1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 FPGA 的微波炉控制器 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 本文主要介绍了一个微波炉控制器，分别由基本原理和各个模块功能来介绍，并采用了 VHDL语言实现了这种控制器的程序设计本次设 计采用分成多个模块来进行运行和仿真，这种方法能及时发现发现子模块和系统中的错误并加以修改，从而提高系统设计的效率。该微波炉控制器程序利用 Quartus工具软件完成了编译仿真验证，共分为四个模块：数据装载模块，其功能是根据控制信号选择定时时间，测试数据或计时完成信息的载入；烹饪计时模块，其功能是对时钟进行减
2、法计数，提供烹饪完成时的状态信号；显示译码模块，其功能是显示微波炉控制器的各状态信息； 状态 控制模块，其功能是控制微波炉工作过程中的状态转换，并发出相关控制信号。 该微波炉还具有解冻、烹调和烧烤三种不同的功能 。而功率调整的控制方法是通过对磁控管间歇通电来实现的。所有的功能都 分别用VHDL语言一个模块一个模块的 进行 编程实现，先实现其部分功能，再用 Quartus II软件进行编译仿真。 关键词： FPGA； VHDL 语言； 控制器 - 2 - Abstract This paper describes a microwave oven controller, respectively
3、, from the basic principles and functions of each module to introduce and use of VHDL language programming of this controller uses this design to be running into multiple modules and simulation, this Method can detect sub-module and the system found the error and modify to improve the efficiency of
4、system design. The microwave oven controller software tools program used to complete the Quartus compiled simulation , Divided into four modules; Data loading module, its function is to select the time control signal based on time, test data or information included time to complete; Cooking time mod
5、ule, its function is to subtract the clock count, the state provides cooking completion signal;Display decoding module, its function is to display status information of each microwave oven controller;State control module, its function is to control the microwave oven in the process of state transiti
6、on work, and issued the relevant control signals;The microwave oven also has the thawing, cooking and barbecue three different functions.The power adjustment control method is intermittently energized by the magnetron to achieve. All the functions are, respectively,VHDL, a module with a module of th
7、e programming, the first to achieve some of its functions, and then compile the Quartus II software simulation. Key Words :FPGA； VHDL language； controller - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 产品的背景介绍 .1 1.2 国内产品发展的现状 .1 1.3 产品的发展趋势 .2 1.4 微波简介 .2 2 微波炉控制器的实现方案 .4 2.1 微波炉控制器的功能 .4 2.2 实现方案比较 .4 2.2.1 基于单片机控制的微波炉控制器
8、的设计 .4 2.2.2 采用模糊设计实现微波炉控制器的设计 .4 2.2.3 采用 FPGA 设计实现微波炉控制器的设计 .5 3 基于 FPGA 的微波炉控制器的设计 .6 3.1 系统设计总体方案 .6 3.2 微波炉控制器各个模块的功能 .7 3.3 系统测试与分析 .7 3.4 各个模块的实现及其仿真 .7 3.4.1 数据装载模块 .7 3.4.2 烹饪计时模块 .9 3.4.3 显示译码模块 .12 3.4.4 控制状态模块 .13 3.4.5 分频器的设定 .14 3.4.6 微波炉的温控系统 .15 3.5 顶层模块仿真 .17 4 总结 .18 致 谢 . 错误 !未定义书
9、签。 参考文献 .19 附录 1 顶层框图 .20 附录 2 程序源代码 .21 - 1 - 1 引言 1.1 产品的背景介绍 Percy L.Spencer 早在 1946 年提出了微波炉的概念，并在 1950 年取得了专利。微波炉的运作机制为微波在水中能产生摩擦热的原理。早期的 微波炉尺码庞大，重量超过 300 公斤，高度超过 1.5 米，因此主要只局限在大型餐厅和食物市场使用。第一部家用微波炉是在 1965 年由 Raytheon 集团生产的 1。 1.2 国内产品发展的现状 如今，中国已成为全球最大的微波炉生产基地，据统计， 2010年中国微波炉年产量已达 7000万台左右，从 200
10、9年中国市场的需求量来看 ,约在 5000万台左右。中国微波炉市场经过前几年的洗牌，已由几年前的 300多家减少至目前的 100多家，其中在市场上可统计的仅 30余家 2。 洋品牌在早期的微波炉市场，几乎占据了绝大部分的份额。 但初期由于微波炉市场属于导入期，价格高，能接受的消费者少，自 1996年以后，惠而浦等大部分都退出了中国市场，主要以出口为主。自 1998年后，外资品牌中以韩国品牌LG、三星表现较为突出，逐渐跨入第 2、第 3名，微波炉第一品牌为格兰仕。 2000年，美的介入，迅速崛起成为行业第三，三星也逐渐退出市场。 据中怡康统计资料显示， 2001 年，除 LG 外，其他洋品牌占有
11、率均低于 4 ，其中三星为 3 83 ，松下为 2 67 ，惠而浦为 1 41 ，格兰仕为 53 8 。目前，国内微波炉的年销售大约为 5000 万台左右，近两年需求的增幅 几乎没有较大的波动。业内人士认为，这是微波炉制造商谋求转型、转型加速的背景，微波炉已经度过普及阶段。国务院市场发展研究中心副主任陆刃波认为，格兰仕微波炉的发展是一条扩大规模和降低成本相辅相成的发展战略。随着规模的不断壮大和市场洗牌的最终完成，微波炉市场正在由粗犷的价格战转移到市场细分的和平时代。而据有关营销专家分析，在新型微波炉的强势冲击下，未来烘烤机、榨汁机等一些单一功能的厨房电器的竞争力很可能会可能被削弱 3。如同黑电
12、 3C- 2 - 化融合趋势一样，微波炉不断吸附融合其他厨电功能，向全新的微波炉概念转型，形成 台和 摄像头的工作原理后 ， 通过 Visual Studio 2008 集成开发环境对 基于Windows Mobile 系统操作平台的摄像头实现开发应用 4。 包括如何 通过智能设备上的摄像头获取图像信息， 如何 设置图像信息的存储路径，更改图像信息的存储文件名，设置图像信息的存储大小，设置图像信息的质量和滤镜，最后再在模拟器 和真机 上 调试程序， 达到对摄像头进行仿真 和 测试的目的。 厨房综合体似的概念。微波炉是第三次革命的一个重要结晶，将逐步发展成为厨房的综合型设备。 1.3 产品的发展
13、趋势 随着科学技术的进步，电子技术、传感器技术 以及材料技术近年来得到了很大的发展。国内外微波炉研发机构和生产工厂，为了满足 各类 消费者的 日常需求 ，将各种先进的现代化技术应用于微波炉 ，并 推出了一系列新颖先进的微波炉产品。 微波炉更加 智能化 ， 采用微电脑控制技术和传感器感测技术，实现微波炉的智能化加热烹调，是微波炉技术发展的一大方向。这种智能化微波炉，无需使用者在操作按键上输入烹调时间、加热功率、食物重量等参数，只要按一下启动按键，微波炉内的传感器就将检测到的食物温度、蒸汽湿度等参数不断输出给微电脑控制芯片，微电脑控制芯片进行一系列 的 运算、比较 和 分析之后，输出 相应的指令，
14、自动控制微波炉的加热时间和功率大小，实现 微波炉的 智能化全自动 化 烹调 5。随着模糊控制技术的研究 、 推广和应用，各种专业用途的模糊控制芯片不断推出，使得微波炉的智能化自动控制技术水平 也 大大提高。 1.4 微波简介 微波一般是指波长在 1mm 1m 范围的电磁波。由于这种电磁波与无线电台所应用的电磁波相比波长很小 ,所以被称为微波。微波的频率在 300MHz 300GHz之间 ,但为了防止民用微波能技术对军用微波雷达和通讯广播的干扰 ,国际上规定供民用的微波频率为 915MHz、 2450MHz、 5850MHz、 22125MHz 四种 ,目前 915MHz和 2450MHz 这两
15、个频率已广泛被微波干燥和微波加热所采用。从实质上讲 ,微波- 3 - 也是一种能量形式 ,在电介质中可以转化为热量。能量转化的机理有许多种 ,如离子传导、偶极子转动、界面极化、磁滞、压电现象、电致伸缩、核磁共振、铁磁共振等 ,微波加热主要利用了离子传导及偶极子转动。 - 4 - 2 微波炉控制器的实现方案 2.1 微波炉控制器的功能 微波炉控制器部分完成各工作状态之间的切换功能。 微波炉控制器 具有定时和信息显示的功能，能够在任何时刻取消当前的工 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，显示烹调工作状态。 2.2 实
16、现方案比较 2.2.1 基于单片机控制的微波炉控制器的设计 利用单片机多中断源的协调处理能力，通过中断接受键盘送来的信号，确认功能设置，实现数据装入，同时接收时钟芯片的脉冲信号作为基准信号，完成计时任务。其次，从 CPU 根据主 CPU 发出的信号控制语音播报、远程操作等功能。 由于单片机的功能比较大，几乎各种品牌的 MCU 都可以做到这一功能，最多是外围的器件用得多少而已， PIC 型的、 ATMEL 的 89系列的或是 AVR 系列的等等都行。 图 3-1为该微波炉控制器的框架图。 图 3-1 基于单片机的微波炉控制器设计系统图 2.2.2 采用模糊设计实现微波炉控制器的设计 微波炉采用模
17、糊控制的方法能够自动地推断出食物的重量和烹调时间，从功能设置部分 数据装入部分 定时 部分 显示部分 声音控制部分 - 5 - 而实现了食物烹调和解冻的智能控制，并且保证了烹调的质量 ,而信息技术的应用，使得那些追求变化用户可以通过下载由专业人员编写的各种新型菜谱，直接选择烹调方式，并由上位机轻松地控制微波炉的工作，进一步提高了微波炉的智能化水平 8。 微波炉模糊控制器采 用单片机与模糊控制理论相结合的方法 ,根据食物的温度和湿度模糊推理出烹调时间 ,操作者只需输入所烹调食物的种类即可完成所有操作 ,避免了因经验不足、设定时间不准而造成的烹调失败 。 在实现中，可以采用 FPGA，软件部分采用
18、 VHDL 描述语言进行逻辑功能设计，再通过图形输入的方法实现逻辑模块的连接，最终完成软件设计。硬件部分通过 可编程 器件来实现。先将程序下载到专用 CPLD 芯片上，再通过外接硬件电路完成 ,设计简单，成本较低。 采用单片机设计功能丰富 ,产品可以实现轻便化、使用灵活。采用 ANFIS设计系统在企业生产的实际应用 中取得了良好的效果，对企业降低成本、减少办公费用和建立良好的企业形象都气了巨大的作用， 在分布式开发环境方面，留有较大的余地，等待我们去填补。 然而 用 EDA 工具进行电子系统设计不仅缩短了设计周期，降低了成本，而且设计出来的系统速度更快、体积更小、重量更轻、功耗更低，从而满足现
19、代电子系统发展的需求 。 2.2.3 采用 FPGA 设计实现微波炉控制器的设计 用 FPGA(现场可编程门阵列 )实现，遵循的是自顶向下的设计思想，采用VHDL 硬件描述语言设计实现微波炉的的各个控制模块。通过 VHDL 编程实现各底层模块的功能，顶层设 计用原理图输入法完成。 微波炉控制器系统主要由数据装载模块，计时器模块，显示译码模块，控制器模块四个模块组成。 应用 FPGA芯片和 VHDL设计的微波炉控制器系统，硬件电路简单，开发周期短，成本低，同时也能提高系统的可靠性和精度，并使系统更加灵活，便于修改。因此我采用了 FPGA设计来现微波炉控制器的设计。 - 6 - 3 基于 FPGA 的微波炉控制器的设计 3.1 系统设计总体方案 微波炉控制器系统主要由数据装载模块，计时器模块，显示译码模块，控制器模块四个模块组成。 图 3-1 基于 FPGA 的微波炉控制器系统图 首先 输入一个时间信号由数据装载模块进行装载，然后经过烹饪计时模块再通过显示译码模块进行编译最后通过数码管显示，而数据装载模块，烹饪计时模块，显示译码模块同时由控制状态模块控制。输入端有，复位，测试，设置时间，加十位，加个位，解冻，烹调，烧烤按键， 该微波炉具有解冻、烹调和烧烤三种不同的功能。而功率调整的控制方法是通过对磁控管间歇通电来实现的。
