【文章內(nèi)容簡介】 所示。 采用 Cyclone II芯片 EP2C35F672C8 作為 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 所示， 8 個 LED 作為 8 個狀態(tài)提示指示燈 ， 4 位 LED 數(shù)碼管顯示加熱倒計時， 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。 在圖 中，各按鍵功能如下： 復(fù)位 ：按下此鍵， 系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài) ， 8 個數(shù)碼管上會顯示 “88888888”的信息，所有 LED 指示燈亮。 測試 ：在待機(jī)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。 10Min 1Min/100℃ /High 10Sec/10℃ /Middle 1Sec/1℃ /Low： 四個鍵用于設(shè)定加熱時 間、最高溫度或者選擇火力檔位。當(dāng)按下 時間設(shè)置 按鍵時，四個按鍵分別表示設(shè)置定時時間的分、秒的十位和個位的數(shù)字；當(dāng)按下 溫度設(shè)定 按鍵時，后面三個按鍵分別表示設(shè)定最高溫度的百位、十位、個位；當(dāng)按下 火力設(shè)定 按鍵時，后面三個西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 按鍵分別表示火力檔位的高、中、低三個檔位。由于在時間設(shè)置和溫度設(shè)定時，四個按鍵初始值均為 0，因此需要借助 ▲/+1 ▼/1 兩個按鍵共同實現(xiàn)時間、溫度的設(shè)定操作。比如設(shè)定烹飪時間為 12 分 59 秒，只需要選擇 10Min 鍵，然后按 ▲/+1 鍵 “1”次；選擇 1Min/100℃ /High 鍵，然后按 ▲/+1 鍵 “2”次；選擇 10Sec/10℃ /Middle 鍵，然后按▲/+1 鍵 “5”次；選擇 1Sec/1℃ /Low 鍵，然后按 ▲/+1 鍵 “9”次。同理，溫度設(shè)定操作如上。 1 0 M i n1 M i n/ 1 0 0 ℃/ H i g h1 0 S e c/ 1 0 ℃/ M i d d l e1 S e c/ 1 ℃/ L o w▲ / + 1▼ / 1烹 調(diào)復(fù) 位R E S E T暫 停 取 消C a n c e l測 試T E S T火 力 設(shè) 定P o w e r溫 度 設(shè) 定T e m p e r at u r e時 間 設(shè) 置S E T _ T烘 烤 解 凍開 始 確 認(rèn)S T A R TF P G A控 制芯 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 示 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(shè)置過程。在食物烹飪過程中，若按下該鍵，則停止食物烹飪，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；在參數(shù)設(shè)置時，若按下此鍵，可取消設(shè)置的參數(shù)。 火力設(shè)定 ：用于設(shè)定系統(tǒng)火力檔位。按下該鍵，進(jìn)入選擇 1Min/100℃ /High 10Sec/10℃ /Middle 1Sec/1℃ /Low 按鍵狀態(tài)。 溫度設(shè)定 ：設(shè)置加熱的溫度最高值。當(dāng)按下該鍵時，進(jìn)入調(diào)整 1Min/100℃ /High 基于 FPGA 的微波爐控制器設(shè)計 10Sec/10℃ /Middle 1Sec/1℃ /Low 按鍵狀態(tài)。 時間設(shè)置 ：設(shè)置系統(tǒng)工作時間。按下該鍵，進(jìn)入調(diào)整 10Min 1Min/100℃ /High 10Sec/10℃ /Middle 1Sec/1℃ /Low ▲/+1 ▼/1 按鍵狀態(tài)。 烹調(diào) ：快速設(shè)定當(dāng)前烹飪時間和火力到適合烹調(diào)的值。 烘烤 ：快速設(shè)定當(dāng)前烹飪時間和火力到適合烘烤的值。 解凍 ：快速設(shè)定當(dāng)前烹飪時間和火力到適合解凍的值。 開始 /確認(rèn) ：在選擇烹調(diào)、烘烤、解凍或者設(shè)置時間、設(shè)定溫度、選擇火力等烹飪參數(shù)后，按下此鍵，開始進(jìn)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?xí)r，表示烹飪完成； ? 意外報警：提示意外情況發(fā)生。該燈亮?xí)r，表示出現(xiàn)意外，微波爐暫停工作； ? 解凍：該燈亮?xí)r，表示工作在解凍模式下； ? 烘烤：該燈亮?xí)r，表示工作在烘烤模式下； ? 烹調(diào)：該燈亮?xí)r，表示工作在烹調(diào)模式下； ? 測試：該燈亮?xí)r，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(guān)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(shè)置，采用按鍵作為輸入設(shè)備?？刂撇糠质潜鞠到y(tǒng)的核心，它接收用戶的輸入，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)并提示用戶進(jìn)行控制操作。 以下是該系統(tǒng)功能模塊圖，如圖 所示 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 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(shè)備限制，本系統(tǒng)采用鍵盤進(jìn)行輸入設(shè)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： 10Min 1Min/100℃ /High 10Sec/10℃ /Middle 1Sec/1℃ /Low ▲/+1 復(fù)位 暫停 /取消 測試 ▼/1 火力設(shè)定 溫度設(shè)定 時間設(shè)置 烹調(diào) 烘烤 解凍 開始 /確認(rèn) 。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 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(jié)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(yīng)提示等。 基于 FPGA 的微波爐控制器設(shè)計 . 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(shè)計時，采用 4 位 LED 數(shù)碼管顯示加熱倒計時， 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(fù)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 TEST 鍵 ， 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(yù)置方案，或者按時間設(shè)置鍵設(shè)置時間，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)。在烹飪過程中，可以按 暫停 /取消 鍵暫停烹飪，或者重新設(shè)置時間、溫度、火力。烹飪結(jié)束后，系統(tǒng)會發(fā)出音效提示，同時，系統(tǒng)自動進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 根據(jù)系統(tǒng) 工作流程 ，繪制主程序流程圖， 如圖 所示： 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 圖 系統(tǒng)工作 流程 圖 基于 FPGA 的微波爐控制器設(shè)計 4. 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計 . 輸入模塊設(shè)計 輸入模塊采用 4*4 矩陣鍵盤作為輸入設(shè)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(jī)、電話、手機(jī)、微波爐等格式電子產(chǎn)品上已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，計算機(jī)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(jī)械開關(guān)，所以設(shè)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(jìn)行描述。 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： CLK: IN STD_LOGIC。 系統(tǒng)時鐘脈沖 CLK_SCAN : OUT STD_LOGIC。 掃描鍵盤時鐘 CLK_DEB : OUT STD_LOGIC 鍵盤消抖動時鐘 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 LED 頻率的 4 倍或更高。 這里 系統(tǒng)時鐘 頻率取 50MHZ，掃描時鐘 頻率取 100KHZ，消抖 時鐘 頻率取 200KHZ。 生成的電路符號如下，圖 所示 ： C LK C LK_ SC ANC LK_ D EBclk _genins t 圖 時序產(chǎn)生電路符號 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(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 交點上。行列式矩陣鍵盤原理：按鍵設(shè)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 KEY_DRV[3..0]，列輸入信號為 KEY_IN[3..0]，與按鍵的對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 表 nm 行列矩陣對應(yīng)關(guān)系表 KEY_DRV3 ~ KEY_DRV0 KEY_IN3 ~ KEY_IN0 對應(yīng)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 KEY_DRV[3..0]，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(jī)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(shè)計， 生成相應(yīng)的電路符號，如圖 所示： 基于 FPGA 的微波爐控制器設(shè)計 S C A N _ C L K K E Y _ D R V [3 ..0 ]k e y _ s c a nins t5 圖 鍵盤掃描電路符號 按鍵消抖電路 當(dāng)一個按鍵按下和釋放時，對應(yīng)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(guān)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(dāng)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(rèn)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(shè)置一個倒數(shù)計數(shù)器，當(dāng)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(dāng)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(dá)到某預(yù)定值 N 時，則表示連續(xù) N 次讀到同一掃描碼，于是可認(rèn)為已經(jīng)讀到了有效的按鍵 。設(shè)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 100ms，所以按下的時間可估算為 50ms。 因此，鍵盤掃描的頻率取 100KHz，消抖時鐘頻率取200KHz。 綜合上述分析，該鍵盤掃描子模塊關(guān)鍵代碼如下： COUNTER： BLOCK IS BEGIN PROCESS(CLK)IS BEGIN IF(CLK39。EVENT AND CLK=39。139。)THEN Q=Q+1。 END IF。 C_DEBOUNCING=Q(7)。 去抖時鐘信號 C_KEYBOARD=Q(9 DOWN TO 8)。 鍵掃信號 END PROCESS。 KEY_SCAN=1110 WHEN C_KEYBOARD=0 ELSE 1101 WHEN C_KEYBOARD=1 ELSE 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1011 WHEN C_KEYBOARD=2 ELSE 0111 WHEN C_KE