基于FPGA的微波炉控制器设计

基于FPGA的微波炉控制器设计1 选题的目的和意义1.1 选题的背景随着生活水平的不断提高, 人们对家用电器的功能和质量的要求越来越高。而现有市售的微波炉其主要弊端为: 不能按既有程序进行烹调, 需要使用者根据食物的类型、数量、温度等因素去设定微波炉的工作时间, 若设定的工作时间过长, 含水分较多的食物可能会产生过热碳化的现象, 若时间过短则达不到预期的烹调效果。 不仅在节能方面未做过多考虑，使用者还需要经常翻看使用说明书才能完成操作过程。针对这些问题, 笔者认为有必要研制一种操作简单且烹调效果好的微波炉，根据一些家常菜按固定程序烹调的现象，可采取分时、分档火力加热，节时又节能。1.2 设计的目的和意义目前大部分微波炉控制器采用单片机进行设计，电路比较复杂，性能不够灵活。本设计采用先进的EDA 技术，利用VHDL 设计语言，设计一种新型的微波炉控制器，该控制器具有系统复位、状态控制、时间设定、火力档位、烹饪计时、温度控制、显示译码和音响效应等功能，基于FPGA 芯片实现。1.3 选题的技术现状应用FPGA 芯片和硬件描述语言（VHDL）设计该微波炉控制器系统，该系统用VHDL 编程实现各底层模块的功能，顶层设计用图形输入完成。设计依据如下：1）技术可行性：采用EDA作为开发方法，VHDL语言为开发工具，通过设计和实验，对开发的程序进行调试运行和波形仿真测试验证，实现设计目标；2）经济可行性：合理利用实验室已有软件、实验箱、开发板，对该微波炉控制器设计进行开发、调试运行、仿真测试，以及结果验证等；3）以现有网络资源为依据，以辅导老师的指导为参考，根据已学知识，综合该控制器设计要求，具体细化设计；2 题目的主要内容本设计是基于FPGA的微波炉控制器设计。2.1 设计的总体结构描述该微波炉控制器系统可由以下几个模块组成：（1）状态控制器KZQ；（2）数据装载器ZZQ；（3）烹调计时器JSQ；（4）温度控制器KTQ；（5）显示译码器YMQ；（6）音响效应控制ALARM；系统功能模块如下：图2.1 系统功能模块图系统各模块之间的关系示意图如下所示：图2.2 模块关系图2.1.1 设计的各个功能模块描述（1）状态控制器KZQ的功能是控制微波炉工作过程中的状态转换，并发出有关控制信息。 KZQ根据输入信号和自身当时所处的状态完成状态的转换和输出相应的控制信号。分为炉门开关状态检测和磁控管工作状态控制两个部分，在炉门开关状态检测部分，门开关状态检测用于检测微波炉炉门是否关上, 若关上即可开始运行, 否则报警并等待炉门被关上；磁控管工作状态控制部分，微波炉启动后，通过由过零检测电路检测到的过零点个数来控制微波炉磁控管的停和转, 以实现对烹调过程的控制。磁控管工作时, 转盘和风扇等也同时工作。（2）数据装载器ZZQ的功能是根据KZQ发出的控制信号选择定时时间、火力档位、测试数据、烹调属性设置以及烹调数据信息装载完成。这里定时时间包括时间的设定、启动定时、设置加时、时间设定后LED灯的闪烁、显示扫描的逻辑控制，因此涉及到定时计数、时间设定后LED灯闪烁和LED灯扫描的输出信号；火力档位控制包括高、中、低档位控制，涉及到烹饪过程中食物解冻、烹调、烧烤等状态信号的控制和保持。因系统中所使用的按键为开关式按键，即按键按下时产生有效信号，松开后有效信号消失，故用High、Middle、Low等状态信号来标识高、中、低档位。另外还配置有系统菜单，用于设置烹调属性数据，从而使该控制器更智能化。（3）计时器JSQ的功能是负责烹调过程中的时间递减计数，是整个微波炉控制器的核心模块。包括产生控制信号来控制磁控管的间歇通电，以实现微波炉工作过程中食物解冻、加热、烹调和烧烤等不同功能；提供烹调完成时的状态信号使状态控制器KZQ进入复位状态，产生烹调完成信号；同时控制扬声器发出音乐提示烹调完毕。（4）温度控制器KTQ的功能是根据数据装载器ZZQ定时时间的设定和火力档位的选择，以及计时器JSQ计时过程中食物解冻、加热、烹调和烧烤等不同环节进行温度测定和控制。包括温度的测定和控制两部分。（5）显示译码器YMQ的功能就是负责将各种显示信息的BCD转换成七段数码管显示的驱动信息编码。主要用于显示定时时间、计时时间和提示信息，需要译码的信息有：数字09，字母d、o、n、E。（6）音响效应控制ALARM的功能是根据计时器JSQ的定时时间到和温度控制器KTQ的温度到达一定程度时，进行音响提示。该音响提示涉及到错误操作或意外发生时的警报提示和某一操作结束时的音乐提示。比如，当炉门开关未关上时, 电路启动报警以提示用户关上炉门；比如，若烹调过程中突然打开炉门, 也报警提示意外发生；比如，烹调时间到, 会有音乐提示用户烹调结束。2.2 设计的预期结果系统预计操作流程如下：图2.3 系统流程图其相应的键盘控制布局如下所示：图2.4 系统控制键布局图通过预期，该微波炉控制器设计能够达到多功能多档位火力控制、能够进行时间预置、加热倒数计时、温度控制、显示测试以及结束时双音频提示音等功能。3 设计的技术路线3.1 开发工具和开发环境硬件：PC机、便携式EDA/SOPC/DSP实验系统软件：Quartus II 7.0 开发系统3.1.1 设计的思路与方法（1）状态控制器KZQ初步设计输入信号为CLK、TEST、START、SET_T、RESET和DONE，输出信号为LD_DONE、LD_CLK、LD_8888和COOk信号。其中LD_DONE指示ZZQ装入烹调完毕的状态信息“donE”的显示驱动信息数据；LD_CLK指示ZZQ装入设置的烹饪时间数据；LD_8888指示ZZQ装入用于测试的数据“8888”以显示驱动信息数据；COOk指示烹饪正在进行之中，并提示计时器进行减计数。（2）数据装载器ZZQ初步设计输入信号为LD_DONE、LD_CLK、LD_8888，以及一些输入数据信号，将High、Middle、Low等状态信号设为隐含的控制信号。其中当LD_DONE为高电平时，输出烹调完毕的状态信息数据；LD_CLK为高电平时，输出设置的烹饪时间数据：LD_8888为高电平时，输出测试数据。输出信号LOAD用于提示JSQ将处于数据装入状态。（3）计时器JSQ在具体设计过程中，可用两个减计数十进制计数器DCNT10和两个减计数六进制DCNT6级联构成。其中LOAD为高电平时完成装入功能，COOk为高电平时执行逆计数功能。输出DONE指示烹调完成。MIN_H、MIN_L、SEC_H和SEC_L为完成烹调所剩的时间以及测试状态信息“8888”、烹调完毕的状态信息“donE”的BCD码信息。（4）温度控制器KTQ 该部分包括温度测定和在某一温度情况下的输出控制，其中温度测定可以用模糊控制算法，根据物体表面发射的红外线，通过红外线温度传感器检测出米饭表面发出的红外线辐射能量，从而测定米饭的温度。这里涉及到食物加热前的初始温度、食物匀速升温阶段的最高温度以及食物升温过程中的实时温度，其实时温度可以通过磁控管加热功率模糊推得。在输出控制部分，根据前面的温度测定，在不同温度情况下，进行定时计数计减、火力控制、以及输出音响效应控制。（5）显示译码器YMQ采用串行口方法，利用串行口的移位寄存器功能实现串行显示。采用按键输入，LED 数码管显示的操作界面，按键分别为开关键，增数键，移位键，继续执行键，MODE键，定时键。工作步骤：复位待机检测显示电路设置输出功能和定时器初值启动定时烹调、程序烹调和烘烤等。增数键主管有关温度, 时间, 工作状态的修改。移位键用于选中某一显示单元以便于对相应数据做出修改。MODE 键为菜单功能键, 主管对有关工作状态的选择, 开关键主管个工作状态的通断。（6）音响效应控制ALARM在加热计时结束时给出双音频提示音，一个高音一个低音，高音作为尖锐的警报提示音，低音作为轻微的音乐提示音。这里，根据两提示音的频率区分，其中一个频率约为另一个频率的50%，在具体内部电路控制时，选取统一电容值，这里可以选用C1= 0. 1U F，产生不同的频率依据选配不同的电阻来实现，其中高音频时，选取R1= 2K，R2= 6. 8K；低音频时，选取R1= 3. 3K，R2= 10K；占空比D：D= (R1+ R2)/(R1+ 2R2)，应当接近50%，音质较好。在具体音效输出时，可根据时间触发发出不同频率的提示音，比如，当出现错误操作或意外发生时，触发警报提示事件；当某一操作结束时，触发音乐提示事件。3.2 可行性分析可行性研究就是对项目开发的可能性和必要性进行分析，避免盲目的投资。其中必要性和效益的分析，用以决定是否建立系统的前提条件。同时还要进一步进行技术可行性分析、投资/效益分析、组织管理可行性分析，确定系统是否可行。1）技术可行性：本系统的关键技术在于采用EDA技术作为开发方法，VHDL语言为开发工具，由于之前又开设了该门课程，而EDA技术也是一门相当成熟的技术，实验室也提供有现成的应用软件等，对开发是有利的，因此技术上是可行的。2）平台可行性：本系统以实验室已有实验箱作为开发板，可以对微波控制器设计进行开发、调试运行、仿真测试、结果验证等。还可以再网上下载一些免费的资源，比如MAX+plusII工作平台。由此可见平台上是可行的。3）经济可行性：由于系统所搭建的平台，以及所用到的资源几乎都是现成提供，另外，还可以以现有网络资源为依据，以辅导老师的指导为参考，根据已学知识，综合设计要求，具体细化设计，降低了系统的开发成本，不需要为系统的开发而付额外的费用。所以，从经济角度讲，系统的开发是可行的。4）社会可行性：随着人民生活水平的提高，微波炉开始进入越来越多的家庭，它给人们的生活带来了极大的方便。随着控制技术和智能技术的发展,微波炉也朝着智能化、信息化的方向发展。而本次设计的可编程微波炉控制系统除实现常规的解冻、烹调、烘烤基本功能外,还进行了创新设计,实现了微波炉面板关闭的自动监测、智能控制等。所以，从现实角度讲，具有社会可行性。技术可行性，平台可行性，经济可行性，和社会可行性都满足，因此开发该微波炉控制器是可行的。3.3 重点与难点分析重点：计时控制部分和温度控制部分。难点：温度控制部分和音响效应控制部分，在具体实现过程中还需要仔细考虑。4 设计的时间进度安排序号内容时间安排1调研，收集资料，准备开题2010.01.18-2010.02.242系统总体设计2010.03.1-2010.03.143各功能模块具体实现。2010.03.15-2010.05.094系统调试2010.05.10-2010.05.305撰写毕业设计报告，准备答辩2010.05.31-2010.06.176毕业答辩2010.06.18-2010.06.205 已有的参考文献1 李华MCS- 51系列单片机使用接口技术北京：北京航空航天大学出版社，19902 黄继昌传感器工作原理及应用实例北京：人民邮电出版社，19983 纪宗南单片机外围器件实用手册输入通道器件分册北京：北京航空航天大学出版社，19984 阎石数字电子技术基础北京：高等教育出版社，20045 张志刚FPGA与SOPC设计教程：DE2实践西安：西安电子科技大学出版社，20076 汪国强SOPC技术与应用北京：机械工业出版社，20067 江思敏VHDL数字电路及系统设计北京：机械工业出版社，2006第 8 页 共 8 页