微波炉系统设计

1 选题的目的和意义1.1 选题的背景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 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。

1.3 选题的技术现状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 VHDL 设计语言，设计一种新型的微波炉控制器系统。

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。

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。

2 题目的主要内容本课题是基于 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。

2.1 设计的总体结构描述本系统主要由输入、控制和显示部分组成。

输入部分主要完成用户对控制功能的设置，采用按键作为输入设备。

控制部分是本系统的核心，它接收用户的输入，完成相应的控制逻辑功能，并将当前的工作状态等信息送到显示部分。

显示部分主要监视系统工作状态并提示用户进行控制操作。

以下是该系统功能模块图，如图 2.1 所示图 2.1 系统功能模块图2.1.1 设计的各个功能模块描述（1）输入模块输入模块主要完成用户对控制功能的设置，采用按键作为输入设备。

由于实验室已有设备限制，本系统采用键盘进行输入设置，即由一个 44 矩阵键盘实现数据输入控制。

该矩阵键盘上16 个按键分别是： 10Min、 1Min/100℃/High、10Sec/10℃/Middle 、1Sec/1℃/Low、▲/1 、复位、暂停/取消、测试、▼/-1 、火力设定、温度设定、时间设置、烹调、烘烤、解冻、开始/确认。

输入模块包括时钟脉冲电路、键盘扫描电路、消枓同步电路和键盘译码电路，通过该模块将扫描得到的按键值送到控制模块。

（2）控制模块控制模块是本系统的核心，它接收用户的输入，完成相应的控制逻辑功能，并将当前的工作状态等信息送到显示部分。

控制模块采用 FPGA 芯片作为主控核心，完成许多复杂的控制和数据处理任务。

它通过输入模块提供的按键输入实现数据信息装载处理，并将处理结果通过显示模块显示出来。

其涉及到数据的装载、状态转换控制、烹饪计时、温度控制、火力控制、音响效应提示等。

（3）显示模块显示模块主要监视系统工作状态并提示用户进行控制操作。

采用七段数码管和发光二级管来实现。

由于数码管显示信息较少，一些信息用数码管显示不够直观，因此本系统在采用数码管显示的同时，还用发光二极管作为辅助显示。

其中，用七段数码管作为时间、温度、火力大小显示，用发光二极管作为状态提示显示。

具体设计时，采用 4 位 LED 数码管显示加热倒计时，3 位 LED 数码管显示当前温度值，1 位 LED 数码管显示当前火力档位。

8个状态提示指示灯分别表示：工作状态、开门指示、测试、烹调、烘烤、解冻、意外报警、完成提示。

2.2 设计的预期结果系统预计操作流程：上电后，系统首先处于一种复位状态，其各电路模块均处于初始状态。

此时，8 个数码管上会显示“88888888”的信息，所有指示灯亮。

按 TEST 键，数码管和发光二极管全亮、全灭交替闪烁，可以测试数码管和指示灯工作是否正常。

系统工作时，首先通过键盘输入数据，比如，按烹调、烘烤、解冻键选择系统预置方案，或者按时间设置键设置时间，按温度设定键设置温度，按火力选择键选择火力，结合 10Min、1Min/100℃/High 、10Sec/10℃/Middle 、1Sec/1℃/Low 按键进行自定义方案设置，设置结束以后，表示数据装载完成，按 START 键后系统进入烹调状态。

在烹饪过程中，可以按暂停/取消键暂停烹饪，或者重新设置时间、温度、火力。

烹饪结束后，系统会发出音效提示，同时，系统自动进入复位状态。

其对应的系统流程图如下：图 2.2 系统流程图其相应的键盘控制布局如下所示：图 2.3 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音效提示等功能。

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）输入模块输入模块采用 44 矩阵键盘作为输入设备，实现数据输入控制。

矩阵键盘是一种常见的输入装置，在日常生活中，矩阵键盘在计算机、电话、手机、微波炉等格式电子产品上已经被广泛应用，计算机键盘通常采用行列扫描法来确定所按下键的行列位置。

由于键盘按键是一种机械开关，所以设计其控制电路时，需要涉及到键盘扫描、键盘译码，光靠矩阵键盘是无法完成按键输入工作的。

其中键盘扫描又涉及到时序产生、按键扫描和消除抖动。

（2）控制模块控制模块是整个微波炉控制器系统的核心，完成许多复杂的控制和数据处理任务，它通过输入模块提供的按键输入实现数据信息装载处理，控制显示模块显示相应的信息。

控制模块采用 FPGA 芯片作为主控芯片，其涉及到数据的装载、状态控制转换、烹饪计时、温度控制、火力控制、音效提示等。

其中，状态控制转换子模块，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。

数据装载子模块，其功能是根据按键信号设置定时时间、最高温度、火力档位，烹调属性设置以及烹调数据信息装载。

烹饪计时子模块，其功能是对时钟进行减法计数，提供烹调完成时的状态信号。

温度控制子模块，其功能是在食物烹饪过程中进行温度测定和控制，它同时实现火力控制。

音效控制子模块，其功能是控制微波炉工作时的音效提示，这里直接外接一个蜂鸣器实现该功能。

其功能子模块图如下，图 3.1 所示：3.1 控制模块功能子模块图其中，状态转换控制子模块 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；数据装载子模块 ZZQ 的功能是根据 KZQ 发出的控制信号选择系统预置方案或者根据自定义方案设定烹饪时间、设置最高温度值、选择火力档位等烹饪数据信息装载完成；烹饪计时子模块 JSQ 的功能是负责烹饪过程中的时间递减计数，是整个微波炉控制器的核心之一；温度控制子模块 KWQ 的功能是根据数据装载器 ZZQ 设置的烹饪数据信息进行温度测定和控制，包括温度的测定和控制两部分；音效控制子模块 ALARM的功能是当定时时间到和温度达到设定值时，进行音响提示。

（3）显示模块显示部分采用七段数码管和发光二极管来实现。

外观显示上，采用 4 位 LED 数码管显示加热倒计时，3 位 LED 数码管显示当前温度值，1 位 LED 数码管显示当前火力档位。

8 个状态提示指示灯分别表示：工作状态、开门指示、测试、烹调、烘烤、解冻、意外报警、完成提示。

具体设计时，需涉及到动态扫描和显示译码。

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MAXplusII 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：控制模块中的计时部分和温度控制部分难点：温度控制部分，在具体实现过程中还需要仔细考虑。