_LOW --> WAIT_RESPONSE_HIGH: falling edge detected
    WAIT_RESPONSE_HIGH --> READ_DATA: rising edge detected
    READ_DATA --> VERIFY_CHECKSUM: 40bit done
    VERIFY_CHECKSUM --> IDLE

🚶‍♂️ 초음파 FSM

stateDiagram-v2
    [*] --> WAIT
    WAIT --> TRIGGER: tick_1Hz
    TRIGGER --> WAIT_ECHO: 10us pulse sent
    WAIT_ECHO --> MEASURE: echo rising edge
    MEASURE --> DONE: echo falling edge
    DONE --> WAIT: latch value, wait for next tick

🌬️ 공조기 FSM (HVAC 제어)

stateDiagram-v2
    [*] --> IDLE
    IDLE --> AUTO_CONTROL: btnL (mode change)
    AUTO_CONTROL --> READ_DISTANCE: tick_1Hz
    AUTO_CONTROL --> READ_TEMPERATURE: tick_1Hz
    READ_DISTANCE --> DISABLE_MOTOR: distance <= 5cm
    READ_DISTANCE --> SET_PWM: distance > 5cm
    READ_TEMPERATURE --> EVALUATE_TEMP
    EVALUATE_TEMP --> MANUAL_CONTROL: btnL (mode change)
    MANUAL_CONTROL --> APPLY_TARGET_TEMP: sw[1] == 1 / btnU(Temp↑), btnD(Temp↓)
    APPLY_TARGET_TEMP --> SET_PWM: 희망 온도 기준 제어
    EVALUATE_TEMP --> SET_PWM: 측정된 온도 기준 자동 제어
    DISABLE_MOTOR --> SET_PWM

🔥 전자레인지 FSM

stateDiagram-v2
    [*] --> IDLE
    IDLE --> SET_TIME: btn_inc/dec
    SET_TIME --> COOKING: btn_start
    COOKING --> COMPLETE: time = 0
    COMPLETE --> DOOR_OPEN: btn_open
    DOOR_OPEN --> DOOR_CLOSE: btn_close
    DOOR_CLOSE --> IDLE

⏱ 분초시계 / 스톱워치 FSM

stateDiagram-v2
    [*] --> IDLE
    IDLE --> IDLE: btnD (circle speed control)
    IDLE --> MINSEC_WATCH: btnR
    MINSEC_WATCH --> STOPWATCH: btnR
    STOPWATCH --> IDLE: btnR
    STOPWATCH --> STOPWATCH: btnC (pause / resume)
    STOPWATCH --> STOPWATCH: tick_1Hz (count up)
    STOPWATCH --> STOPWATCH: btnU (reset time)

🧩 상세 구현 기능 정리

압축파일 내 Verilog 소스 기준으로 구현된 각 기능은 다음과 같습니다:

✅ 센서 및 입력 처리

파일명 기능 설명

hcsr04.v	HC-SR04 초음파 센서 구동 및 거리 측정
dht11.v / dht11_controller.v	DHT11 온습도 센서 통신 FSM
manual_temp_controller.v	스위치 기반 수동 온도 설정 FSM
button_debounce.v	버튼 디바운싱 회로 구현 (노이즈 방지)

✅ DC 모터 / HVAC 제어

파일명 기능 설명

hvac_pwm_dcmotor.v	자동/수동 온도에 따라 DC 모터 PWM 제어
pwm_dcmotor.v, pwm_duty_cycle_control.v	일반 DC 모터 제어용 PWM 회로

✅ 전자레인지 시스템

파일명 기능 설명

microwave.v	전체 전자레인지 시스템 통합
mw_controller.v, mw_fsm_controller.v	조리 상태 FSM 제어
mw_servo_motor.v	서보 모터로 문 여닫기
mw_time_controller.v	조리 시간 설정 및 카운트

✅ 디스플레이 및 시각 출력

파일명 기능 설명

fnd_controller.v, fnd_controller_2.v	7-세그먼트 디스플레이 제어
idle_fnd.v	IDLE 모드 애니메이션 출력
sw_fnd_controller.v, dht11_fnd_controller.v	스톱워치 및 온습도 값 디스플레이

✅ 스톱워치 / 타이머

파일명 기능 설명

minsec_stopwatch.v	분/초 단위 스톱워치 카운트 FSM
sw_controller.v	스톱워치 모드 전환 및 동작 FSM

✅ 부저 제어

파일명 기능 설명

buzzer_top.v	전체 부저 시스템 통합
power_on_buzzer.v, open_buzzer.v	버튼 기반 부저 제어
ultra_buzzer_controller.v	거리 경보용 부저 제어 FSM

✅ UART 통신

파일명 기능 설명

uart_tx.v, uart_rx.v	송수신 회로
uart_controller.v	전체 UART 통신 제어
data_sender.v, dht11_data_sender.v	UART 전송 포맷 관리

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📽️ 시연 영상

영상 종류 링크

📦 전체 동작 영상	동작 영상 보러가기
📡 UART 통신 영상	comportmaster 출력 영상

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💬 사용법

1. Vivado로 프로젝트 열기 (15.BESPOKE.xpr)
2. Top Module: top
3. bitstream 생성 후 Basys3에 다운로드
4. 스위치/버튼 조작 및 comportmaster로 UART 결과 확인

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🔌 배선 및 Basys3 핀 할당 요약

기능 핀 이름 연결 포트명

메인 클럭	W5	clk
리셋 버튼	R2	reset
스위치	V17 \~ R2	sw[0] ~ sw[14]
버튼	W19, U18, T17, T18, U17	btn[0] ~ btn[4]
LED	U16 \~ L1	led[0] ~ led[15]
7세그먼트	W7 \~ V7	seg[0] ~ seg[7]
Anode	U2, U4, V4, W4	an[0] ~ an[3]
초음파 센서	B15, B16	echo, trig
DHT11 데이터	R18	dht11_data (pull-up 적용)
부저	K17	buzzer
DC 모터 제어	JA1\~JA3	PWM_OUT, in1_in2[0], in1_in2[1]
서보모터	JA4	PWM_SERVO
HVAC DC 모터 제어	J3, L3, M2	PWM_OUT_HVAC, in1_in2_HVAC[0], in1_in2_HVAC[1]
UART 통신	A18, B18	RsTx, RsRx

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🛠 개발 환경

• Vivado 2021.1
• Basys3 FPGA 보드
• comportmaster 또는 Tera Term
• 100MHz 시스템 클럭 기준

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✍️ 참고 및 기여

이 프로젝트는 임베디드 시스템, 센서 통합, 하드웨어 제어, UART 통신 등 실전 회로 설계 능력을 종합적으로 훈련하기 위해 설계되었습니다.

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