開(kāi)題報(bào)告---基于fpga的微波爐控制器設(shè)計(jì)

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(shù)和智能技術(shù)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(jìn)行烹調(diào)，需要使用者根據(jù)食物的類(lèi)型、數(shù)量、溫度等因素去設(shè)定微波爐

2、的工作時(shí)間，若設(shè)定的工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，含水分較多的食物可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱碳化的現(xiàn)象，若時(shí)間過(guò)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(guò)多考慮，使用者還需要經(jīng)常翻看使用說(shuō)明書(shū)才能完成操作過(guò)程。針對(duì)這些問(wèn)題，筆者認(rèn)為有必要研制一種操作簡(jiǎn)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(shí)、分檔火力加熱，節(jié)時(shí)又節(jié)能。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)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(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路比較復(fù)雜，性能不夠靈活。本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的EDA 技術(shù)，利用VHDL 設(shè)計(jì)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)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(shí)間設(shè)定、火力檔位選擇、烹飪計(jì)時(shí)、溫度控制、顯示譯碼和音效提示等功能，基于FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　該微波爐控制系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)常規(guī)的解凍、烹調(diào)、烘烤的基本功能外，還進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了

4、微波爐的自定義設(shè)置。</p><p>　　本系統(tǒng)控制部分以FPGA芯片為核心，通過(guò)功能按鍵設(shè)置和手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入，完成不同功能時(shí)自動(dòng)以預(yù)置方案或者自定義方案加熱。其中，預(yù)制方案提供烹調(diào)、烘烤、解凍等系統(tǒng)烹調(diào)流程，僅供用戶(hù)選擇，無(wú)需設(shè)置；而自定義方案，用戶(hù)根據(jù)食物含量、重量等手動(dòng)設(shè)置時(shí)間、溫度和選擇火力等操作。在烹飪過(guò)程中，能通過(guò)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(shí)，能實(shí)現(xiàn)門(mén)開(kāi)關(guān)檢測(cè)、鍵盤(pán)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(shù)現(xiàn)狀</b></p><p>　　目前大部分微波爐控制器采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路比較復(fù)雜，性能不夠靈活。本文采用先進(jìn)的EDA技術(shù)，利用Quartus II工作平臺(tái)VHDL設(shè)計(jì)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)各底層模塊的功能，頂層設(shè)計(jì)用圖形輸入完成。該系統(tǒng)具有系統(tǒng)復(fù)位、時(shí)間設(shè)定、烹飪計(jì)時(shí)、溫度控制和音效提示等功能，在FPGA上實(shí)現(xiàn)。</p><p><b>　　題目的主要內(nèi)容</b></p><p>　　本課題是基于FPGA的微波爐控制器設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)一個(gè)具備定時(shí)、溫控、信息顯示和音響效應(yīng)提示功能的微波爐控制器，實(shí)現(xiàn)一些功能：</p><

7、p>　　該微波爐控制器能夠在任意時(shí)刻取消當(dāng)前工作，復(fù)位為初始狀態(tài)。</p><p>　　可以根據(jù)需要設(shè)置烹調(diào)時(shí)間的長(zhǎng)短，系統(tǒng)最長(zhǎng)的烹調(diào)時(shí)間為59分59秒；開(kāi)始烹調(diào)后，能夠顯示剩余時(shí)間的多少。</p><p>　　可以根據(jù)需要設(shè)置烹調(diào)最高溫度值，系統(tǒng)最高的烹調(diào)溫度為999℃；開(kāi)始烹調(diào)后，能夠顯示系統(tǒng)當(dāng)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(gè)火力檔位。</p><p>　　音響效應(yīng)提示直接外接一個(gè)蜂鳴器，同時(shí)用一個(gè)指示燈提示。</p><p>　　顯示微波爐控制器的烹調(diào)狀態(tài)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)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(hù)對(duì)控制功能的設(shè)置，采用按鍵作為

9、輸入設(shè)備?？刂撇糠质潜鞠到y(tǒng)的核心，它接收用戶(hù)的輸入，完成相應(yīng)的控制邏輯功能，并將當(dāng)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(hù)進(jìn)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(shè)計(jì)的各個(gè)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(hù)對(duì)控制功能的設(shè)置，采用按鍵作為輸入設(shè)備。</p><p>　　由于實(shí)驗(yàn)室已有設(shè)備限制，本系統(tǒng)采用鍵盤(pán)進(jìn)行輸入設(shè)置，即由一個(gè)4*4矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入控制。該矩陣鍵盤(pán)上16個(gè)按鍵分別是：10Min 1Min/100℃/High 10Sec/10℃/Middle 1Sec/1℃/Low ▲/+1 復(fù)位

11、暫停/取消 測(cè)試 ▼/-1 火力設(shè)定 溫度設(shè)定 時(shí)間設(shè)置 烹調(diào) 烘烤 解凍 開(kāi)始/確認(rèn)。輸入模塊包括時(shí)鐘脈沖電路、鍵盤(pán)掃描電路、消枓同步電路和鍵盤(pán)譯碼電路，通過(guò)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(hù)的輸入，完成相應(yīng)的控制邏輯功能，并將當(dāng)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(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。它通過(guò)輸入模塊提供的按鍵輸入實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息裝載處理，并將處理結(jié)果通過(guò)顯示模塊顯示出來(lái)。其涉及到數(shù)據(jù)的裝載、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制、烹飪計(jì)時(shí)、溫度控制、火力控制、音響效應(yīng)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(hù)進(jìn)行控制操作。采用七段數(shù)碼管和發(fā)光二極管來(lái)實(shí)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(shí)，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(shí)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(shè)計(jì)時(shí)，采用4位LED數(shù)碼管顯示加熱倒計(jì)時(shí)，3位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度值，1位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前火力檔位。

14、8個(gè)狀態(tài)提示指示燈分別表示：工作狀態(tài)、開(kāi)門(mén)指示、測(cè)試、烹調(diào)、烘烤、解凍、意外報(bào)警、完成提示。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果</b></p><p>　　系統(tǒng)預(yù)計(jì)操作流程：上電后，系統(tǒng)首先處于一種復(fù)位狀態(tài)，其各電路模塊均處于初始狀態(tài)。此時(shí)，8個(gè)數(shù)碼管上會(huì)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(cè)

15、試數(shù)碼管和指示燈工作是否正常。系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)，比如，按烹調(diào)、烘烤、解凍鍵選擇系統(tǒng)預(yù)置方案，或者按時(shí)間設(shè)置鍵設(shè)置時(shí)間，按溫度設(shè)定鍵設(shè)置溫度，按火力選擇鍵選擇火力，結(jié)合10Min、1Min/100℃/High、10Sec/10℃/Middle、1Sec/1℃/Low按鍵進(jìn)行自定義方案設(shè)置，設(shè)置結(jié)束以后，表示數(shù)據(jù)裝載完成，按START鍵后系統(tǒng)進(jìn)入烹調(diào)狀態(tài)。在烹飪過(guò)程中，可以按暫停/取消鍵暫停烹飪，或者重新設(shè)置時(shí)間、溫度、火力

16、。烹飪結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出音效提示，同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。</p><p>　　其對(duì)應(yīng)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(yīng)的鍵盤(pán)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(guò)預(yù)期，該微波爐控制器設(shè)計(jì)能夠達(dá)到多功能多

17、檔位火力控制、能夠進(jìn)行時(shí)間預(yù)置、加熱倒數(shù)計(jì)時(shí)、溫度控制、顯示測(cè)試以及結(jié)束時(shí)音效提示等功能。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的技術(shù)路線</b></p><p><b>　　開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境</b></p><p>　　硬件：PC機(jī)、便攜式EDA/SOPC/DSP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　軟件：

18、Quartus II 7.0 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)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(pán)作為輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入控制。矩陣鍵盤(pán)是一種常見(jiàn)的輸入裝置，在日常生活中，矩陣鍵盤(pán)在計(jì)算機(jī)、電話、手機(jī)、微波爐等格式電子產(chǎn)品上已

19、經(jīng)被廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)通常采用行列掃描法來(lái)確定所按下鍵的行列位置。由于鍵盤(pán)按鍵是一種機(jī)械開(kāi)關(guān)，所以設(shè)計(jì)其控制電路時(shí)，需要涉及到鍵盤(pán)掃描、鍵盤(pán)譯碼，光靠矩陣鍵盤(pán)是無(wú)法完成按鍵輸入工作的。其中鍵盤(pán)掃描又涉及到時(shí)序產(chǎn)生、按鍵掃描和消除抖動(dòng)。</p><p><b>　　（2）控制模塊</b></p><p>　　控制模塊是整個(gè)微波爐控制器系統(tǒng)的核心，完成許多復(fù)雜的控制和數(shù)

20、據(jù)處理任務(wù)，它通過(guò)輸入模塊提供的按鍵輸入實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息裝載處理，控制顯示模塊顯示相應(yīng)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(jù)的裝載、狀態(tài)控制轉(zhuǎn)換、烹飪計(jì)時(shí)、溫度控制、火力控制、音效提示等。其中，狀態(tài)控制轉(zhuǎn)換子模塊，其功能是控制微波爐工作過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并發(fā)出相關(guān)控制信號(hào)。數(shù)據(jù)裝載子模塊，其功能是根據(jù)按鍵信號(hào)設(shè)置定時(shí)時(shí)間、最高溫度、火力檔位，烹調(diào)屬性設(shè)置以及烹調(diào)數(shù)據(jù)信息裝載。

21、烹飪計(jì)時(shí)子模塊，其功能是對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，提供烹調(diào)完成時(shí)的狀態(tài)信號(hào)。溫度控制子模塊，其功能是在食物烹飪過(guò)程中進(jìn)行溫度測(cè)定和控制，它同時(shí)實(shí)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(shí)的音效提示，這里直接外接一個(gè)蜂鳴器實(shí)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(zhuǎn)換控制子模塊KZQ的功能是控制微波爐工作過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，并發(fā)出有關(guān)控制信息；數(shù)據(jù)裝載子模塊ZZQ的功能是根據(jù)KZQ發(fā)出的控制信號(hào)選擇系統(tǒng)預(yù)置方案或者根據(jù)自定義方案設(shè)定烹飪時(shí)間、設(shè)置最高溫度值、選擇火力檔位等烹飪數(shù)據(jù)信息裝載完成；烹飪計(jì)時(shí)子模塊JSQ的功能是負(fù)責(zé)烹飪過(guò)程中的時(shí)間遞減計(jì)數(shù)，是整個(gè)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(jù)數(shù)據(jù)裝載器ZZQ設(shè)置的烹飪數(shù)據(jù)信息進(jìn)行溫度測(cè)定和控制，包括溫度的測(cè)定和控制兩部分

23、；音效控制子模塊ALARM的功能是當(dāng)定時(shí)時(shí)間到和溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。外觀顯示上，采用4位LED數(shù)碼管顯示加熱倒計(jì)時(shí)，3位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度值，1位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前火力檔位。8個(gè)狀態(tài)提示指示燈分別表示：工作狀態(tài)、開(kāi)門(mén)指示、測(cè)試、烹調(diào)、

24、烘烤、解凍、意外報(bào)警、完成提示。具體設(shè)計(jì)時(shí)，需涉及到動(dòng)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(duì)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的可能性和必要性進(jìn)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(shí)還要進(jìn)一步進(jìn)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>

25、;<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(kāi)發(fā)方法，VHDL語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)工具，由于之前又開(kāi)設(shè)了該門(mén)課程，而EDA技術(shù)也是一門(mén)相當(dāng)成熟的技術(shù)，實(shí)驗(yàn)室也提供有現(xiàn)成的應(yīng)用軟件等，對(duì)開(kāi)發(fā)是有利的，因此技術(shù)上是可行的。</p><p>　　2）平臺(tái)可行性：本系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)室已有實(shí)驗(yàn)箱作為開(kāi)發(fā)板，可以對(duì)微波控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、調(diào)試運(yùn)行、仿真測(cè)試、結(jié)果驗(yàn)證等。還可以再網(wǎng)上下載一些免費(fèi)的資源，比

26、如MAX+plusII工作平臺(tái)。由此可見(jiàn)平臺(tái)上是可行的。</p><p>　　3）經(jīng)濟(jì)可行性：由于系統(tǒng)所搭建的平臺(tái)，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(shí)，綜合設(shè)計(jì)要求，具體細(xì)化設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，不需要為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)而付額外的費(fèi)用。所以，從經(jīng)濟(jì)角度講，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是可行的。</p><p>　　4）社會(huì)可行性：隨著人民

27、生活水平的提高，微波爐開(kāi)始進(jìn)入越來(lái)越多的家庭，它給人們的生活帶來(lái)了極大的方便。隨著控制技術(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(jì)的可編程微波爐控制系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)常規(guī)的解凍、烹調(diào)、烘烤基本功能外,還進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了微波爐面板關(guān)閉的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、智能控制等。所以，從現(xiàn)實(shí)角度講，具有社會(huì)可行性。</p><p>　　技術(shù)可行性，平臺(tái)可行性，經(jīng)濟(jì)可行性，和社會(huì)可行性都滿(mǎn)足，因此開(kāi)發(fā)該微波爐控制器

28、是可行的。</p><p><b>　　重點(diǎn)與難點(diǎn)分析</b></p><p>　　重點(diǎn)：控制模塊中的計(jì)時(shí)部分和溫度控制部分</p><p>　　難點(diǎn)：溫度控制部分，在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還需要仔細(xì)考慮。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的時(shí)間進(jìn)度安排</b></p><p>&l

29、t;b>　　已有的參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李華．MCS- 51系列單片機(jī)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(shí)例．北京：人民郵電出版社，1998</p><p>　　[3] 紀(jì)宗南．單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)輸入通道器件分冊(cè)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1

30、998</p><p>　　[4] 閻石．?dāng)?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)．北京：高等教育出版社，2004</p><p>　　[5] 張志剛．FPGA與SOPC設(shè)計(jì)教程：DE2實(shí)踐．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007</p><p>　　[6] 汪國(guó)強(qiáng)．SOPC技術(shù)與應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[7] 江思敏．VHDL數(shù)字