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：