简易电磁炉控制器

1、数字电路与逻辑设计综合实验简易电磁炉控制器学 院：信息与通信工程学院 学生姓名： 班 级： 学 号： 班内序号：1、 摘要（150左右）与关键字（5个以内）摘要：电磁炉的设计中包含11个模块：模式调节，火力调节，时间模块，倒计时模块，关闭模块，点阵显示，数码管显示，分频器，防抖模块，蜂鸣器模块以及扩展模块的进度条模块，每个模块既可独立编写、仿真测试，又可在VHDL中将模块封装后，通过它们之间的控制关系进行连接，实现基本的电磁炉的功能。关键字：模式调节 火力调节 时间模块 倒计时模块 状态机2、 设计任务要求 题目一：简易电磁炉控制器的设计与实现 设计制作一个简易电磁炉控制器。基本要求： 1 、

2、烹饪模式选择：电磁炉的烹饪模式有火锅、煎炒、爆炒、煲汤和蒸炖五档可选。用一个按键（BTN7）实现烹饪档位的选择（按下此键依上述顺序依次变化），用点阵显示当前的烹调档位（火锅显示H、煎炒显示J、爆炒显示B 、煲汤显示T 和蒸炖显示Z），烹调档位的选择按键同时也是加热的开始按键，即烹调档位选定的同时电磁炉就以最大功率开始加热，没有选择时电磁炉处于停止状态，点阵不显示。 2 、火力调节：电磁炉的火力分 5 档可调： 1900W-1500W-1100W-600W-100W，用数码管DISP3-DISP0 显示当前的火力，用两个按键（BTN6 和BTN5）实现火力的增加或减少，烹调过程中，除爆炒模式外，

3、其它模式均可以随时可以调节火力，爆炒模式只能以最高功率加热。 3 、定时功能：用一个按键（BTN4）实现定时设置，按下定时键，蜂鸣器响一声，每按一次定时键，定时时间以5-10-30-60 秒钟的顺序依次递增，定时设定完毕后，电磁炉开始倒计时。用数码管 DISP5 和DISP4 显示定时档位和倒计时的过程，倒计时时间到后，电磁炉自动停止加热并关机。 4 、不进行定时操作时，电磁炉以默认加热时间进行加热。蒸炖模式的默认时间为 20秒钟；爆炒模式的默认时间是3 秒钟，爆炒3 秒钟后自动返回煎炒模式；其他模式的默认时间为90 秒。 5 、用点亮的发光二极管LD4 表示开机加热，熄灭表示关机。 6 、设

4、置关闭键，任何时候按下关闭键即可将电磁炉关机。 提高要求： 自拟其它功能。3、 设计思路、总体结构框图设计思路：首先确定该实验的功能，经过仔细分析后将该实验分为11个模块：模式调节，火力调节，时间模块，倒计时模块，关闭模块，点阵显示，数码管显示，分频器，防抖模块，蜂鸣器模块以及扩展模块的进度条模块，各个模块的功能的实现方法以及之间的联系如下：1.模式调节：6个状态的状态机，其中5个为循环状态机C-H-J-B-T-Z-H，C状态为启动循环而不参与循环；当有时间模块传来的timecontrol信号，爆炒模式B反向转换为煎炒模式J。2.火力调节：5个状态的状态机，190015001100600100

5、；当有模式调节传来的state2.0为爆炒模式B时，则状态机不起作用，输出只能为1900。3.时间模块：包含定时和不定时功能。系统默认为不定时计时，不同模式系统默认时间不同；当接受有外部按键信号BTN4时，通过二选一数据选择更改为定时计时，且不能返回不定时计时，包含5个状态，其中4个为循环状态机s0-s5-s10-s30-s60-s5，C状态为启动循环而不参与循环。两种计时方法均计时完毕发出close信号关机。4.倒计时模块：将时间模块传来的剩余时间显示在数码管上，需要时间模块传来的剩余时间lefttime信号。5.关闭模块：当接受有外部按键信号即模式调节按键BTN7，系统则由关闭状态转换为开

6、机状态；当接受到时间模块发出的计数完毕信号close或者外部关闭按键BTN3，则close模块产生复位信号reset，关闭所有模块。6.点阵显示：将模式调节的5个字母H、J、B、T、Z进行显示，通过逐行扫描点阵显示字母。7.数码管显示：显示火力调节的功率以及倒计时的时间，通过逐个选通CAT0CAT5来实现。8.分频器：将实验板的本振频率50MHz经过多级分频得到1kHz和100kHz。9.防抖模块：通过设计代码，将外部按键信号转换为一个标准的脉冲，此模块置于每个包含有外部按键的模块之前。10.蜂鸣器模块：当有外部按键BTN4时，即启动定时模块时，启动蜂鸣器，且蜂鸣的时间由一个计数统计上升沿的个

7、数，达到一定个数（10个）蜂鸣结束。11.进度条模块：倒计时开始时将8个LED灯均点亮，通过时间模块的剩余时间lefttime计算LED灯点亮的个数。 当所有模块分析清楚后，逐个编写每个部分的代码，编译成功后并测试单个模块的仿真波形，逐个下到实验板进行测试；如果下载到实验板不能完成功能，修改思路，重新编写本块代码，重新调试；当所有模块均能实现功能后，通过设计中各个模块之间的信号联系，将模块封装后进行连线，最终完成实验。总体结构框图：4、 控制器部分的状态转移图和流程图状态转移图：1. 模式调节2. 火力调节3. 时间模块流程图：5、 分块电路和总体电路的设计（含关键源程序或电路图）主要的分块电

8、路：1. 时间模块：包含不定时功能与定时功能（1） 系统默认的为不定时功能，即ordercontrol初始选择不定时norder模块；当有外部按键BTN4输入信号时，ordercontrol选择定时order模块，且改变只能一次，不能返回，直到计时结束关机；（2） 在选择功能时，如果有外部关闭按键BTN3的复位信号reset输入或者计时完毕时，则输出复位，且将ordercontrol重新初始化为norder状态；（3） 将输出的时间交付给倒计时模块count。 程序：ordercontrol.vhd architecture behave of ordercontrol issignal ma

9、sk:std_logic:=0;beginprocess(clk1kHz)begin if clk1kHzevent and clk1kHz =1 then if reset = 1 then resetorder=1;resetnorder=0; end if; if orderinput = 1 then resetorder=0;resetnorder=1; end if; orderset=orderinput; end if;end process;end behave;2. 倒计时模块：显示倒计时且使用频率时钟1kHz，需要进行转换leftimetemp/1000=leftime，

10、且将leftimetemp信号输出给进度条模块（1） ordercontrol是用来判断时间模块的时间改变时，计数是否要重新开始；（2） decount的功能是用来输出剩余时间，由于计时使用频率时钟1Hz会产生较大的延时，故采用频率时钟1kHz。对时钟的下降沿计数timecount，用总的时间*1000减去计数值timecount，则得到倒计时剩余的脉冲数；如果想得到时间，则需要leftimetemp/1000转换成真正的剩余时间leftime；（3） 将剩余时间leftime输出给div模块，整除后输出给十位，取余后输出给个位。（4） 将剩余的脉冲数leftimetemp输出给进度条模块，由

11、于进度条模块也采用频率时钟1kHz计时，且也需要倒计时，则可同时与倒计时模块共用leftimetemp。（5） 有一种特殊情况，当模式为爆炒模式B时，系统默认时间为3s，倒计时完毕后系统不关闭，而是转入煎炒模式J，继续倒计时90s后才能关闭。程序：decount.vhdarchitecture behave of decount isbeginprocess(clk1kHz)variable timecount:integer range 0 to 90000;variable timesetemp:integer range 0 to 90;variable mask:std_logic:=

12、0;beginif clk1kHzevent and clk1kHz=0 then if mask =0 then timesetemp:=timeset;mask:=1;timecount:=0; end if; timecontrol=0; timecount:=timecount+1; leftimetemp=timesetemp*1000-timecount; leftime=timesetemp-timecount / 1000; if reset=1 then mask:=0; timecount:=0; leftime=timeset; leftimetemp= timesete

13、mp*1000 then if timesetemp =3 then close=0; timecontrol=1; else close=1; end if; else close=0; end if; if timesetemp = 0 then close=0; leftime=0;leftimetemp=0; end if;end if;end process;end behave;3. 数码管显示模块：循环选通6个数码管进行扫频，通过驱动数码管的7个段进行显示（1） count6是产生循环的6个数，来循环选通6个数码管，当扫频频率足够大的时候，则由于人眼的视觉暂留，观察到的数字为同时

14、显示；（2） L24xuan4c是每次选出一组数进行译码，即每次只能显示一个数字；（3） dec7s为7段数码管驱动电路，将译码的结果驱动7个段，显示出一个数字。4. 进度条模块：进度条是将总体时间分为8份，每倒计时消耗一个step则熄灭一个灯。（1） 选用时钟频率1kHz，因为1Hz计时3s无法平均分成8份；（2） 使用来自倒计时模块的leftimetemp，leftimetemp/8为真正的时间，随时获得剩余时间进行显示。程序：process(clk1kHz)variable countdiv:integer range 0 to 90000;variable k:integer rang

15、e 0 to 90000;beginif(reset=1)thenk:=0;temp 8*countdiv or k = 8*countdiv THENlight 7*countdiv AND k 8*countdiv) OR k = 7*countdiv THENlight 6*countdiv AND k 7*countdiv) OR k = 6*countdiv THENlight 5*countdiv AND k 6*countdiv) OR k = 5*countdiv THEN light 4*countdiv AND k 5*countdiv) OR k = 4*countdiv

16、 THENlight 3*countdiv AND k 4*countdiv) OR k = 3*countdiv THENlight 2*countdiv AND k 3*countdiv) OR k = 2*countdiv THENlight countdiv AND k 2*countdiv) OR k = countdiv THENlight 0 AND k countdiv) OR k = 0 THENlight =11111111;END IF;ELSE light 1-2-3-4-5-1-2.；当有时间模块传来的信号timecontrol,使爆炒模式B（仿真波形中的3）模式反向

17、转换为煎炒模式J（仿真波形中的2）；当输入关闭信号reset信号时，状态信号state复位为close状态（仿真波形中的0）。2. 火力调节模块：说明：循环状态机的循环模式为190015001100600100；当外部按键输入up信号，由于初始状态为1900w，故输出不会增加，维持在1900w；当外部按键输入down信号，会变为1500w；依次类推，up信号控制增加，down信号控制减少，本质是控制循环状态机转移的方向。3. 倒计时模块：说明：设置输入的倒计时时间为16s，倒计时完毕后输出关闭信号close为“1”，即系统关闭；当输入reset开启信号后，时间置位为最初的倒计时时间，开始进行倒

18、计时。4. 数码管模块：说明：当输入6个数给6个数码管显示器，经过译码后，输出为7段数码管驱动的组合码。5. 点阵模块：说明：经过行、列的扫描，实现一个周期的显示码字；当co为1时，完成了一个周期，继续扫描下一周期。6. 关闭模块：说明：当openinput信号输入时，整个程序开启；当任何一个关闭信号（closeinput1或closeinput2）输入时，则关闭整个系统；当再次输入openinput信号时，程序会被再次重新开启。7. 蜂鸣器模块：说明：当定时信号order输入时，则output计时10个脉冲，即蜂鸣器发出响声的时间10ms；再次输出定时信号order，蜂鸣器会再次计数、发出响

19、声；在此过程中，只要有reset输入，就将所有的值复位。必要的测试方法：1. 分模块编写，编译，通过后进行下一步骤；2. 仿真，观察仿真波形的正确性，正确后进行下一步骤；3. 下载到实验板进行调试，检验是否完成了设计的功能，如果需要其他模块的信号，则通过其他实验板上的按键替代。7、 故障及问题分析1.时钟选择导致延时问题：在最初设计时选择时钟频率1kHz,100Hz,1Hz，系统的各个模块使用时钟频率1kHz，防抖模块使用时钟频率100Hz，倒计时模块则使用时钟频率1Hz；在设计倒计时模块时，由于时钟频率为1Hz时倒计时正好以1s为单位，满足实际需求。然后设计好代码后会得到下面的仿真波形（由于

20、仿真时使用1Hz会使仿真时间很久，故仿真时选用了1kHz，不影响观测结果），在开始两个时间周期内倒计时还没有开始，所以这种设计方案会有延时缺陷；在通过思考之后，决定采用时钟频率1kHz取代时钟频率1Hz，使得时钟沿分的更细一些，整个系统更加灵敏，产生的延时很小，人眼几乎察觉不出来。正确的代码原理以及仿真波形已在第五模块、第六模块已阐述，这里不再赘述。具有延时的仿真波形：具有延时的倒计时代码：architecture behave of decount isbeginprocess(clk1Hz)variable timecount:integer range 0 to 90;variable

21、timesetemp:integer range 0 to 90;beginif clk1Hzevent and clk1Hz=0 then timecontrol=0; timecount:=timecount+1; leftime=timesetemp-timecount; if reset=1 then timecount:=0; timesetemp:=timeset; leftime= timesetemp then if timesetemp =3 then close=0; timecontrol=1; else close=1; end if; else close=0; en

22、d if; if timesetemp = 0 then close=0; leftime if modecontrol=1 thennext_state= H; elsenext_state= C;if reset= 1 then next_state if modecontrol=1 thennext_state= J; elsenext_state= H;if reset= 1 then next_state if modecontrol=1 thennext_state= B;else next_state= J; if reset= 1 then next_state if mode

23、control=1 thennext_state= T; else if timecontrol=1 then next_state= J; else next_state= B; end if; if reset= 1 then next_state if modecontrol=1 thennext_state= Z; elsenext_state= T;if reset= 1 then next_state if modecontrol=1 thennext_state= H; elsenext_state= Z; if reset= 1 then next_state=C; end i

24、f; end if;end case;end process;state_register:process(clk)begin if (clkevent and clk=1)then present_state state state state state state state state if up=1 then next_state= f1900; elsif down=1 then next_state= f1500; else next_state if up=1 then next_state= f1900; elsif down=1 then next_state= f1100

25、; else next_state if up=1 then next_state= f1500; elsif down=1 then next_state= f600; else next_state if up=1 then next_state= f1100; elsif down=1 then next_state= f100; else next_state if up=1 then next_state= f600; elsif down=1 then next_state= f100; else next_state=f100; end if;end case;if state

26、= 011 then -如果是爆炒模式，只能以1900W加热 next_state= f1900;end if;end process;state_register:process(clk) -将下一状态转为现状态，如果有复位信号则输出1900Wbegin if(clkevent and clk=1) then present_state= next_state; if reset = 1 then present_state out1=0001;out2=1001;out3=0000;out4 out1=0001;out2=0101;out3=0000;out4 out1=0001;out2

27、=0001;out3=0000;out4 out1=0000;out2=0110;out3=0000;out4 out1=0000;out2=0001;out3=0000;out4=0000;end case;end process;end behave;（3） 时间模块ordercontrol.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity ordercontrol isport(clk1kHz:in std_logic; orderinput:in std_logic; -外部按键控制定时还是不定时模式 resetorder,reset

28、norder:out std_logic; -输出定时还是不定时模式 reset:in std_logic; -复位信号 orderset:out std_logic); end;architecture behave of ordercontrol isbeginprocess(clk1kHz)begin if clk1kHzevent and clk1kHz =1 then if reset = 1 then resetorder=1;resetnorder=0; -如果复位信号来到，则将初始状态为不定时状态，输出reset为0才不会使norder置位 end if; if orderin

29、put = 1 then -如果外部有按键信号输入，则输出状态为定时状态，改变原来的不定时状态 resetorder=0;resetnorder=1; end if; orderset if ordercontrol = 1 then next_state=s5; else next_state if ordercontrol = 1 then next_state=s10; else next_state if ordercontrol = 1 then next_state=s30; else next_state if ordercontrol = 1 then next_state=s

30、60; else next_state if ordercontrol = 1 then next_state=s5; else next_state=s60; end if;end case;end process;state_register:process(clk1kHz) -将下一状态转换为现在的状态begin if (clk1kHzevent and clk1kHz=1)then present_state= next_state; if reset= 1 thenpresent_state timeset timeset timeset timeset timeset timese

31、t timeset timeset timeset timeset timeset=0;end case;if reset=1 then -当有复位信号，输出时间置0 timeset=0;end if;end process;end behave;（4） 倒计时模块countcontrol.vhdlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity countcontrol is port (clk1kHz:in std_logic; setime:in integer range 0 to 90; output:buffer std_logic);e

32、nd countcontrol;architecture behave of countcontrol issignal temp1,temp2:integer range 0 to 90:=0;beginprocess(clk1kHz)beginif clk1kHzevent and clk1kHz=1 then temp1=setime; if temp1=temp2 then -如果外部输入时间与当前时间相等，则不产生复位信号 output=0; else output=1; -如果由不定时状态转换为定时状态，则产生复位信号 temp2=temp1; end if;end if;end process;end behave;decount.v