基于FPGA的微波爐控制器設計開題報告

1、1 選題的目的和意義1.1 選題的背景在現代人快節(jié)奏生活中，微波爐已成為便捷生活的一部分。隨著控制技術和智能技術的發(fā)展，微波爐也向著智能化、信息化發(fā)展。而現有市售的微波爐其主要弊端為：不能按既有程序進行烹調，需要使用者根據食物的類型、數量、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生過熱碳化的現象，若時間過短則達不到預期的烹調效果。不僅在節(jié)能方面未做過多考慮，使用者還需要經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效果好的微波爐，根據一些家常菜按固定程序烹調的現象，可采取分時、分檔火力加熱，節(jié)時又節(jié)能。1.2 設計

2、的目的和意義目前大部分微波爐控制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，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、火力檔位選擇、烹飪計時、溫度控制、顯示譯碼和音效提示等功能，基于fpga 芯片實現。該微波爐控制系統(tǒng)，除實現常規(guī)的解凍、烹調、烘烤的基本功能外，還進行了創(chuàng)新設計，實現了微波爐的自定義設置。本系統(tǒng)控制部分以fpga芯片為核心，通過功能按鍵設置和手動數據輸入，完成不同功能時自動以預置方案或者自定義方案加熱。其中，預制方案提供烹調、烘烤、解凍等系統(tǒng)烹調流程，僅供用戶選擇，無需設置；而自定義方案，用

3、戶根據食物含量、重量等手動設置時間、溫度和選擇火力等操作。在烹飪過程中，能通過數碼管顯示或者指示燈提示知道食物的成熟度，可以智能控制。該系統(tǒng)在功能執(zhí)行時，能實現門開關檢測、鍵盤輸入掃描、溫度控制、led顯示、工作狀態(tài)指示、蜂鳴等。1.3 選題的技術現狀目前大部分微波爐控制器采用單片機進行設計，電路比較復雜，性能不夠靈活。本文采用先進的eda技術，利用quartus ii工作平臺vhdl設計語言，設計一種新型的微波爐控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)用vhdl 編程實現各底層模塊的功能，頂層設計用圖形輸入完成。該系統(tǒng)具有系統(tǒng)復位、時間設定、烹飪計時、溫度控制和音效提示等功能，在fpga上實現。2 題目的主要內容

4、本課題是基于fpga的微波爐控制器設計，即設計一個具備定時、溫控、信息顯示和音響效應提示功能的微波爐控制器，實現一些功能：l 該微波爐控制器能夠在任意時刻取消當前工作，復位為初始狀態(tài)。l 可以根據需要設置烹調時間的長短，系統(tǒng)最長的烹調時間為59分59秒；開始烹調后，能夠顯示剩余時間的多少。l 可以根據需要設置烹調最高溫度值，系統(tǒng)最高的烹調溫度為999；開始烹調后，能夠顯示系統(tǒng)當前溫度值。l 可以控制火力大小，供選擇的火力檔位有高、中、低三個火力檔位。l 音響效應提示直接外接一個蜂鳴器，同時用一個指示燈提示。l 顯示微波爐控制器的烹調狀態(tài)。2.1 設計的總體結構描述本系統(tǒng)主要由輸入、控制和顯示部

5、分組成。輸入部分主要完成用戶對控制功能的設置，采用按鍵作為輸入設備?？刂撇糠质潜鞠到y(tǒng)的核心，它接收用戶的輸入，完成相應的控制邏輯功能，并將當前的工作狀態(tài)等信息送到顯示部分。顯示部分主要監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)并提示用戶進行控制操作。以下是該系統(tǒng)功能模塊圖，如圖2.1所示圖2.1 系統(tǒng)功能模塊圖2.1.1 設計的各個功能模塊描述(1) 輸入模塊輸入模塊主要完成用戶對控制功能的設置，采用按鍵作為輸入設備。由于實驗室已有設備限制，本系統(tǒng)采用鍵盤進行輸入設置，即由一個4*4矩陣鍵盤實現數據輸入控制。該矩陣鍵盤上16個按鍵分別是：10min 1min/100/high 10sec/10/middle 1sec/

6、1/low /+1 復位 暫停/取消 測試 /-1 火力設定 溫度設定 時間設置 烹調 烘烤 解凍 開始/確認。輸入模塊包括時鐘脈沖電路、鍵盤掃描電路、消枓同步電路和鍵盤譯碼電路，通過該模塊將掃描得到的按鍵值送到控制模塊。(2) 控制模塊控制模塊是本系統(tǒng)的核心，它接收用戶的輸入，完成相應的控制邏輯功能，并將當前的工作狀態(tài)等信息送到顯示部分。控制模塊采用fpga芯片作為主控核心，完成許多復雜的控制和數據處理任務。它通過輸入模塊提供的按鍵輸入實現數據信息裝載處理，并將處理結果通過顯示模塊顯示出來。其涉及到數據的裝載、狀態(tài)轉換控制、烹飪計時、溫度控制、火力控制、音響效應提示等。(3) 顯示模塊顯示模

7、塊主要監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)并提示用戶進行控制操作。采用七段數碼管和發(fā)光二極管來實現。由于數碼管顯示信息較少，一些信息用數碼管顯示不夠直觀，因此本系統(tǒng)在采用數碼管顯示的同時，還用發(fā)光二極管作為輔助顯示。其中，用七段數碼管作為時間、溫度、火力大小顯示，用發(fā)光二極管作為狀態(tài)提示顯示。具體設計時，采用4位led數碼管顯示加熱倒計時，3位led數碼管顯示當前溫度值，1位led數碼管顯示當前火力檔位。8個狀態(tài)提示指示燈分別表示：工作狀態(tài)、開門指示、測試、烹調、烘烤、解凍、意外報警、完成提示。2.2 設計的預期結果系統(tǒng)預計操作流程：上電后，系統(tǒng)首先處于一種復位狀態(tài)，其各電路模塊均處于初始狀態(tài)。此時，8個數碼管上

8、會顯示“88888888”的信息，所有指示燈亮。按test鍵，數碼管和發(fā)光二極管全亮、全滅交替閃爍，可以測試數碼管和指示燈工作是否正常。系統(tǒng)工作時，首先通過鍵盤輸入數據，比如，按烹調、烘烤、解凍鍵選擇系統(tǒng)預置方案，或者按時間設置鍵設置時間，按溫度設定鍵設置溫度，按火力選擇鍵選擇火力，結合10min、1min/100/high、10sec/10/middle、1sec/1/low按鍵進行自定義方案設置，設置結束以后，表示數據裝載完成，按start鍵后系統(tǒng)進入烹調狀態(tài)。在烹飪過程中，可以按暫停/取消鍵暫停烹飪，或者重新設置時間、溫度、火力。烹飪結束后，系統(tǒng)會發(fā)出音效提示，同時，系統(tǒng)自動進入復位狀態(tài)

9、。其對應的系統(tǒng)流程圖如下：圖2.2 系統(tǒng)流程圖其相應的鍵盤控制布局如下所示：圖2.3 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、加熱倒數計時、溫度控制、顯示測試以及結束時音效提示等功能。3 設計的技術路線3.1 開發(fā)工具和開發(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) 輸入模塊輸入模塊采用4*4矩陣鍵盤作為輸入設備，實現數據輸入控制。矩陣鍵盤是一種常見的輸入裝置，在日常生活中，矩陣鍵盤在計算機、電話、手機、微波爐等格式電子產品上已經被廣泛應用，計算機鍵盤

10、通常采用行列掃描法來確定所按下鍵的行列位置。由于鍵盤按鍵是一種機械開關，所以設計其控制電路時，需要涉及到鍵盤掃描、鍵盤譯碼，光靠矩陣鍵盤是無法完成按鍵輸入工作的。其中鍵盤掃描又涉及到時序產生、按鍵掃描和消除抖動。（2）控制模塊控制模塊是整個微波爐控制器系統(tǒng)的核心，完成許多復雜的控制和數據處理任務，它通過輸入模塊提供的按鍵輸入實現數據信息裝載處理，控制顯示模塊顯示相應的信息?？刂颇K采用fpga芯片作為主控芯片，其涉及到數據的裝載、狀態(tài)控制轉換、烹飪計時、溫度控制、火力控制、音效提示等。其中，狀態(tài)控制轉換子模塊，其功能是控制微波爐工作過程中的狀態(tài)轉換，并發(fā)出相關控制信號。數據裝載子模塊，其功能是

11、根據按鍵信號設置定時時間、最高溫度、火力檔位，烹調屬性設置以及烹調數據信息裝載。烹飪計時子模塊，其功能是對時鐘進行減法計數，提供烹調完成時的狀態(tài)信號。溫度控制子模塊，其功能是在食物烹飪過程中進行溫度測定和控制，它同時實現火力控制。音效控制子模塊，其功能是控制微波爐工作時的音效提示，這里直接外接一個蜂鳴器實現該功能。其功能子模塊圖如下，圖3.1所示：3.1 控制模塊功能子模塊圖其中，狀態(tài)轉換控制子模塊kzq的功能是控制微波爐工作過程中的狀態(tài)轉換，并發(fā)出有關控制信息；數據裝載子模塊zzq的功能是根據kzq發(fā)出的控制信號選擇系統(tǒng)預置方案或者根據自定義方案設定烹飪時間、設置最高溫度值、選擇火力檔位等烹

12、飪數據信息裝載完成；烹飪計時子模塊jsq的功能是負責烹飪過程中的時間遞減計數，是整個微波爐控制器的核心之一；溫度控制子模塊kwq的功能是根據數據裝載器zzq設置的烹飪數據信息進行溫度測定和控制，包括溫度的測定和控制兩部分；音效控制子模塊alarm的功能是當定時時間到和溫度達到設定值時，進行音響提示。(3)顯示模塊顯示部分采用七段數碼管和發(fā)光二極管來實現。外觀顯示上，采用4位led數碼管顯示加熱倒計時，3位led數碼管顯示當前溫度值，1位led數碼管顯示當前火力檔位。8個狀態(tài)提示指示燈分別表示：工作狀態(tài)、開門指示、測試、烹調、烘烤、解凍、意外報警、完成提示。具體設計時，需涉及到動態(tài)掃描和顯示譯碼

13、。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可行性分析、投資/效益分析、組織管理可行性分析，確定系統(tǒng)是否可行。1）技術可行性：本系統(tǒng)的關鍵技術在于采用eda技術作為開發(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技術也是一門相當成熟的技術，實驗室也提供有現成的應用軟件等，對開發(fā)是有利的，因此技術上是可行的。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)、調試運行、仿真測試、結果驗證等。還可以再網上下載一些免費的資源，比如m

14、ax+plusii工作平臺。由此可見平臺上是可行的。3）經濟可行性：由于系統(tǒng)所搭建的平臺，以及所用到的資源幾乎都是現成提供，另外，還可以以現有網絡資源為依據，以輔導老師的指導為參考，根據已學知識，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。隨著控制技術和智能技術的發(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)除實現常規(guī)的解凍、烹調、烘烤基本功能外,還進行了創(chuàng)新設計,實現了微波爐面板關閉

15、的自動監(jiān)測、智能控制等。所以，從現實角度講，具有社會可行性。技術可行性，平臺可行性，經濟可行性，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：控制模塊中的計時部分和溫度控制部分難點：溫度控制部分，在具體實現過程中還需要仔細考慮。4 設計的時間進度安排序號內容時間安排1調研，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。2010.03.15-2010.05.094系統(tǒng)調試2010.05.10-2010.05.305撰寫畢業(yè)設計報告，準備答辯2010.05.31-2010.06.185 已有的參考文獻1 李華mcs- 5