課程設(shè)計---基于fpga的微波爐控制器設(shè)計

1、<p><b>　　選題的目的和意義</b></p><p><b>　　選題的背景</b></p><p>　　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(shè)定微波爐的工作時間, 若設(shè)定的工作時間過長, 含水

2、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(dá)不到預(yù)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(rèn)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。</p><p><b>　　設(shè)計的目的和意義</b></p><p>　　

3、目前大部分微波爐控制器采用單片機進行設(shè)計，電路比較復(fù)雜，性能不夠靈活。本設(shè)計采用先進的EDA 技術(shù)，利用VHDL 設(shè)計語言，設(shè)計一種新型的微波爐控制器，該控制器具有系統(tǒng)復(fù)位、狀態(tài)控制、時間設(shè)定、火力檔位、烹飪計時、溫度控制、顯示譯碼和音響效應(yīng)等功能，基于FPGA 芯片實現(xiàn)。</p><p><b>　　選題的技術(shù)現(xiàn)狀</b></p><p>　　應(yīng)用FPGA 芯片和硬

4、件描述語言（VHDL）設(shè)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(shè)計用圖形輸入完成。</p><p><b>　　設(shè)計依據(jù)如下：</b></p><p>　　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(shè)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(shè)計目標(biāo)；</p><p>　

5、　2）經(jīng)濟可行性：合理利用實驗室已有軟件、實驗箱、開發(fā)板，對該微波爐控制器設(shè)計進行開發(fā)、調(diào)試運行、仿真測試，以及結(jié)果驗證等；</p><p>　　3）以現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源為依據(jù)，以輔導(dǎo)老師的指導(dǎo)為參考，根據(jù)已學(xué)知識，綜合該控制器設(shè)計要求，具體細(xì)化設(shè)計；</p><p><b>　　題目的主要內(nèi)容</b></p><p>　　本設(shè)計是基于FPGA的微波

6、爐控制器設(shè)計。</p><p><b>　　設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)描述</b></p><p>　　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(yīng)控制ALARM；</p><p><b>　　系統(tǒng)功能模塊如下：<

7、;/b></p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)功能模塊圖</p><p>　　系統(tǒng)各模塊之間的關(guān)系示意圖如下所示：</p><p>　　圖2.2 模塊關(guān)系圖</p><p>　　設(shè)計的各個功能模塊描述</p><p>　?。?）狀態(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(guān)控制信息。 KZQ根據(jù)

8、輸入信號和自身當(dāng)時所處的狀態(tài)完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和輸出相應(yīng)的控制信號。分為爐門開關(guān)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(guān)狀態(tài)檢測部分，門開關(guān)狀態(tài)檢測用于檢測微波爐爐門是否關(guān)上, 若關(guān)上即可開始運行, 否則報警并等待爐門被關(guān)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(fēng)扇等也同時工作。</p><p>

9、　?。?）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(shè)置以及烹調(diào)數(shù)據(jù)信息裝載完成。這里定時時間包括時間的設(shè)定、啟動定時、設(shè)置加時、時間設(shè)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(shè)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(guān)式按鍵，即按鍵按下時產(chǎn)生有

10、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(biāo)識高、中、低檔位。另外還配置有系統(tǒng)菜單，用于設(shè)置烹調(diào)屬性數(shù)據(jù)，從而使該控制器更智能化。</p><p>　?。?）計時器JSQ的功能是負(fù)責(zé)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?fàn)顟B(tài)控制器KZQ進入

11、復(fù)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。</p><p>　　（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(shè)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。</p><p>　?。?）顯示譯碼器YMQ的功能就是負(fù)責(zé)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

12、。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0～9，字母d、o、n、E。</p><p>　?。?）音響效應(yīng)控制ALARM的功能是根據(jù)計時器JSQ的定時時間到和溫度控制器KTQ的溫度到達(dá)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(dāng)爐門開關(guān)未關(guān)上時, 電路啟動報警以提示用戶關(guān)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

13、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。</p><p><b>　　設(shè)計的預(yù)期結(jié)果</b></p><p>　　系統(tǒng)預(yù)計操作流程如下：</p><p>　　圖2.3 系統(tǒng)流程圖</p><p>　　其相應(yīng)的鍵盤控制布局如下所示：</p><p>　　圖2.4 系統(tǒng)控制鍵布局圖<

14、/p><p>　　通過預(yù)期，該微波爐控制器設(shè)計能夠達(dá)到多功能多檔位火力控制、能夠進行時間預(yù)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。</p><p><b>　　設(shè)計的技術(shù)路線</b></p><p><b>　　開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境</b></p><p>　　硬件：PC機、便攜

15、式EDA/SOPC/DSP實驗系統(tǒng)</p><p>　　軟件：Quartus II 7.0 開發(fā)系統(tǒng)</p><p><b>　　設(shè)計的思路與方法</b></p><p>　　（1）狀態(tài)控制器KZQ</p><p>　　初步設(shè)計輸入信號為CLK、TEST、START、SET_T、RESET和DONE，輸出信號為LD_DO

16、NE、LD_CLK、LD_8888和COOk信號。其中LD_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(shè)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)。</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)裝載器ZZQ</p><p>　　初步設(shè)計輸入信號為L

17、D_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(shè)為隱含的控制信號。其中當(dāng)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(shè)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)。</p><p><b>　?。?）計時器JSQ</b></p

18、><p>　　在具體設(shè)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LOAD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。</p><p>　?。?）溫度控制器KTQ &l

19、t;/p><p>　　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

20、輸出音響效應(yīng)控制。</p><p>　?。?）顯示譯碼器YMQ</p><p>　　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。采用按鍵輸入，LED 數(shù)碼管顯示的操作界面，按鍵分別為開關(guān)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(fù)位待機——檢測顯示電路——設(shè)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(guān)溫度, 時間, 工作狀態(tài)的修改

21、。移位鍵用于選中某一顯示單元以便于對相應(yīng)數(shù)據(jù)做出修改。MODE 鍵為菜單功能鍵, 主管對有關(guān)工作狀態(tài)的選擇, 開關(guān)鍵主管個工作狀態(tài)的通斷。</p><p>　　（6）音響效應(yīng)控制ALARM</p><p>　　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

22、路控制時，選取統(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(yīng)當(dāng)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(dāng)出現(xiàn)錯誤操作或意外發(fā)生時，觸發(fā)警報提示事件；當(dāng)某一操作結(jié)束時，觸發(fā)音樂提示事件。</p&

23、gt;<p><b>　　可行性分析</b></p><p>　　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、組織管理可行性分析，確定系統(tǒng)是否可行。</p><p>　　1）技術(shù)可行性：本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于采用EDA技術(shù)作為開發(fā)

24、方法，VHDL語言為開發(fā)工具，由于之前又開設(shè)了該門課程，而EDA技術(shù)也是一門相當(dāng)成熟的技術(shù)，實驗室也提供有現(xiàn)成的應(yīng)用軟件等，對開發(fā)是有利的，因此技術(shù)上是可行的。</p><p>　　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(shè)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。</p><

25、;p>　　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(luò)資源為依據(jù)，以輔導(dǎo)老師的指導(dǎo)為參考，根據(jù)已學(xué)知識，綜合設(shè)計要求，具體細(xì)化設(shè)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。</p><p>　　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

26、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(shè)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(shè)計,實現(xiàn)了微波爐面板關(guān)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。</p><p>　　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。</p><p><b>　　重點與難點分

27、析</b></p><p>　　重點：計時控制部分和溫度控制部分。</p><p>　　難點：溫度控制部分和音響效應(yīng)控制部分，在具體實現(xiàn)過程中還需要仔細(xì)考慮。</p><p><b>　　設(shè)計的時間進度安排</b></p><p><b>　　已有的參考文獻</b></p>

28、<p>　　[1] 李華．MCS- 51系列單片機使用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990</p><p>　　[2] 黃繼昌．傳感器工作原理及應(yīng)用實例．北京：人民郵電出版社，1998</p><p>　　[3] 紀(jì)宗南．單片機外圍器件實用手冊輸入通道器件分冊．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998</p><p>　　[4] 閻石．?dāng)?shù)字電子