微波炉的设计
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微波炉的设计
目 录
1. 绪论 1
1.1. 任务的提出 1
1.2. 课题的内容和要求 1
1.3. 设计的目的和意义 2
2. 关键技术简介 3
2.1. FPGA简介 3
2.2. VHDL语言概述 3
2.3. Quartus II 开发系统简介 5
3. 系统总体设计 7
3.1. 系统总体设计方案 7
3.2. 系统功能模块描述 9
3.2.1. 输入模块 10
3.2.2. 控制模块 10
3.2.3. 显示模块 11
3.3. 系统的工作流程 11
4. 系统详细设计 13
4.1. 输入模块设计 13
4.1.1. 键盘扫描 13
4.1.2. 键盘译码 16
4.1.3. 输入模块的实现 17
4.2. 控制模块设计 18
4.2.1. 状态转换控制 19
4.2.2. 数据装载 22
4.2.3. 烹饪计时 23
4.2.4. 温度控制 26
4.2.5. 控制模块的实现 29
4.3. 显示模块设计 31
5. 系统仿真 35
5.1. 输入模块仿真 35
5.2. 状态转换控制器仿真 35
5.3. 数据装载器仿真 36
5.4. 烹饪计时器仿真 37
5.5. 显示译码器仿真 39
6. 结论 41
致 谢 42
参考文献 43
摘 要
本论文介绍了微波炉的设计，应用FPGA芯片和硬件描述语言(VHDL)设计微波炉控制器系统的方法。系统使用VHDL编程实现各底层模块的功能，顶层的设计采用图形输入完成。论文主要阐述模块化设计的思想和状态图的描述方法，以及他们在硬件描述语言中的应用，并展示了其在Quartus II 开发系统下的仿真结果。
微波炉控制器系统是一个实用型的系统，系统不仅具有操作简单的功能，而且烹调效果好，你可以按照固定程序烹调一些家常菜，可以采取分时、分不同级别火力加热，既能节约时间又能节约能源。主要有以下几个模块：输入模块、控制模块和显示模块。输入模块实现按键扫描和键盘译码、控制模块包括状态转换控制、数据装载、烹饪计时、温度控制、音效提示等等、显示模块涉及到显示译码和指示灯的闪烁。
经过对系统做需求分析，详细功能设计、编码，模块连接，并利用FPGA实现相应的功能，经过波形仿真、下载调试，验证了设计方案的可行性及实现方法的有效性，基本实现了系统的要求。
关键词：FPGA；VHDL；微波炉；状态图；定时器
Abstract
This paper introduces the method that applying FPGA chip and VHDL to design the control system of microwave ovens. The system uses VHDL to fulfill the function of each bottom module and the design of the top layer is completed via graphic entering. This paper mainly illustrates the idea of module design and description method of state chart and that their application in VHDL and simulation results in the develop system of Quartus II.
Microwave controller system is a utility-type system that includes not only the function of simple operation, but also good effect of cook. According to fixed routine, you can cook some homely dish via taking different time and different level firepower to heat, and this can not only save time, but also save energy. It mainly includes a couple of modules as follows: input module, control module and display module. Input module fulfills key-press scanning and keyboard decoding, control module includes status switching control, data loading, cook time, temperature control, sound effect tip and so on, display module comes down to display coding decipher and the flashing of indicator light.
Through the analysis of requirement, detailed function design, coding, module connection, using FPGA to fulfill relevant function. Through waveform simulation, download debugging, it verifies the feasibility of the design and the effectiveness of realization method and basically fulfill the requirement of the system.
Keywords: FPGA, VHDL, Microwave oven, Status chart, timer
1. 绪论
随着人民生活水平的提高，微波炉开始进人越来越多的家庭，它给人们的生活带来了极大的方便。微波炉由2450MHz的超高频来加热食物。它省时、省电、方便和卫生。作为现代的烹饪工具，微波炉的控制器体现着它的重要性能指标。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。本文采用先进的EDA技术，利用Quartus II工作平台和VHDL设计语言，设计了一种新型的微波炉控制器系统。该系统具有系统复位、时间设定、烹饪计时、温度控制和音效提示等功能，在FPGA上实现。
1.1. 任务的提出
在现代人快节奏生活中，微波炉已成为便捷生活的一部分。随着控制技术和智能技术的发展，微波炉也向着智能化、信息化发展。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. 课题的内容和要求
本课题是基于FPGA的微波炉控制器设计，即设计一个具备定时、温控、信息显示和音响效应提示功能的微波炉控制器，实现一些功能：
? 该微波炉控制器能够在任意时刻取消当前工作，复位为初始状态。
? 可以根据需要设置烹调时间的长短，系统最长的烹调时间为59分59秒；开始烹调后，能够显示剩余时间的多少。
? 可以根据需要设置烹调最高温度值，系统最高的烹调温度为999℃；开始烹调后，能够显示系统当前温度值。
? 可以控制火力大小，供选择的火力档位有高、中、低三个火力档位。
? 音响效应提示直接外接一个蜂鸣器，同时用一个指示灯提示。
? 显示微波炉控制器的烹调状态。
1.3. 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、火力档位选择、烹饪计时、温度控制、显示译码和音效提示等功能，基于FPGA 芯片实现。
该微波炉控制系统，除实现常规的解冻、烹调、烘烤的基本功能外，还进行了创新设计，实现了微波炉的自定义设置。
本系统控制部分以FPGA芯片为核心，通过功能按键设置和手动数据输入，完成不同功能时自动以预置方案或者自定义方案加热。其中，预制方案提供烹调、烘烤、解冻等系统烹调流程，仅供用户选择，无需设置；而自定义方案，用户根据食物含量、重量等手动设置时间、温度和选择火力等操作。在烹饪过程中，能通过数码管显示或者指示灯提示知道食物的成熟度，可以智能控制。
该系统在功能执行时，能实现门开关检测、键盘输入扫描、温度控制、LED显示、工作状态指示、蜂鸣等。
6. 结论
该课题是利用ALTERA公司的QUARTUS开发环境和软件，进行VHDL程序设计，然后进行仿真，调试，以CYC-L2 V2.0便携式EDA/SOPC/DSP实验系统为硬件平台，实现了一个简单的微波炉控制器系统的设计。在整个毕业设计过程中，进行了系统的总体设计，硬件设备的选用，软件和开发环境的安装，VHDL程序设计与仿真。
设计的重点主要在系统的规划以及程序的设计与调试上，要做到键盘与数码管，LED灯的一体化，需要在键位设置时进行准确的设计，通过键盘的扫描，消抖和译码，达到一键一码的目的，做到功能的完善。
设计的难点主要在功能控制上，数据和控制信号较多，状态之间的转化也较为复杂，在设计中带来了一些困难。另外在仿真分析上，因为需要测试的结果很多，有些结果无法预料，无法在仿真中看到。
本设计也存在一定的不足。由于本身能力和实验器材的限制，无法在系统中建立完善的体制，只是实现了一个微波炉控制器的基本功能。比如像存储功能，就没有在系统中考虑到，这些都有待以后的继续提高和完善。
致 谢
本文是在导师XX的认真要求和悉心指导下完成的。在这半年期间，无论是从选题的确定，论文的写作、修改到最后的定稿，时刻都能得到XX老师的启发和引导。特别是她多次询问我设计进程，在我感到进展困难的时候为我指点迷津，帮助我开拓思路，精心点拨，热忱鼓励。正是在XX老师不遗余力的帮助下，我的设计思路才得以能够从混乱到清晰，论文材料才能够从芜杂到精到，语言组织才可以从琐碎到精炼，一步一步接近完善。XX老师严肃的教学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风深深地感染和激励着我，在此，谨向XX老师致以我最诚挚的谢意和崇高的敬意！谢谢XX老师！
在学习期间，也得到学院各位老师的无私帮助和热心教诲，在此向学院的各位领导、老师表示衷心的感谢，谢谢你们给我提供了一个友好融洽的学习环境。同时，对各位老师在专业知识与其他方面给予的帮助，在此一并表示诚挚的谢意！也感谢在我学习和生活中给予帮助的各位同学，特别是同组成员XX同学，从最初的选题理解以及模块搭建到最后的论文撰写，我们一起讨论学习，他给予了我很大帮助
再一次向我的导师XX老师表示感谢，并向所有在论文完成过程中给予过我关心、帮助和支持的老师、同学、朋友们致以最诚挚的谢意，谢谢你们！
同时也感谢学校图书馆给我们提供了良好的查询资料和下载资料的场所，感谢学院为我们提供了良好的做毕业设计的环境。
感谢参加论文评审和答辩的各位教授、专家! 感谢你们能在百忙之中给予指导!
感谢所有关心我的人！
参考文献
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