基于FPGA的微波爐控制器設計

1、1 選題的目的和意義1.1 選題的背景隨著生活水平的不斷提高, 人們對家用電器的功能和質(zhì)量的要求越來越高。而現(xiàn)有市售的微波爐其主要弊端為: 不能按既有程序進行烹調(diào), 需要使用者根據(jù)食物的類型、數(shù)量、溫度等因素去設定微波爐的工作時間, 若設定的工作時間過長, 含水分較多的食物可能會產(chǎn)生過熱碳化的現(xiàn)象, 若時間過短則達不到預期的烹調(diào)效果。 不僅在節(jié)能方面未做過多考慮，使用者還需要經(jīng)常翻看使用說明書才能完成操作過程。針對這些問題, 筆者認為有必要研制一種操作簡單且烹調(diào)效果好的微波爐，根據(jù)一些家常菜按固定程序烹調(diào)的現(xiàn)象，可采取分時、分檔火力加熱，節(jié)時又節(jié)能。1.2 設計的目的和意義目前大部分微波爐控制

2、器采用單片機進行設計，電路比較復雜，性能不夠靈活。本設計采用先進的eda 技術(shù)，利用vhdl 設計語言，設計一種新型的微波爐控制器，該控制器具有系統(tǒng)復位、狀態(tài)控制、時間設定、火力檔位、烹飪計時、溫度控制、顯示譯碼和音響效應等功能，基于fpga 芯片實現(xiàn)。1.3 選題的技術(shù)現(xiàn)狀應用fpga 芯片和硬件描述語言（vhdl）設計該微波爐控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)用vhdl 編程實現(xiàn)各底層模塊的功能，頂層設計用圖形輸入完成。設計依據(jù)如下：1）技術(shù)可行性：采用eda作為開發(fā)方法，vhdl語言為開發(fā)工具，通過設計和實驗，對開發(fā)的程序進行調(diào)試運行和波形仿真測試驗證，實現(xiàn)設計目標；2）經(jīng)濟可行性：合理利用實驗室已有軟

3、件、實驗箱、開發(fā)板，對該微波爐控制器設計進行開發(fā)、調(diào)試運行、仿真測試，以及結(jié)果驗證等；3）以現(xiàn)有網(wǎng)絡資源為依據(jù)，以輔導老師的指導為參考，根據(jù)已學知識，綜合該控制器設計要求，具體細化設計；2 題目的主要內(nèi)容本設計是基于fpga的微波爐控制器設計。2.1 設計的總體結(jié)構(gòu)描述該微波爐控制器系統(tǒng)可由以下幾個模塊組成：（1）狀態(tài)控制器kzq；（2）數(shù)據(jù)裝載器zzq；（3）烹調(diào)計時器jsq；（4）溫度控制器ktq；（5）顯示譯碼器ymq；（6）音響效應控制alarm；系統(tǒng)功能模塊如下：圖2.1 系統(tǒng)功能模塊圖系統(tǒng)各模塊之間的關系示意圖如下所示：圖2.2 模塊關系圖2.1.1 設計的各個功能模塊描述（1）狀

4、態(tài)控制器kzq的功能是控制微波爐工作過程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并發(fā)出有關控制信息。 kzq根據(jù)輸入信號和自身當時所處的狀態(tài)完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和輸出相應的控制信號。分為爐門開關狀態(tài)檢測和磁控管工作狀態(tài)控制兩個部分，在爐門開關狀態(tài)檢測部分，門開關狀態(tài)檢測用于檢測微波爐爐門是否關上, 若關上即可開始運行, 否則報警并等待爐門被關上；磁控管工作狀態(tài)控制部分，微波爐啟動后，通過由過零檢測電路檢測到的過零點個數(shù)來控制微波爐磁控管的停和轉(zhuǎn), 以實現(xiàn)對烹調(diào)過程的控制。磁控管工作時, 轉(zhuǎn)盤和風扇等也同時工作。（2）數(shù)據(jù)裝載器zzq的功能是根據(jù)kzq發(fā)出的控制信號選擇定時時間、火力檔位、測試數(shù)據(jù)、烹調(diào)屬性設置以及烹調(diào)數(shù)據(jù)信息

5、裝載完成。這里定時時間包括時間的設定、啟動定時、設置加時、時間設定后led燈的閃爍、顯示掃描的邏輯控制，因此涉及到定時計數(shù)、時間設定后led燈閃爍和led燈掃描的輸出信號；火力檔位控制包括高、中、低檔位控制，涉及到烹飪過程中食物解凍、烹調(diào)、燒烤等狀態(tài)信號的控制和保持。因系統(tǒng)中所使用的按鍵為開關式按鍵，即按鍵按下時產(chǎn)生有效信號，松開后有效信號消失，故用high、middle、low等狀態(tài)信號來標識高、中、低檔位。另外還配置有系統(tǒng)菜單，用于設置烹調(diào)屬性數(shù)據(jù)，從而使該控制器更智能化。（3）計時器jsq的功能是負責烹調(diào)過程中的時間遞減計數(shù)，是整個微波爐控制器的核心模塊。包括產(chǎn)生控制信號來控制磁控管的間

6、歇通電，以實現(xiàn)微波爐工作過程中食物解凍、加熱、烹調(diào)和燒烤等不同功能；提供烹調(diào)完成時的狀態(tài)信號使狀態(tài)控制器kzq進入復位狀態(tài)，產(chǎn)生烹調(diào)完成信號；同時控制揚聲器發(fā)出音樂提示烹調(diào)完畢。（4）溫度控制器ktq的功能是根據(jù)數(shù)據(jù)裝載器zzq定時時間的設定和火力檔位的選擇，以及計時器jsq計時過程中食物解凍、加熱、烹調(diào)和燒烤等不同環(huán)節(jié)進行溫度測定和控制。包括溫度的測定和控制兩部分。（5）顯示譯碼器ymq的功能就是負責將各種顯示信息的bcd轉(zhuǎn)換成七段數(shù)碼管顯示的驅(qū)動信息編碼。主要用于顯示定時時間、計時時間和提示信息，需要譯碼的信息有：數(shù)字09，字母d、o、n、e。（6）音響效應控制alarm的功能是根據(jù)計時器

7、jsq的定時時間到和溫度控制器ktq的溫度到達一定程度時，進行音響提示。該音響提示涉及到錯誤操作或意外發(fā)生時的警報提示和某一操作結(jié)束時的音樂提示。比如，當爐門開關未關上時, 電路啟動報警以提示用戶關上爐門；比如，若烹調(diào)過程中突然打開爐門, 也報警提示意外發(fā)生；比如，烹調(diào)時間到, 會有音樂提示用戶烹調(diào)結(jié)束。2.2 設計的預期結(jié)果系統(tǒng)預計操作流程如下：圖2.3 系統(tǒng)流程圖其相應的鍵盤控制布局如下所示：圖2.4 系統(tǒng)控制鍵布局圖通過預期，該微波爐控制器設計能夠達到多功能多檔位火力控制、能夠進行時間預置、加熱倒數(shù)計時、溫度控制、顯示測試以及結(jié)束時雙音頻提示音等功能。3 設計的技術(shù)路線3.1 開發(fā)工具和

8、開發(fā)環(huán)境硬件：pc機、便攜式eda/sopc/dsp實驗系統(tǒng)軟件：quartus ii 7.0 開發(fā)系統(tǒng)3.1.1 設計的思路與方法（1）狀態(tài)控制器kzq初步設計輸入信號為clk、test、start、set_t、reset和done，輸出信號為ld_done、ld_clk、ld_8888和cook信號。其中l(wèi)d_done指示zzq裝入烹調(diào)完畢的狀態(tài)信息“done”的顯示驅(qū)動信息數(shù)據(jù)；ld_clk指示zzq裝入設置的烹飪時間數(shù)據(jù)；ld_8888指示zzq裝入用于測試的數(shù)據(jù)“8888”以顯示驅(qū)動信息數(shù)據(jù)；cook指示烹飪正在進行之中，并提示計時器進行減計數(shù)。（2）數(shù)據(jù)裝載器zzq初步設計輸入信號

9、為ld_done、ld_clk、ld_8888，以及一些輸入數(shù)據(jù)信號，將high、middle、low等狀態(tài)信號設為隱含的控制信號。其中當ld_done為高電平時，輸出烹調(diào)完畢的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)；ld_clk為高電平時，輸出設置的烹飪時間數(shù)據(jù)：ld_8888為高電平時，輸出測試數(shù)據(jù)。輸出信號load用于提示jsq將處于數(shù)據(jù)裝入狀態(tài)。（3）計時器jsq在具體設計過程中，可用兩個減計數(shù)十進制計數(shù)器dcnt10和兩個減計數(shù)六進制dcnt6級聯(lián)構(gòu)成。其中l(wèi)oad為高電平時完成裝入功能，cook為高電平時執(zhí)行逆計數(shù)功能。輸出done指示烹調(diào)完成。min_h、min_l、sec_h和sec_l為完成烹調(diào)所剩的

10、時間以及測試狀態(tài)信息“8888”、烹調(diào)完畢的狀態(tài)信息“done”的bcd碼信息。（4）溫度控制器ktq 該部分包括溫度測定和在某一溫度情況下的輸出控制，其中溫度測定可以用模糊控制算法，根據(jù)物體表面發(fā)射的紅外線，通過紅外線溫度傳感器檢測出米飯表面發(fā)出的紅外線輻射能量，從而測定米飯的溫度。這里涉及到食物加熱前的初始溫度、食物勻速升溫階段的最高溫度以及食物升溫過程中的實時溫度，其實時溫度可以通過磁控管加熱功率模糊推得。在輸出控制部分，根據(jù)前面的溫度測定，在不同溫度情況下，進行定時計數(shù)計減、火力控制、以及輸出音響效應控制。（5）顯示譯碼器ymq采用串行口方法，利用串行口的移位寄存器功能實現(xiàn)串行顯示。采

11、用按鍵輸入，led 數(shù)碼管顯示的操作界面，按鍵分別為開關鍵，增數(shù)鍵，移位鍵，繼續(xù)執(zhí)行鍵，mode鍵，定時鍵。工作步驟：復位待機檢測顯示電路設置輸出功能和定時器初值啟動定時烹調(diào)、程序烹調(diào)和烘烤等。增數(shù)鍵主管有關溫度, 時間, 工作狀態(tài)的修改。移位鍵用于選中某一顯示單元以便于對相應數(shù)據(jù)做出修改。mode 鍵為菜單功能鍵, 主管對有關工作狀態(tài)的選擇, 開關鍵主管個工作狀態(tài)的通斷。（6）音響效應控制alarm在加熱計時結(jié)束時給出雙音頻提示音，一個高音一個低音，高音作為尖銳的警報提示音，低音作為輕微的音樂提示音。這里，根據(jù)兩提示音的頻率區(qū)分，其中一個頻率約為另一個頻率的50%，在具體內(nèi)部電路控制時，選取

12、統(tǒng)一電容值，這里可以選用c1= 0. 1u f，產(chǎn)生不同的頻率依據(jù)選配不同的電阻來實現(xiàn)，其中高音頻時，選取r1= 2k，r2= 6. 8k；低音頻時，選取r1= 3. 3k，r2= 10k；占空比d：d= (r1+ r2)/(r1+ 2r2)，應當接近50%，音質(zhì)較好。在具體音效輸出時，可根據(jù)時間觸發(fā)發(fā)出不同頻率的提示音，比如，當出現(xiàn)錯誤操作或意外發(fā)生時，觸發(fā)警報提示事件；當某一操作結(jié)束時，觸發(fā)音樂提示事件。3.2 可行性分析可行性研究就是對項目開發(fā)的可能性和必要性進行分析，避免盲目的投資。其中必要性和效益的分析，用以決定是否建立系統(tǒng)的前提條件。同時還要進一步進行技術(shù)可行性分析、投資/效益分析

13、、組織管理可行性分析，確定系統(tǒng)是否可行。1）技術(shù)可行性：本系統(tǒng)的關鍵技術(shù)在于采用eda技術(shù)作為開發(fā)方法，vhdl語言為開發(fā)工具，由于之前又開設了該門課程，而eda技術(shù)也是一門相當成熟的技術(shù)，實驗室也提供有現(xiàn)成的應用軟件等，對開發(fā)是有利的，因此技術(shù)上是可行的。2）平臺可行性：本系統(tǒng)以實驗室已有實驗箱作為開發(fā)板，可以對微波控制器設計進行開發(fā)、調(diào)試運行、仿真測試、結(jié)果驗證等。還可以再網(wǎng)上下載一些免費的資源，比如max+plusii工作平臺。由此可見平臺上是可行的。3）經(jīng)濟可行性：由于系統(tǒng)所搭建的平臺，以及所用到的資源幾乎都是現(xiàn)成提供，另外，還可以以現(xiàn)有網(wǎng)絡資源為依據(jù)，以輔導老師的指導為參考，根據(jù)已學

14、知識，綜合設計要求，具體細化設計，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，不需要為系統(tǒng)的開發(fā)而付額外的費用。所以，從經(jīng)濟角度講，系統(tǒng)的開發(fā)是可行的。4）社會可行性：隨著人民生活水平的提高，微波爐開始進入越來越多的家庭，它給人們的生活帶來了極大的方便。隨著控制技術(shù)和智能技術(shù)的發(fā)展,微波爐也朝著智能化、信息化的方向發(fā)展。而本次設計的可編程微波爐控制系統(tǒng)除實現(xiàn)常規(guī)的解凍、烹調(diào)、烘烤基本功能外,還進行了創(chuàng)新設計,實現(xiàn)了微波爐面板關閉的自動監(jiān)測、智能控制等。所以，從現(xiàn)實角度講，具有社會可行性。技術(shù)可行性，平臺可行性，經(jīng)濟可行性，和社會可行性都滿足，因此開發(fā)該微波爐控制器是可行的。3.3 重點與難點分析重點：計時控制部分和溫度控制部分。難點：溫度控制部分和音響效應控制部分，在具體實現(xiàn)過程中還需要仔細考慮。4 設計的時間進度安排序號內(nèi)容時間安排1調(diào)研，收集資料，準備開題2010.01.18-2010.02.242系統(tǒng)總體設計2010.03.1-2010.03.143各功能模塊具體實現(xiàn)。2010.03.15-2010.05.094系統(tǒng)調(diào)試2010.05.10-2010.05.305撰寫畢業(yè)設計報告，準備答辯2010.05.31-2010.06.176畢業(yè)答辯2010.06.18-2010.06.205 已有的參考文獻1 李華mcs- 51系列單