開題報告---基于fpga的微波爐控制器設計

1、<p><b>　　選題的目的和意義</b></p><p><b>　　選題的背景</b></p><p>　　在現(xiàn)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(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，需要使用者根據食物的類型、數(shù)量、溫度等因素去設定微波爐

2、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(xiàn)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(xiàn)象，可采取分時、分檔火力加熱，節(jié)時又節(jié)能。</p><p><b>　　設計的目的和意義</b></p&

3、gt;<p>　　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(xiàn)。</p><p>　　該微波爐控制系統(tǒng)，除實現(xiàn)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(xiàn)了

4、微波爐的自定義設置。</p><p>　　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(shù)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(shù)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。</p><p

5、>　　該系統(tǒng)在功能執(zhí)行時，能實現(xiàn)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。</p><p><b>　　選題的技術現(xiàn)狀</b></p><p>　　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V

6、HDL 編程實現(xiàn)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(xiàn)。</p><p><b>　　題目的主要內容</b></p><p>　　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(xiàn)一些功能：</p><

7、p>　　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)。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　可以控制火力大小，供選擇的火力

8、檔位有高、中、低三個火力檔位。</p><p>　　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。</p><p>　　顯示微波爐控制器的烹調狀態(tài)。</p><p><b>　　設計的總體結構描述</b></p><p>　　本系統(tǒng)主要由輸入、控制和顯示部分組成。輸入部分主要完成用戶對控制功能的設置，采用按鍵作為

9、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。</p><p>　　以下是該系統(tǒng)功能模塊圖，如圖2.1所示</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)功能模塊圖</p><p>　　設計的各個功能模塊描述</p><p><

10、b>　　輸入模塊</b></p><p>　　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。</p><p>　　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(xiàn)數(shù)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/1℃/Low ▲/+1 復位

11、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。</p><p><b>　　控制模塊</b></p><p>　　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)

12、等信息送到顯示部分。</p><p>　　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(shù)據處理任務。它通過輸入模塊提供的按鍵輸入實現(xiàn)數(shù)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(shù)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。</p><p><b>　　顯示模塊</b></p><p>　　

13、顯示模塊主要監(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(shù)碼管和發(fā)光二極管來實現(xiàn)。</p><p>　　由于數(shù)碼管顯示信息較少，一些信息用數(shù)碼管顯示不夠直觀，因此本系統(tǒng)在采用數(shù)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(shù)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(shù)碼管顯示加熱倒計時，3位LED數(shù)碼管顯示當前溫度值，1位LED數(shù)碼管顯示當前火力檔位。

14、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。</p><p><b>　　設計的預期結果</b></p><p>　　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(shù)碼管上會顯示“88888888”的信息，所有指示燈亮。按TEST鍵，數(shù)碼管和發(fā)光二極管全亮、全滅交替閃爍，可以測

15、試數(shù)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(shù)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(shù)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

16、。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)。</p><p>　　其對應的系統(tǒng)流程圖如下：</p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)流程圖</p><p>　　其相應的鍵盤控制布局如下所示：</p><p>　　圖2.3 系統(tǒng)控制鍵布局圖</p><p>　　通過預期，該微波爐控制器設計能夠達到多功能多

17、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、顯示測試以及結束時音效提示等功能。</p><p><b>　　設計的技術路線</b></p><p><b>　　開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境</b></p><p>　　硬件：PC機、便攜式EDA/SOPC/DSP實驗系統(tǒng)</p><p>　　軟件：

18、Quartus II 7.0 開發(fā)系統(tǒng)</p><p><b>　　設計的思路與方法</b></p><p><b>　　(1) 輸入模塊</b></p><p>　　輸入模塊采用4*4矩陣鍵盤作為輸入設備，實現(xiàn)數(shù)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

19、經被廣泛應用，計算機鍵盤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。</p><p><b>　?。?）控制模塊</b></p><p>　　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(shù)

20、據處理任務，它通過輸入模塊提供的按鍵輸入實現(xiàn)數(shù)據信息裝載處理，控制顯示模塊顯示相應的信息。</p><p>　　控制模塊采用FPGA芯片作為主控芯片，其涉及到數(shù)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(shù)據裝載子模塊，其功能是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(shù)據信息裝載。

21、烹飪計時子模塊，其功能是對時鐘進行減法計數(shù)，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(xiàn)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(xiàn)該功能。</p><p>　　其功能子模塊圖如下，圖3.1所示：</p><p>　　3.1 控制模塊功能子模塊圖</p><p>　　其

22、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(shù)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、選擇火力檔位等烹飪數(shù)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(shù)，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(shù)據裝載器ZZQ設置的烹飪數(shù)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

23、；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。</p><p><b>　　(3)顯示模塊</b></p><p>　　顯示部分采用七段數(shù)碼管和發(fā)光二極管來實現(xiàn)。外觀顯示上，采用4位LED數(shù)碼管顯示加熱倒計時，3位LED數(shù)碼管顯示當前溫度值，1位LED數(shù)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、

24、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。</p><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>

25、;<p>　　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(xiàn)成的應用軟件等，對開發(fā)是有利的，因此技術上是可行的。</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

26、如MAX+plusII工作平臺。由此可見平臺上是可行的。</p><p>　　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(xiàn)成提供，另外，還可以以現(xiàn)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。</p><p>　　4）社會可行性：隨著人民

27、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(xiàn)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(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。</p><p>　　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

28、是可行的。</p><p><b>　　重點與難點分析</b></p><p>　　重點：控制模塊中的計時部分和溫度控制部分</p><p>　　難點：溫度控制部分，在具體實現(xiàn)過程中還需要仔細考慮。</p><p><b>　　設計的時間進度安排</b></p><p>&l

29、t;b>　　已有的參考文獻</b></p><p>　　[1] 李華．MCS- 51系列單片機使用接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，1990</p><p>　　[2] 黃繼昌．傳感器工作原理及應用實例．北京：人民郵電出版社，1998</p><p>　　[3] 紀宗南．單片機外圍器件實用手冊輸入通道器件分冊．北京：北京航空航天大學出版社，1

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