微波爐的設計【帶PROE三維】【畢業(yè)論文+實習報告】

微波爐的設計

50頁 16000字數(shù)+論文說明書【詳情如下】

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微波爐.dwg

微波爐的設計說明書.doc

畢業(yè)實習報告.doc

微波爐的設計

目 錄

1. 緒論 1

1.1. 任務的提出 1

1.2. 課題的內(nèi)容和要求 1

1.3. 設計的目的和意義 2

2. 關鍵技術簡介 3

2.1. FPGA簡介 3

2.2. VHDL語言概述 3

2.3. Quartus II 開發(fā)系統(tǒng)簡介 5

3. 系統(tǒng)總體設計 7

3.1. 系統(tǒng)總體設計方案 7

3.2. 系統(tǒng)功能模塊描述 9

3.2.1. 輸入模塊 10

3.2.2. 控制模塊 10

3.2.3. 顯示模塊 11

3.3. 系統(tǒng)的工作流程 11

4. 系統(tǒng)詳細設計 13

4.1. 輸入模塊設計 13

4.1.1. 鍵盤掃描 13

4.1.2. 鍵盤譯碼 16

4.1.3. 輸入模塊的實現(xiàn) 17

4.2. 控制模塊設計 18

4.2.1. 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制 19

4.2.2. 數(shù)據(jù)裝載 22

4.2.3. 烹飪計時 23

4.2.4. 溫度控制 26

4.2.5. 控制模塊的實現(xiàn) 29

4.3. 顯示模塊設計 31

5. 系統(tǒng)仿真 35

5.1. 輸入模塊仿真 35

5.2. 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器仿真 35

5.3. 數(shù)據(jù)裝載器仿真 36

5.4. 烹飪計時器仿真 37

5.5. 顯示譯碼器仿真 39

6. 結論 41

致 謝 42

參考文獻 43

摘 要

本論文介紹了微波爐的設計，應用FPGA芯片和硬件描述語言(VHDL)設計微波爐控制器系統(tǒng)的方法。系統(tǒng)使用VHDL編程實現(xiàn)各底層模塊的功能，頂層的設計采用圖形輸入完成。論文主要闡述模塊化設計的思想和狀態(tài)圖的描述方法，以及他們在硬件描述語言中的應用，并展示了其在Quartus II 開發(fā)系統(tǒng)下的仿真結果。

微波爐控制器系統(tǒng)是一個實用型的系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅具有操作簡單的功能，而且烹調(diào)效果好，你可以按照固定程序烹調(diào)一些家常菜，可以采取分時、分不同級別火力加熱，既能節(jié)約時間又能節(jié)約能源。主要有以下幾個模塊：輸入模塊、控制模塊和顯示模塊。輸入模塊實現(xiàn)按鍵掃描和鍵盤譯碼、控制模塊包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)裝載、烹飪計時、溫度控制、音效提示等等、顯示模塊涉及到顯示譯碼和指示燈的閃爍。

經(jīng)過對系統(tǒng)做需求分析，詳細功能設計、編碼，模塊連接，并利用FPGA實現(xiàn)相應的功能，經(jīng)過波形仿真、下載調(diào)試，驗證了設計方案的可行性及實現(xiàn)方法的有效性，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)的要求。

關鍵詞：FPGA；VHDL；微波爐；狀態(tài)圖；定時器

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. 緒論

隨著人民生活水平的提高，微波爐開始進人越來越多的家庭，它給人們的生活帶來了極大的方便。微波爐由2450MHz的超高頻來加熱食物。它省時、省電、方便和衛(wèi)生。作為現(xiàn)代的烹飪工具，微波爐的控制器體現(xiàn)著它的重要性能指標。目前大部分微波爐控制器采用單片機進行設計，電路比較復雜，性能不夠靈活。本文采用先進的EDA技術，利用Quartus II工作平臺和VHDL設計語言，設計了一種新型的微波爐控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有系統(tǒng)復位、時間設定、烹飪計時、溫度控制和音效提示等功能，在FPGA上實現(xiàn)。

1.1. 任務的提出

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。隨著控制技術和智能技術的發(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：不能按既有程序進行烹調(diào)，需要使用者根據(jù)食物的類型、數(shù)量、溫度等因素去設定微波爐的工作時間，若設定的工作時間過長，含水分較多的食物可能會產(chǎn)生過熱碳化的現(xiàn)象，若時間過短則達不到預期的烹調(diào)效果。不僅在節(jié)能方面未做過多考慮，使用者還需要經(jīng)常翻看使用說明書才能完成操作過程。針對這些問題，筆者認為有必要研制一種操作簡單且烹調(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、分檔火力加熱，節(jié)時又節(jié)能。

1.2. 課題的內(nèi)容和要求

本課題是基于FPGA的微波爐控制器設計，即設計一個具備定時、溫控、信息顯示和音響效應提示功能的微波爐控制器，實現(xiàn)一些功能：

? 該微波爐控制器能夠在任意時刻取消當前工作，復位為初始狀態(tài)。

? 可以根據(jù)需要設置烹調(diào)時間的長短，系統(tǒng)最長的烹調(diào)時間為59分59秒；開始烹調(diào)后，能夠顯示剩余時間的多少。

? 可以根據(jù)需要設置烹調(diào)最高溫度值，系統(tǒng)最高的烹調(diào)溫度為999℃；開始烹調(diào)后，能夠顯示系統(tǒng)當前溫度值。

? 可以控制火力大小，供選擇的火力檔位有高、中、低三個火力檔位。

? 音響效應提示直接外接一個蜂鳴器，同時用一個指示燈提示。

? 顯示微波爐控制器的烹調(diào)狀態(tài)。

1.3. 設計的目的和意義

目前大部分微波爐控制器采用單片機進行設計，電路比較復雜，性能不夠靈活。本設計采用先進的EDA 技術，利用VHDL 設計語言，設計一種新型的微波爐控制器。該控制器具有系統(tǒng)復位、狀態(tài)控制、時間設定、火力檔位選擇、烹飪計時、溫度控制、顯示譯碼和音效提示等功能，基于FPGA 芯片實現(xiàn)。

該微波爐控制系統(tǒng)，除實現(xiàn)常規(guī)的解凍、烹調(diào)、烘烤的基本功能外，還進行了創(chuàng)新設計，實現(xiàn)了微波爐的自定義設置。

本系統(tǒng)控制部分以FPGA芯片為核心，通過功能按鍵設置和手動數(shù)據(jù)輸入，完成不同功能時自動以預置方案或者自定義方案加熱。其中，預制方案提供烹調(diào)、烘烤、解凍等系統(tǒng)烹調(diào)流程，僅供用戶選擇，無需設置；而自定義方案，用戶根據(jù)食物含量、重量等手動設置時間、溫度和選擇火力等操作。在烹飪過程中，能通過數(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。

該系統(tǒng)在功能執(zhí)行時，能實現(xiàn)門開關檢測、鍵盤輸入掃描、溫度控制、LED顯示、工作狀態(tài)指示、蜂鳴等。

6. 結論

該課題是利用ALTERA公司的QUARTUS開發(fā)環(huán)境和軟件，進行VHDL程序設計，然后進行仿真，調(diào)試，以CYC-L2 V2.0便攜式EDA/SOPC/DSP實驗系統(tǒng)為硬件平臺，實現(xiàn)了一個簡單的微波爐控制器系統(tǒng)的設計。在整個畢業(yè)設計過程中，進行了系統(tǒng)的總體設計，硬件設備的選用，軟件和開發(fā)環(huán)境的安裝，VHDL程序設計與仿真。

設計的重點主要在系統(tǒng)的規(guī)劃以及程序的設計與調(diào)試上，要做到鍵盤與數(shù)碼管，LED燈的一體化，需要在鍵位設置時進行準確的設計，通過鍵盤的掃描，消抖和譯碼，達到一鍵一碼的目的，做到功能的完善。

設計的難點主要在功能控制上，數(shù)據(jù)和控制信號較多，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化也較為復雜，在設計中帶來了一些困難。另外在仿真分析上，因為需要測試的結果很多，有些結果無法預料，無法在仿真中看到。

本設計也存在一定的不足。由于本身能力和實驗器材的限制，無法在系統(tǒng)中建立完善的體制，只是實現(xiàn)了一個微波爐控制器的基本功能。比如像存儲功能，就沒有在系統(tǒng)中考慮到，這些都有待以后的繼續(xù)提高和完善。

致 謝

本文是在導師XX的認真要求和悉心指導下完成的。在這半年期間，無論是從選題的確定，論文的寫作、修改到最后的定稿，時刻都能得到XX老師的啟發(fā)和引導。特別是她多次詢問我設計進程，在我感到進展困難的時候為我指點迷津，幫助我開拓思路，精心點撥，熱忱鼓勵。正是在XX老師不遺余力的幫助下，我的設計思路才得以能夠從混亂到清晰，論文材料才能夠從蕪雜到精到，語言組織才可以從瑣碎到精煉，一步一步接近完善。XX老師嚴肅的教學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風深深地感染和激勵著我，在此，謹向XX老師致以我最誠摯的謝意和崇高的敬意！謝謝XX老師！

在學習期間，也得到學院各位老師的無私幫助和熱心教誨，在此向?qū)W院的各位領導、老師表示衷心的感謝，謝謝你們給我提供了一個友好融洽的學習環(huán)境。同時，對各位老師在專業(yè)知識與其他方面給予的幫助，在此一并表示誠摯的謝意！也感謝在我學習和生活中給予幫助的各位同學，特別是同組成員XX同學，從最初的選題理解以及模塊搭建到最后的論文撰寫，我們一起討論學習，他給予了我很大幫助

再一次向我的導師XX老師表示感謝，并向所有在論文完成過程中給予過我關心、幫助和支持的老師、同學、朋友們致以最誠摯的謝意，謝謝你們！

同時也感謝學校圖書館給我們提供了良好的查詢資料和下載資料的場所，感謝學院為我們提供了良好的做畢業(yè)設計的環(huán)境。

感謝參加論文評審和答辯的各位教授、專家! 感謝你們能在百忙之中給予指導!

感謝所有關心我的人！

參考文獻

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I 微波爐的設計 目 錄 1. 緒論 ................................................................................................................................. 1 任務的提出 .......................................................................................................... 1 課題的內(nèi)容和要求 .............................................................................................. 1 設計的目的和意義 .............................................................................................. 2 2. 關鍵技術簡介 ................................................................................................................. 3 介 ........................................................................................................... 3 言概述 .................................................................................................. 3 I 開發(fā)系統(tǒng)簡介 .................................................................................... 5 3. 系統(tǒng)總體設計 ................................................................................................................. 7 系統(tǒng)總體設 計方案 .............................................................................................. 9 系統(tǒng)功能模塊描述 ............................................................................................ 12 輸入模塊 ................................................................................................. 13 控制模塊 ................................................................................................. 13 顯示模塊 ................................................................................................. 13 系統(tǒng)的工作流程 ................................................................................................ 13 4. 系統(tǒng)詳細設計 ............................................................................................................... 16 輸入模塊設計 .................................................................................................... 16 鍵盤掃描 ................................................................................................. 16 鍵盤譯碼 ................................................................................................. 19 輸入模塊的實現(xiàn) ..................................................................................... 20 控制模塊設計 .................................................................................................... 21 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制 ......................................................................................... 21 數(shù)據(jù)裝載 ................................................................................................. 24 烹飪計時 ................................................................................................. 25 溫度控制 ................................................................................................. 28 控制模塊的實現(xiàn) ..................................................................................... 31 顯示模塊設計 .................................................................................................... 33 . 系統(tǒng)仿真 ....................................................................................................................... 37 輸入模塊仿真 .................................................................................................... 37 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器仿真 ........................................................................................ 37 數(shù)據(jù)裝載器仿真 ................................................................................................ 38 烹飪計時器仿真 ................................................................................................ 39 顯示譯碼器仿真 ................................................................................................ 41 6. 結論 ............................................................................................................................... 43 致 謝 ................................................................................................................................... 44 參考文獻 ............................................................................................................................. 45 附 錄 ................................................................................................................................... 46 3 摘 要 本論文介紹了微波爐的設計 ， 應用 片和硬件描述語言 (計微波爐控制器系統(tǒng)的方法。 系統(tǒng)使用 程實現(xiàn)各底層模塊的功能，頂層的設計采用圖形輸入完成。 論文 主要闡述 模塊化設計 的 思想和狀態(tài)圖 的 描述方法 ，以及他們 在硬件描述語言中的應用，并展示了其在 I 開發(fā)系統(tǒng)下的仿真結果 。 微波爐控制器系統(tǒng)是一個實用型的系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅 具有 操作簡單 的功能， 而且烹調(diào)效果好， 你 可以按 照 固定程序 烹調(diào) 一些家常菜， 可以 采取分時、分 不同級別 火力加熱， 既能節(jié)約時間又能節(jié)約能源 。 主要有 以下幾個模塊：輸入模塊、控制模塊 和 顯示模塊。輸入模塊 實現(xiàn) 按鍵掃描和鍵盤譯碼 、 控制模塊包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制、數(shù)據(jù)裝載、烹飪計時、溫度控制、音效提示 等 等 、 顯示模塊涉及到顯示譯碼和指示燈的閃爍。 經(jīng)過 對系統(tǒng)做 需求分析， 詳細功能 設計 、編碼 ， 模塊連接 ，并利用 現(xiàn)相應的功能，經(jīng)過波形仿真、下載調(diào)試，驗證了設計方案的可行性及實現(xiàn)方法的有效性，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)的要求。 關鍵詞： 波爐；狀態(tài)圖；定時器 4 to of to of of is of of in I. is a of of to to It a of as so to of of to it of of of 微波爐控制器設計 - 1 - 1. 緒論 隨著人民生活水平的提高，微波爐開始進人越來 越多的家庭，它給人們的生活帶來了極大的方便。微波爐由 2450超高頻來加熱食物。它省時、省電、方便和衛(wèi)生。作為現(xiàn)代的烹飪工具，微波爐的控制器體現(xiàn)著它的重要性能指標。目前大部分微波爐控制器采用單片機進行設計，電路比較復雜，性能不夠靈活。本文采用先進的 術，利用 I 工作平臺和 計語言，設計了一種新型的微波爐控制器系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有系統(tǒng)復位、時間設定、烹飪計時、溫度控制和音效提示等功能，在 實現(xiàn)。 任務的提出 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 術和智能技術的發(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：不能按既有程序進行烹調(diào)，需要使用者根據(jù)食物的類型、數(shù)量、溫度等因素去設定微波爐的工作時間，若設定的工作時間過長，含水分較多的食物可能會產(chǎn)生過熱碳化的現(xiàn)象，若時間過短則達不到預期的烹調(diào)效果。不僅在節(jié)能方面未做過多考慮，使用者還需要經(jīng)常翻看使用說明書才能完成操作過程。針對這些問題，筆者認為有必要研制一種操作簡單且烹調(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、分檔火力加熱，節(jié)時又節(jié)能。 課 題的內(nèi)容和要求 本課 題是 基于 微波爐控制器設計 ，即 設計一個具備定時、溫控、信息顯示和音響效應提示功能的微波爐控制器 ，實現(xiàn)一些功能： ? 該微波爐控制器能夠在任意時刻取消當前工作，復位為初始狀態(tài)。 ? 可以根據(jù)需要設置烹調(diào)時間的長短，系統(tǒng)最長的烹調(diào)時間為 59 分 59 秒；開始烹調(diào)后，能夠顯示剩余時間的多少。 ? 可以根據(jù)需要設置烹調(diào)最高溫度值，系統(tǒng)最高的烹調(diào)溫度為 999℃；開始烹調(diào)后，能夠顯示系統(tǒng)當前溫度值。 ? 可以控制火力大小，供選擇的火力檔位有高、中、低三個火力檔位。 ? 音響效應提示 直接外接一個蜂鳴器，同時用一個指示燈提示。 ? 顯示微波爐 控制器的烹調(diào)狀態(tài)。 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 2 - 設計的目的和意義 目前大部分微波爐控制器采用單片機進行設計，電路比較復雜，性能不夠靈活。本設計采用先進的 術，利用 計語言，設計一種新型的微波爐控制器。該控制器具有系統(tǒng)復位、狀態(tài)控制、時間設定、火力檔位選擇、烹飪計時、溫度控制、顯示譯碼和音效提示等功能，基于 片實現(xiàn)。 該微波爐控制系統(tǒng)，除實現(xiàn)常規(guī)的解凍、烹調(diào)、烘烤的基本功能外，還進行了創(chuàng)新設計，實現(xiàn)了微波爐的自定義設置。 本系統(tǒng)控制部分以 片為核心，通過功能按鍵設置和手動數(shù)據(jù)輸入，完成不同功能時自動以 預置方案或者自定義方案加熱。其中，預制方案提供烹調(diào)、烘烤、解凍等系統(tǒng)烹調(diào)流程，僅供用戶選擇，無需設置；而自定義方案，用戶根據(jù)食物含量、重量等手動設置時間、溫度和選擇火力等操作。在烹飪過程中，能通過數(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。 該系統(tǒng)在功能執(zhí)行時，能實現(xiàn)門開關檢測、鍵盤輸入掃描、溫度控制、 示、工作狀態(tài)指示、蜂鳴等。 基于 微波爐控制器設計 - 3 - 2. 關鍵技術簡介 介 即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 可編程 器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ 域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。 目前以硬件描述語言（ 完成的電路設計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 進行測試，是現(xiàn)代 計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如 者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學方程式。在大多數(shù)的 面，這些可編輯的元件里也包含記憶元 件例如觸發(fā)器（ 者其他更加完整的記憶塊。 系統(tǒng)設計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把 部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品 邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以 以完成所需要的邏輯功能。 般來說比 用集成芯片）的速度要慢，無法完成復雜的設計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的為這些芯片有 比較差的可編輯能力，所以這些設計的開發(fā)是在普通的 后將設計轉(zhuǎn)移到一個類似于 芯片上。 言概述 英文全名是 生于 1982 年。 1987 年底， 美國國防部確認為標準硬件描述語言。 要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結構，行為，功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語句外， 語言形式和描述風格與句法是十分類 似于一般的計算機高級語言。 程序結構特點是將一項工程設計，或稱設計實體（可以是一個元件，一個電路模塊或一個系統(tǒng)）分成外部（或稱可視部分 ,及端口 )和內(nèi)部（或稱不可西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 4 - 視部分），既涉及實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設計就可以直接調(diào)用這個實體。這種將設計實體分成內(nèi)外部分的概念是 統(tǒng)設計的基本點。 言能夠成為標準化的硬件描述語言并獲得廣泛應用，它自身必然具有很多其他硬件描述語言所不具備的優(yōu)點。歸納起來， 言主要具有以下優(yōu) 點： (1) 言功能強大，設計方式多樣 言具有強大的語言結構 , 只需采用簡單明確的 言程序就可以述十分復雜的硬件電路。同時 , 它還具有多層次的電路設計描述功能。此外， 言能夠同時支持同步電路、異步電路和隨機電路的設計實現(xiàn)，這是其他硬件描述語言所不能比擬的。 言設計方法靈活多樣，既支持自頂向下的設計方式，也支持自底向上的設計方法；既支持模塊化設計方法，也支持層次化設計方法。 (2) 言具有強大的硬件描述能力 言具有多層次的電 路設計描述功能，既可描述系統(tǒng)級電路，也可以描述門級電路；描述方式既可以采用行為描述、寄存器傳輸描述或者結構描述，也可以采用三者的混合描述方式。同時， 言也支持慣性延遲和傳輸延遲，這樣可以準確地建立硬件電路的模型。 言的強大描述能力還體現(xiàn)在它具有豐富的數(shù)據(jù)類型。 言既支持標準定義的數(shù)據(jù)類型，也支持用戶定義的數(shù)據(jù)類型，這樣便會給硬件描述帶來較大的自由度。 (3) 言具有很強的移植能力 言很強的移植能力主要體現(xiàn)在：對于同一個硬件電路的 言描述 ，它可以從一個模擬器移植到另一個模擬器上，從一個綜合器移植到另一個綜合器上，或者從一個工作平臺移植到另一個工作平臺上去執(zhí)行。 (4) 言的設計描述與器件無關 采用 言描述硬件電路時，設計人員并不需要首先考慮選擇進行設計的器件。這樣做的好處是可以使設計人員集中精力進行電路設計的優(yōu)化，而不需要考慮其他的問題。當硬件電路的設計描述完成以后， 言允許采用多種不同的器件結構來實現(xiàn)。 (5) 言程序易于共享和復用 言采用基于庫 ( 的設計方法。在設計過程中，設計人員可以建立各種可再次利用的模塊，一個大規(guī)模的硬件電路的設計不可能從門級電路開始一步步地進行設計，而是一些模塊的累加。這些模塊可以預先設計或者使用以前設計中的基于 微波爐控制器設計 - 5 - 存檔模塊，將這些模塊存放在庫中，就可以在以后的設計中進行復用。 由于 言是一種描述、模擬、綜合、優(yōu)化和布線的標準硬件描述語言，因此它可以使設計成果在設計人員之間方便地進行交流和共享，從而減小硬件電路設計的工作量，縮短開發(fā)周期。 I 開發(fā)系統(tǒng)簡介 司的 I 開發(fā)系 統(tǒng)以其獨特的設計理念，為用戶提供了一種全新的可編程邏輯器件開發(fā)系統(tǒng)。它集合了 全部 件的硬件開發(fā)功能，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)級設計、綜合、仿真、約束等功能，還具有在線測試功能。 I 件具有以下特性： 1、提供的集成物理綜合技術 I 軟件包括唯一的 應商提供的集成物理綜合優(yōu)化技術。 I 物理綜合選項應用在編譯的布局布線階段，而與采用何種綜合工具無關。 2、更快的時序逼近 I 軟件用戶能夠利用強大的時序逼近 流程特性來優(yōu)化設計，使其超過按鍵式編譯結果的性能。 I 軟件的時序逼近流程由于其包含了內(nèi)置物理綜合工具以及豐富的圖形分析和編輯工具，提供了強大的交互探測能力，具有極大的吸引力。 3、最易使用的設計優(yōu)化技術 I 軟件采用按鍵式設計流程，滿足了大部分設計的時序要求。當設計人員進一步需要更好的編譯結果時， I 軟件提供了一些高級工具，可以輕松地實現(xiàn)優(yōu)化設計。用戶可以使用設計空間搜索器（ 用自動技術，是寄存器到寄存器設計性能平均提高 21%。時序優(yōu)化顧問工具在 I 軟件內(nèi)給設計人員提供了一個虛擬的現(xiàn)場應用工程師。這個工具基于當前設計工程設置和約束，提供詳細的優(yōu)化設計時序性能的建議。 4、實現(xiàn)后期設計更改的同時保持性能 可編程邏輯設計軟件的一個傳統(tǒng)困難是；當引入后期設計更改的時候，如何保持設計的性能。然而， I 軟件能夠輕松地實現(xiàn)后期設計更改。最新的增量式設計編輯器和編譯技術給設計人員提供了布局布線后設計更改的最佳支持。這些技術包括： I 芯片編輯器； 在 域中實現(xiàn)布局布線鎖定的能力； 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 6 - 使用漸進式編譯 ，僅實現(xiàn)對部分改動的設計進行修改。 5、提供并行開發(fā) 結構化 I 軟件能夠編譯 件，從而提供了高性能低成本器件的解決方法。構化 供了比 均高 50%的性能，進步一步加強了 件系列 65 司的 I 設計軟件提供完整的多平臺設計環(huán)境，能夠直 接滿足特定設計需要，為可編程芯片系統(tǒng)（ 供全面的設計環(huán)境。 I 軟件含有 計所有階段的解決方案，其設計流程包含設計輸入、綜合、布局布線、時序分析、仿真、編程和配置等步驟，其中的布局布線還包括功耗分析、調(diào)試、工程更改管理幾個部分。這些操作都可以利用 I 軟件實現(xiàn)。 此外， I 軟件為設計流程的每個階段提供了 I 圖形用戶界面、具界面以及命令行界面?？梢栽谡麄€流程中只使用這些界面中的一個，也可以在設計流程的不同階段使用不 同的界面。 基于 微波爐控制器設計 - 7 - 3. 系統(tǒng) 總體 設計 微波爐的 造型設計如下圖： 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 8 - 基于 微波爐控制器設計 - 9 - 系統(tǒng)總體設計方案 根據(jù)題目要求，該系統(tǒng)控制部分以 片為核心，實現(xiàn)時間設置、溫度設定、火力選擇、音效響應提示、 碼管顯示等，在硬件組成上，涉及到電源供電、按鍵輸入、 碼管顯示、指示燈提示等。 以下是該系統(tǒng)總體框圖，如圖 示： 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 10 - 圖 微波爐控制器系統(tǒng)總體框圖 該控制器系統(tǒng)在 驗箱上實現(xiàn)的 外觀布局如圖 示。 采用 為 控制芯片， 16 個按鍵 組成 的 4*4 矩陣鍵盤， 每個按鍵代表的功能如圖 示， 8 個 為 8 個狀態(tài)提示指示燈 ， 4 位 碼管顯示加熱倒計時， 3 位 碼管顯示當前溫度值， 1 位 碼管顯示當前火力檔位。 在圖 ，各按鍵功能如下： 復位 ：按下此鍵， 系統(tǒng)進入初始狀態(tài) ， 8 個數(shù)碼管上會顯示 “88888888”的信息，所有 示燈亮。 測試 ：在待機狀態(tài)下按下此鍵，則數(shù)碼管和發(fā)光二極管全亮、全滅交替閃爍。 10 100℃ /100℃ /1℃ /四個鍵用于設定加熱時間、最高溫度或者選擇火力檔位。當按下 時間設置 按鍵時，四個按鍵分別表示設置定時時間的分、秒的十位和個位的數(shù)字；當按下 溫度設定 按鍵時，后面三個按鍵分別表示設定最高溫度的百位、十位、個位；當按下 火力設定 按鍵時，后面三個按鍵分別表示火力檔位的高、中、低三個檔位。由于在時間設置和溫度設定時，四個按鍵初始值均為 0，因此需要借助 ▲/+1 ▼/個按鍵共同實現(xiàn)時間、溫度的設定操作。比如設定烹飪時間為 12 分 59 秒，只需要選擇 10，然后按 ▲/+1 鍵 “1”次；選擇 100℃ /，然后按 ▲/+1 鍵 “2”次；選擇 100℃ /，然后按▲/+1 鍵 “5”次；選擇 1℃ /，然后按 ▲/+1 鍵 “9”次。同理，溫度設定操作如上。 基于 微波爐控制器設計 - 11 - 1 0 M i M i n/ 1 0 0 ℃/ H i g S e c/ 1 0 ℃/ M i d d l S e c/ 1 ℃/ L o w▲/ + 1▼/ - 1烹 調(diào)復 位R E S E 取 消C a n c e T E S 設 定P o w e 設 定T e m p e r at u r 設 置S E T _ 解 凍開 始 確 認S T A R G 芯 片工作狀態(tài)暫停測試烹調(diào)烘烤解凍意外報警完成提示顯 示 時 間 顯 示 溫 度火 力指 系統(tǒng) 外觀布局 暫停 /取消 ： 用于暫停食物烹飪過程或者取消食物烹飪前的參數(shù)設置過程。在食物烹飪過程中，若按下該鍵，則停止食物烹飪，進入待機狀態(tài)；在參數(shù)設置時，若按下此鍵，可取消設置的參數(shù)。 火力設定 ：用于設定系統(tǒng)火力檔位。按下該鍵，進入選擇 100℃ /100℃ /1℃ /鍵狀態(tài)。 溫度設定 ：設置加熱的溫度最高值。當按下該鍵時，進入調(diào)整 100℃ /100℃ /1℃ /鍵狀態(tài)。 時間設置 ：設置系統(tǒng)工作時間。按下該鍵，進入調(diào)整 10 100℃ /100℃ /1℃ /+1 ▼/鍵狀態(tài)。 烹調(diào) ：快速設定當前烹飪時間和火力到適合烹調(diào)的值。 烘烤 ：快速設定當前烹飪時間和火 力到適合烘烤的值。 解凍 ：快速設定當前烹飪時間和火力到適合解凍的值。 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 12 - 開始 /確認 ：在選擇烹調(diào)、烘烤、解凍或者設置時間、設定溫度、選擇火力等烹飪參數(shù)后，按下此鍵，開始進行烹飪。 指示燈功能 如下 ： ? 完成提示：提示微波爐工作完成。該燈亮時，表示烹飪完成； ? 意外報警：提示意外情況發(fā)生。該燈亮時，表示出現(xiàn)意外，微波爐暫停工作； ? 解凍：該燈亮時，表示工作在解凍模式下； ? 烘烤：該燈亮時，表示工作在烘烤模式下； ? 烹調(diào)：該燈亮時，表示工作在烹調(diào)模式下； ? 測試：該燈亮時，表示微波爐處于測試狀態(tài)； ? 開門指示：指示微波爐的門的 狀態(tài)，門開時燈亮，門關時燈滅； ? 工作狀態(tài)：指示微波爐處于工作狀態(tài)，工作時燈亮，不工作時燈滅； 系統(tǒng) 功能模塊描述 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對控制功能的設置，采用按鍵作為輸入設備。控制部分是本系統(tǒng)的核心，它接收用戶的輸入，完成相應的控制邏輯功能，并將當前的工作狀態(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)并提示用戶進行控制操作。 以下是該系統(tǒng)功能模塊圖，如圖 示 基于 微波爐控制器設計 - 13 - 圖 系統(tǒng)功能模塊圖 輸入模塊 輸入部分一般采用鍵盤或旋鈕作為輸入，由于實驗室已有設備限制，本 系統(tǒng)采用鍵盤進行輸入設置，即由一個 4*4 矩陣鍵盤實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入控制。該矩陣鍵盤上 16個按鍵分別 是： 10100℃ /100℃ /1℃ /▲/+1 復位 暫停 /取消 測試 ▼/火力設定 溫度設定 時間設置 烹調(diào) 烘烤 解凍 開始 /確認 。輸入模塊 包括 時鐘脈沖電路、鍵盤掃描電路、消枓同步電路和鍵盤譯碼電路 ， 通過 該模塊將掃描得到的按鍵值送到控制模塊。 控制模塊 控制部分作為整個微波爐控制器系統(tǒng)的核心，它采用 片作為主控核心，完成許多復雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務。它通過輸入模塊提供的按鍵輸入實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息裝載處理， 并將處理結果通過 顯示模塊顯示 出來 。其涉及到數(shù)據(jù)的裝載、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制、烹飪計時、溫度控制、火力控制、音響效應提示等。 顯示模塊 顯示部分采用七段數(shù)碼管和發(fā)光二極管來實現(xiàn)。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，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。具體設計時，采用 4 位 碼管顯示加熱倒計時， 3 位 1 位 碼管顯示當前火力檔位。 8 個狀態(tài)提示指示燈分別表示：工作狀態(tài)、開門指示、測試、烹調(diào)、烘烤、解凍、意外報警、完成提示。 系統(tǒng)的 工作流程 微波爐控制器系統(tǒng)的工作流程 為 ：上電后，系統(tǒng)首先處于一種復位狀態(tài)，其各電路模塊均處于初始狀態(tài)。此時， 8 個數(shù)碼管上會顯示 “88888888”的信息， 所有 指示燈亮。按 ， 數(shù)碼管和發(fā)光二極管全亮、全滅交替閃爍 ， 可以測試數(shù)碼管 和指示燈 工作是否正常。系統(tǒng)工作時，首先通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)，比如，按 烹調(diào) 、 烘烤 、解凍 鍵選擇系統(tǒng)預置方案，或者按時間設置 鍵設置時間，按溫度設定鍵設置溫度，按火力選擇鍵選擇火力，結合 10 100℃ / 100℃ /西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 14 - 1℃ /鍵進行自定義方案設置，設置結束以后，表示數(shù)據(jù)裝載完成，按后系統(tǒng)進入烹調(diào)狀態(tài)。在烹飪過程中，可以按 暫停 /取消 鍵暫停烹飪，或者重新設置時間、溫度、火力。烹飪結束后，系統(tǒng)會發(fā)出音效提示，同時，系統(tǒng)自動進入復位狀態(tài)。 根據(jù)系統(tǒng) 工作流程 ，繪制主程序流程圖， 如圖 示： 基于 微波爐控制器設計 - 15 - 圖 系統(tǒng)工作 流程 圖 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 16 - 4. 系統(tǒng)詳細設計 輸入模塊設計 輸入模塊采用 4*4 矩陣鍵盤作為輸入設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入控制。矩陣鍵盤是一種常見的輸入裝置，在日常生活中，矩陣鍵盤在計算機、電話、手機、微波爐等格式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應用，計算機鍵盤通常采用行列掃描法來確定所按下鍵的行列位置。由于鍵盤按鍵是一種機械開關，所以設計其控制電路時，需要涉及到鍵盤掃描、鍵盤譯碼，光靠矩陣鍵盤是無法完成按鍵輸入工作的。其中鍵盤掃描又涉及到時序產(chǎn)生、按鍵掃描和消除抖動。 鍵盤掃描 鍵盤處理的重要環(huán)節(jié)是時序產(chǎn)生、鍵盤掃描和按鍵消抖，以下分別針對所涉及到的電路進行描述。 1、時序產(chǎn)生電路 本時序產(chǎn)生電路中 使用了三種不同頻率的工作脈沖波形：系統(tǒng)時鐘脈沖、掃描鍵盤時鐘、鍵盤消抖動時鐘。 分別定義 如下： : 一般消抖動信號時鐘頻率必須比其它的電路使用的脈沖信號頻率更高 ,一般消抖動頻率是鍵盤掃描或 率的 4 倍或更高。這里系統(tǒng)時鐘頻率取 50描時鐘頻率取 100抖時鐘頻率取 200 生成的電 路符號如下，圖 示： C C t 圖 時序產(chǎn)生電路符號 2、按鍵掃描電路 所謂行列式鍵盤掃描，即用帶有 I/O 口的線組成行列式結構，按鍵設置在行列的基于 微波爐控制器設計 - 17 - 交點上。行列式矩陣鍵盤原理：按鍵設置在行列線的交叉點，行列 線 分別連接到按鍵的兩端。列線通過上拉電阻截止 +5V 電壓，即列線的輸出被定位到高電平狀態(tài)；判斷有無按鍵按下時通過行線送出掃描信號，然后列線讀取狀態(tài)得到。其方法是依次給行線送低電平，檢查列線的輸入。若列線全為高電平，則代表所在行無按鍵按下，若列線出現(xiàn)低電平，則低電平所在的行和出現(xiàn)低電平的列的交叉點處有按鍵 按下。行掃描信號為 .列輸入信號為 .與按鍵的對應關系如表 表 n×m 行列矩陣對應關系表 應的按鍵 1110 1110 1 1101 2 1011 3 0111 4 1101 1110 5 1101 6 1011 7 0111 8 1011 1110 9 1101 0 1011 A 0111 B 0111 1110 C 1101 D 1011 E 0111 F 鍵盤掃描電路是用來產(chǎn)生掃描信號 .其變化為周期性的有規(guī)律的變化 (1110 1101 1011 0111)，停留在每個狀態(tài)的時間由按鍵的機械物理特性決定，按鍵在閉合和斷開的瞬太短的按鍵掃描時間容易采集到按鍵抖動，太長的掃描時間容易丟失某些較快的按鍵信息。 完成程序設計，生成相應的電路符號，如圖 示： 西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 18 - S C A N _ C L K K E Y _ D R V [3 .k e y _ s c a 圖 鍵盤掃描電路符號 3、按鍵消抖電路 當一個按鍵按下和釋放時，對應信號線電平的變化有一個不穩(wěn)定期，即所謂 “抖動 ”，這是因為多數(shù)開關的閉合和斷開都有一個過程，并不是即刻實現(xiàn)的。在讀取鍵盤狀態(tài)時必須避開這個不穩(wěn)定期，以免造成誤判，這樣一個做法叫做 “去抖 ”。 如果當在一段時間內(nèi)都連續(xù)多次讀到同一個非空（即有鍵按下）的掃描碼，可以認為這時按鍵已處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時得到的掃描碼就代表了一個鍵盤動作，抖動的影響已經(jīng)被剔除。按照這個想法，只需設置一個倒數(shù)計數(shù)器，當每次讀到的非空掃描碼與上一次的相同，就將計數(shù)器加 1；而當一旦讀到不同的掃描碼或空碼則立即將計數(shù)器清 0。如果計數(shù)器的值達到某預定值 N 時，則表示連續(xù) N 次讀到同一掃描碼，于是可 認為已經(jīng)讀到了有效的按鍵。設鍵盤掃描的間隔是 T，則去抖的時間就是 N * T。在實際中 ，因為一般人的按鍵速度至多是 10 次 /秒，亦即一次按鍵時間是 100以按下的時間可估算為 50此，鍵盤掃描的頻率取 100抖時鐘頻率取200 綜合上述分析，該鍵盤掃描子模塊關鍵代碼如下： S S F(1') ________________F(1') 1' 完成 程序的輸入，編譯、運行，生成相應的電路符號，如下圖 示： D 1[ 15. D _T C D D 2[ 15. 圖 路符號 烹飪計時 烹飪計時器 減計數(shù)計數(shù)器，其最大計時時間為 59:59，因此可用兩個減計數(shù)十進制計數(shù)器 兩個減計數(shù)六進制計數(shù)器 聯(lián)構成。其中，兩個十進制的減法計數(shù)器用于分、秒的個位減法計數(shù)，兩個六進制的減法計數(shù)器用于分、秒的十位減法計數(shù)。 由所學知識可知，計數(shù)的功 能是累計輸入脈沖的個數(shù)，實現(xiàn)計數(shù)功能的數(shù)字電西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 26 - 路即計數(shù)器，被計數(shù)的脈沖可以是周期性脈沖，也可以是非周期性脈沖，通常加在計數(shù)器的時鐘脈沖輸入端，作為計數(shù)器的時鐘脈沖。 因此，根據(jù)減法計數(shù)器隨計數(shù)脈沖的不斷輸入而遞減計數(shù)，在具體設計該十進制減法計數(shù)器和六進制減法計數(shù)器過程中，可以當計數(shù)值減到 0 時，其計數(shù)器的數(shù)值自動轉(zhuǎn)為定時設定時間，在十進制計數(shù)器的設計過程中，可表達為： 0000" "0000000"; 生成電路符號，如圖 示： 4[ 3. D 7[ 6. M 圖 路符號 基于 微波爐控制器設計 - 37 - 5. 系統(tǒng)仿真 輸入模塊仿真 完成該鍵盤輸入模塊 程序文件輸入后，保存文件，對文件進行編譯，生成該 輸入 模塊部分 的 原理框圖，如圖 示： C _I N [ 3. . 0] _C _D [ 15. . 0]k ey U Y _ I N [ 3 . . 0 ] U T D A T A [ 1 5 . . 0 ]O U T P U T P U 輸入模塊 原理框圖 其中， 系統(tǒng)時鐘脈沖， .按鍵輸入， .按鍵輸入譯碼后的輸出值。 添加引腳，對該原理圖進行編譯、仿真。 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制 器仿真 完成狀態(tài) 轉(zhuǎn)換 控制器 模塊 程序文件輸入后，保存文件，對文件進行編譯，然后生成其模塊原理圖，如圖 示： R E S E T _ A R S N O T E S C D O N A R s S E T U T _T U A R T U S T U K U N E U O T P U T T P U C T P U D O U T P U T P U 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器 理圖 其中，輸入信號為 出信號為 據(jù)輸入信號和自身當時所處的狀態(tài)完成狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和輸出相應的控制信號。 示 入設置的烹調(diào)時間數(shù)據(jù)； 示 入烹調(diào)完畢的狀態(tài)信息 “顯示驅(qū)動信息數(shù)據(jù)； 示 入用于測試的數(shù)據(jù)“8888”以顯示驅(qū)動信息數(shù)據(jù)； 示烹調(diào)正在進行之中，并提示計時器進行減計西南石油大學本科畢業(yè)設計（論文） - 38 - 數(shù)； 外接音響效應揚聲器。 添加引腳，對該原理圖進行編譯、仿真，其仿真結果，如圖 示： 圖 狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制器 真圖 分析該仿真文件，可以看到，當測試信號 高電平有效時，測試輸出信號 高電平；否則，當時間設置信號 高電平時，對應的指示信號出高電平；當烹飪開始信號 號為高電平時，對應輸出 高電平；當復位信號 高電平時，系統(tǒng)復位清零，恢復初始狀態(tài)。仿真結果符合模塊設計的要求。 數(shù)據(jù)裝載器 仿真 完成數(shù)據(jù)裝載器 模塊 程序文件輸入后，保存文件，對文件進行編譯，生成該數(shù)據(jù)裝載器子模塊原理圖，如圖 示： D A T A 1 [ 1 5 . . 0 ]L D _ T E S _ C L _ D O N T A 2 [ 1 5 . . 0 ] A R s _ T E S T U _ C L K U _ D O N E U T A 2[ 15 . . 0]O U T P U T A 1[ 15 . . 0] U T P U A R T P U 數(shù)據(jù)裝載器 理