基于VHDL控制的烤面包機(jī)

大連理工大學(xué)城市學(xué)院 丁書(shū)亞 謝印慶 石海鋒

1 引言

隨著人們生活節(jié)奏的加快，面包在早餐中的比重越來(lái)越重，面包加牛奶成為最受歡迎的早餐搭配之一，然而不經(jīng)加工的切片面包無(wú)論是口感還是色澤都欠佳，基于這種狀況烤面包機(jī)的出現(xiàn)很有必要。

本文基于VHDL控制的烤面包機(jī)設(shè)計(jì)，內(nèi)置狀態(tài)控制電路、數(shù)據(jù)裝載電路、計(jì)時(shí)電路、顯示譯碼電路四個(gè)模塊。可控制烤面包機(jī)的加熱、停止等狀態(tài)并實(shí)時(shí)更新顯示數(shù)據(jù)。烤面包機(jī)設(shè)定烘烤時(shí)間，放入切片面包，機(jī)器自動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到達(dá)指定時(shí)間后，烤面包機(jī)停止烘烤，將面包彈出，無(wú)需擔(dān)心因無(wú)人看管而導(dǎo)致面包烤糊的情況，并且本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以量產(chǎn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

烤面包機(jī)系統(tǒng)由四個(gè)電路模塊組成。其中包括控制烤面包機(jī)的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換并發(fā)出控制信號(hào)的狀態(tài)控制電路；控制定時(shí)、測(cè)試數(shù)據(jù)、計(jì)時(shí)并完成信息載入的數(shù)據(jù)裝載電路；通過(guò)時(shí)鐘計(jì)數(shù)并發(fā)出烘烤完成信號(hào)的計(jì)時(shí)電路；顯示各種工作狀態(tài)的顯示譯碼電路。[1]

如圖1所示為烤面包機(jī)的系統(tǒng)框圖。

圖1 烤面包機(jī)系統(tǒng)框圖

烤面包機(jī)的工作流程如下：首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位清零；設(shè)置信號(hào)SET_T有效時(shí)，將烘烤時(shí)間讀入DATA【15…0】，系統(tǒng)復(fù)位并顯示設(shè)定時(shí)間。按下開(kāi)始鍵START，系統(tǒng)進(jìn)入烘烤狀態(tài)，COOK信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑?jì)數(shù)器開(kāi)始運(yùn)算，顯示烘烤時(shí)間。烘烤結(jié)束，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)，數(shù)碼管顯示烘烤結(jié)束信息。

當(dāng)系統(tǒng)處于復(fù)位清零狀態(tài)時(shí)，按下顯示管測(cè)試按鈕TEST，將對(duì)顯示管是否正常工作進(jìn)行測(cè)試，正常工作時(shí)，顯示管輸出全1。[2]

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 狀態(tài)控制模塊

狀態(tài)控制模塊的功能是根據(jù)輸入信號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)，完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換以及輸出控制信號(hào)，四個(gè)輸出端LD_DONE、LD_CLK、LD_TEST、COOK分別指示烘烤結(jié)束狀態(tài)信息、輸入時(shí)間、測(cè)試數(shù)據(jù)并顯示驅(qū)動(dòng)信息、烘烤的狀態(tài)并控制計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)。[3]

圖2 狀態(tài)控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

根據(jù)烤面包機(jī)工作流程，對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件和輸出信號(hào)的分析，可以得到如圖2所示的烤面包機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

當(dāng)RESET信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位清零；輸入和輸出對(duì)應(yīng)四種狀態(tài)，分別為：烘烤時(shí)間設(shè)置、顯示譯碼測(cè)試、完成信號(hào)顯示以及減法計(jì)數(shù)定時(shí)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 數(shù)據(jù)裝載模塊

數(shù)據(jù)裝載模塊（loader）中LD_DONE、LD_CLK、LD_TESTLOAD都為高電平有效的端口，分別用來(lái)輸出烘烤完成的信息、輸出設(shè)置的烘烤時(shí)間、輸出測(cè)試數(shù)據(jù)；LOAD用于指示電路信號(hào)模式。

2.2.3 計(jì)時(shí)模塊

計(jì)時(shí)模塊（counter）中LOAD和COOK均為高電平有效；烘烤結(jié)束用DONE表示，用MIN和SEC顯示剩余時(shí)間、測(cè)試狀態(tài)以及烘烤完成狀態(tài)信息等。

3 系統(tǒng)仿真及原理圖

3.1 系統(tǒng)原理圖（圖3）

圖3 烤面包機(jī)原理圖

3.2 狀態(tài)控制電路模塊的仿真（圖4）

圖4 狀態(tài)控制電路模塊的仿真

3.3 數(shù)據(jù)裝載電路模塊的仿真（圖5）

圖5 數(shù)據(jù)裝載電路模塊的仿真

通過(guò)以上兩個(gè)部分的仿真圖以及系統(tǒng)的原理圖可以看出，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)烤面包機(jī)預(yù)期的基本功能（計(jì)時(shí)電路及復(fù)位和測(cè)試功能的仿真省略）。[4]

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VHDL控制的烤面包機(jī)，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、烘烤、停止、狀態(tài)顯示等功能。相較于其他語(yǔ)言，VHDL語(yǔ)言功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)靈活、支持廣泛，具有強(qiáng)大的系統(tǒng)硬件描述能力。本設(shè)計(jì)使烤面包機(jī)從烘烤到結(jié)束全自動(dòng)化進(jìn)行，節(jié)省了人們?nèi)粘Ｉ钪械臅r(shí)間，提高了成功率，避免了面包烤糊、烤生等口感不佳的情況。同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可形成生產(chǎn)鏈，在經(jīng)濟(jì)與未來(lái)發(fā)展的角度具有實(shí)際意義。