Microwave project

FPGA 기반 모터 구동형 전자레인지 기능 구현

개요

프로젝트 기간

2025.06.23 ~ 2025.06.26

목적

FPGA 기반 PWM 제어 및 사용자 인터페이스 설계를 통해 모터 구동형 전자레인지 기능을 구현.

  • PWM의 duty 비를 조절함으로서 모터의 속도를 제어.
    • 해동 모드 : 저속 회전을 위한 duty ratio = 20%
    • 일반 조리 모드 : 정상 회전을 위한 duty ratio = 70%
  • 사용자 입력 인터페이스 구성
    • sw0 off : 10초 설정 모드, sw0 on : 30초 설정 모드
    • btnU : 시간 증가, btnD : 시간 초기화.
    • btnL : 일반 조리 모드 시작, btnR : 해동 모드 시작.

개발 환경

  • 사용 언어 : Verilog
  • Tool : Vivado, draw.io
  • editor : VS Code

상세 설계

1. FSM

2. 버튼 디바운싱

// 1ms Tick 생성
if (r_counter == 100_000 - 1) begin
    r_counter <= 0;
    r_tick <= 1;
end else begin
    r_counter <= r_counter + 1;
    r_tick <= 0;
end

// 1ms 마다 샘플링 - 버튼 상태 유지 횟수 체크
if (btn_sync2 == debounced_btn)
    tick_counter <= 0;
else begin
    tick_counter <= tick_counter + 1;
    if (tick_counter == 9) begin
        debounced_btn <= btn_sync2;
        tick_counter <= 0;
    end
end

// F/F를 통한 rising edge detect
always @(posedge clk or posedge clk) begin
    if (rst) begin
        debounced_btn_next_clk <= 0;
    end else begin
        debounced_btn_next_clk <= debounced_btn;
    end
end

assign o_btn = debounced_btn & (~debounced_btn_next_clk);

3. Time_down_counter

// sec_tick을 기준으로 분과 초를 반영.
if (i_tick_sec) begin
    if ((sec_reg == 0) && (min_reg == 0)) begin
        state_next = DONE;
    end else if (sec_reg == 0) begin
        // 초가 0인데 분이 있다면, sec = 59로, min은 1을 빼줌.
        sec_next = 6'd59;
        min_next = min_reg - 1;
    end else begin
        sec_next = sec_reg - 1;
    end
end

4. Moter_controller

// duty cycle 조절을 통해 모터의 속도를 조절.
if (start) begin
    r_moter_control <= 2'b10;
    r_duty_cycle <= 7;
end else if (defrost_start) begin
    r_moter_control <= 2'b10;
    r_duty_cycle <= 2;
end else begin
    r_moter_control <= 2'b11;
    r_duty_cycle <= 0;
end

시뮬레이션 및 검증

btn_debounce 검증 결과

버튼이 눌리고 10ms 후에 btn_debounce의 출력이 한 tick 나가는 것을 확인.

time_setting 검증 결과

  • mode 0일 때, up_btn이 눌리면 10sec씩 증가. time_rst_btn이 눌리면 시간 초기화.
  • mode 1일 때, up_btn이 눌리면 30sec씩 증가.
  • start_btn이 눌리면 전자레인지 시작. (시간이 줄어듦.) moter_start -> 1로 moter 시작 신호를 줌. 끝나면 done -> 1.

fnd_controller 검증 결과

  • sec와 min에 1분 30초 입력 -> fnd_data가 잘 출력되는 것을 확인.
  • done이 1일 때, fnd_data가 5ms 간격으로 ff(fnd 꺼짐), c0(0값 출력)가 번갈아가면서 출력. 즉, 전자레인지 작동이 끝났음을 알려주기 위한 깜빡거림 동작 구현 성공.

moter_controller 검증 결과

  • 어떠한 신호도 없을 시, moter_setting [1:0]은 2'b11 로 break 상태로 둠.
  • 각 start 신호에 따라 pwm_out duty가 70% or 20%로 출력. moter_setting은 2'b10 로 정방향 회전.

동작 영상

트러블슈팅

Down Counter 구현 과정에서 분(minute) 단위 내림 처리의 어려움.

  • 문제 상황 : 기존 watch는 ms_tick을 누적하여 sec_tick을 만들고, 이를 다시 누적해 min_tick으로 넘기는 방식으로 시계를 구현했지만, Down Counter에서는 반대로 분(minute)에서 초(second)로의 감소가 필요해 기존 방식이 적용되지 않음.
  • 해결 방법 : sec tick을 기준으로 분 감소 조건을 판단하고, 분이 감소할 때 초를 59로 강제로 설정하는 로직을 도입하여
    min, sec Down Counter 동작을 안정적으로 구현 성공.

느낀점

  • PWM 신호를 통한 모터의 동작 방식 이해
  • 모드 분리를 통한 FSM 역량 강화
  • 버튼 디바운싱 및 edge detector 회로 원리 학습

GitHub Source

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