基于MCS51的微波炉控制系统设计

Abstract 镇 江 高 专ZHENJIANG COLLEGE 课 程 设 计 (论 文) 基于MCS51的微波炉控制系统设计Microwave Control System Design Based on MCS 51院 名： 装备制造学院专业班级： 机电D142学生姓名： 朱炫谕学 号： 140104430指导教师姓名： 冷承业指导教师职称： 副教授 2015年 12月19I目录摘要 近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，再根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 微波炉控制系统设计采以微控制器（MCU）为核心，基于MCU 编制软件系统，结合8位数码管（LED）显示以及必要的外围电路，完成微波炉的可编程智能控制。系统由计时控制、火力设定、用户界面、音响发生几大模块组成。能够根据键盘输入完成相应的功能，同时使用LED 显示系统状态,并进行响铃提示。 关键词 微控制器；微波炉；控制器 Abstract Withthecomputerpenetrationinthesocialsphereinrecentyears,andthedevelopmentoflargescaleintegratedcircuits,microcontrollerapplicationsarecontinuallydevelopingdeeply,becauseofitspowerfulfunction,smallsize,lowpowerconsumption,cheapprice,reliableperformance,easilyusing,etc,itisparticularlysuitableforsystemswithcontrol.Itisusedmoreandmorewidelyinautomaticcontrol,intelligentinstruments,meters,dataacquisition,militaryproductsandhomeappliancesetc,SCMisoftenusedasacorecomponentinaccordingtothespecifichardwarearchitecture,anditisoftencombinedwithapplication-specificfeaturesofthesoftwareobjectstomakeperfect. Microwaveovencontrolsystemdesignusedthemicrocontrollerasthecore,basedonMCUpreparationsoftwaresystem,combinedwitheightdigitaltube(LED)displayandnecessaryperipheralcircuitstocompletethemicrowaveovenprogrammableintelligentcontrol.Systemconsistedofseveralmodulessuchasthetimecontrolling,firesetting,theuserinterface,sounddesign.Itcouldcompletethefunctionunderthekeyboard,meanwhileusedtheLEDtodisplaythestatusofsystem,andpromptedusthrougharinger.Keywords microcontroller; microwave oven; controller目录摘要IAbstractII第一章 绪论（提出问题）51.1第一级标题设计背景51.1.1第2级标题设计意义51.1.2第2级标题设计目标，小组目标和个人任务61.2第一级标题国内外研究现状，实现同样功能的其它方法61.3 第一级标题其它需要介绍的内容6第二章 硬件设计72.1 根据设计的功能，选用了什么器件，器件的作用是什么72.2 基本的接线逻辑（单元电路）72.3 总电路（系统设计电路）7第三章软件设计93.1 软件工作的基本流程（流程图）93.2 典型程序（答辩用）93.3 整体程序结构（不要程序的全文，部分程序+部分文字说明）9第四章系统程序设计（略）104.1第一级标题参数设计部分编程104.2第一级标题自动出图编程10第五章系统使用说明115.1第一级标题功能介绍115.2 第一级标题使用方法 文字+截图11结论 （技术性结论，实现的功能和不足，今后的发展方向）12参考文献13致 谢15 21第二章 填入对应的章节名称第一章 绪论 世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。目前，在生活、生产的各领域中，凡是有自动控制要求的地方几乎都会有单片机的身影；从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片机的需求。现在尽管单片机的应用已经很普遍了，但仍有许多可以用单片机控制而尚未实现的项目，因此，单片机的应用大有前景和拓展空间。 单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证操作安全等。随着数字集成电路技术的发展，加上采用了先进的石英技术，自动控制具有计算准确、性能稳定、携带方便等优点。单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于：单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。1 2 1965年，乔治福斯特对微波炉进行大胆改造，与斯本塞一起设计了一种耐用和价格低廉的微波炉。1967年，微波炉新闻发布会兼展销会在芝加哥举行，获得了巨大成功。从此，微波炉逐渐走入了千家万户。由于用微波烹饪食物又快又方便，不仅味美，而且有特色，因此有人诙谐地称之为“妇女的解放者”。 传统的微波炉容易产生设定误差，定时不够准确，会造成过快或者过慢，这样会影响食物的美味。基于单片机的微波炉控制系统设计，正是利用单片机的多功能控制的特点，进行微波炉的系统控制设计，改变了传统微波炉时间不明显，控制零件繁多的局面，所以利用微处理器进行定时、准点控制，具有很大的应用市场潜力。1.1 微波炉概述设计背景 单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。 单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。 20世纪80年代中期以后，Intel公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品，准确地说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS-51系列单片机，因为MCS只是Intel公司专用的单片机系列型号。MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS-51系列单片机及其兼容产品通常分成以下几类：基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。 本文讨论的单片机多功能数字钟系统设计的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，多功能数字钟配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足生产、生活需要而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用前景。1.1.1 第2级标题设计意义本课题主要是对家用微波炉控制系统的研究，确定系统的整体方案，编写程序 来实现微波炉控制的基本功能。主要工作是掌握单片机应用技术，显示技术，电子技术等相关知识，设计制作一个微波炉控制器电路，具有三档微波加热功能，分别表示微波加热为大火、中火、小火，模拟仿真中用不同颜色LED模拟。实现工作步骤：复位待机检测显示电路设置输出功能和定时器初值启动定时和工作开始结束加热、音响提示。在上电或手动按复位键时，控制器输出的微波功率控制信号为0，微波加热处于待机状态，时间显示电路显示为00-00-00。具有8位时间预置电路，按键启动时间设置，最大预设数为23小时59分59秒。设定时间初值后，按档位选择键，启动相应的微波加热；另一方面使计时电路以秒为单位作倒计时。当计时到时间小于20s（可以通过软件修改任意响铃提示时间）则断开微波加热器，并给出声音提示，即扬声器输出提示音。 设计中具体的问题有： （1）如何进行时间设置（时、分、秒）和时钟倒计时功能； （2）如何设计智能火力控制 （3）如何设计显示模块显示时间； （4）如何设计按键设置； （5）如何设计音响提示声音； （6）如何设计微波炉工作或者停止1.1.2第2级标题设计目标1资料收集（已完成）2.方案设计（已完成）3.绘制硬件原理图4.编写程序，在海神画出软件图，接线5.程序编写出后，导入实验，发现问题解决问题6.与组员所负责器件进行组合，检查，选出合理方案7.组员之间器件运作是否还存在问题，解决。8.汇总总结 1.2第一级标题国内外研究现状在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时、洗 衣机定时警报等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路硬件设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，精确度低，不能实现准点控制。现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，如数控机床控制系统，自动化生产线系统等，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。单片机功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，种类繁多，这样使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能定时系统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，既减少了繁多的多控制器，同时又可以进行时钟校准和定点打铃。它可以执行不同的时间表的打铃，可以任意设置时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，提高了生产率，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可。 1.3 第一级标题其它需要介绍的内容自从发现微波的加热效应以来，微波加热应用发展很快。微波炉首先涉足于工业、商业、科研等部门，尔后进人家庭。70年代以来，美国家用微波沪的普及率持续上升，其销售量远在电冰箱、洗衣机之上，1985年达电冰箱的三倍。日本微波炉的生产量已超过美国。根据有关资料报导，1996年微波炉在日本家庭的普及率已达90以上。第二章 方案设计2.1 第一级标题设计对象微波炉由电源，磁控管，控制电路和烹调腔等部分组成。电源向磁控管提供大约4000伏高压，磁控管在电源激励下，连续产生微波，再经过波导系统，耦合到烹调腔内。在烹调腔的进口处附近，有一个可旋转的搅拌器，因为搅拌器是风扇状的金属，旋转起来以后对微波具有各个方向的反射，所以能够把微波能量均匀地分布在烹调腔内。微波炉的功率范围一般为5001000瓦。微波炉内部含有一个器件叫功率调节器，也称火力调节器，它实际上也是个时间开关，功能是在微波炉工作期间周期性地不断接通和断开磁控管的电源，使磁控管有规律地间歇工作，即工作时间 和休止时间有一定的比例关系，改变这个比例，就使磁控管在微波炉整个加热时间段中的工作时间得以相应改变，从而起到调节微波输出功率的作用。 功率调节器也由定时器所用的同一电机驱动。 实际工作时，当设定好功率值后，功率调节器便控制磁控管工作一段时间再休止一段时间，并按一定周期不断循环这个过程，直至微波炉工作结束。这里假设磁控管在个循环周期内的工作时间为t1，休止时间为t2，则一个循环周期T=t1+t2，可清楚地看出功率调节器控制微波输出功率的方式。循环周期T取值很有讲究，从加热角度考虑取短些好，但太短将使功率调节开关频繁动作，影响磁控管的工作稳定和使用寿命。通常机械式功率调节器的T都取 30s左右，实践证明比较理想。当T=30s时，若设磁控管工作时间t1分别为6、12、15、24、30s，那么对应6s的微波输出功率为保温功率，这是炉子额定微波输出功率Po的20的功率，又称温火挡。对应12s的为解冻功率(40Po，又称低功率或低火)、对应15s的为中功率(50Po， 又称中火)、对应24s的为中高功率(80Po，又称中高火)、对应30s的为高功率(100Po，又称高火或全功率)。普通微波炉大多设有这样的5 挡功率(火力)调节挡，当然各挡的功率设定值可能有所不同。少数微波炉有更多功率挡，可达812挡之多，以求更适应烹饪和解冻不同食品之需。 2.2 常见设计方法国内目前常规采用的设计方法，比如是用什么时钟方法来控制，是自动，带定时，有加热防溢，微波炉有多种加热的方式，埋装红外线辐射传感器的微波炉(US5919689)，能对食物均匀加热的微波炉(US5548103），装有食物传送带的微波炉(US5897807) ，能自动确定微波炉内被加工食物种类的装置(US5558797）.2.3 第一级标题存在的问题和改进方向 问题 （1） 如何进行时间设置（分、秒）和时钟倒计时功能； （2）如何设计火力档位控制； （3）如何设置功能档位控制； （4）如何设计显示模块显示时间；(5)键盘电路设计 （6）如何设计按键设置； （7）如何设计音响（蜂鸣器）提示声音； （8）如何设计加热温度的采集和显示；在不断实践中发现问题解决问题键盘电路设计在按键设计中，为了满足设计的要求，需要使用的按键较多所以我们采用44矩阵式键盘，矩阵式键盘比较节省单片机的I/O的资源。键盘的接口分别连入单片机I/O接口的P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P0.4,P0.5,P0.6,P0.7。通过单片机内部判断这些I/O接口来确定按键是否被按下。Key05、Key06、Key07、Key08通过一个与门接到P3.2接口，这样可以通过P3.2口来判断有没有按键被按下。通过特定的扫描程序对键盘进行扫描。P3.2接口为中断0接口，也可用此端口进行中断操作。为了防止电路出现异常而无法控制特设计了一个复位按键。图2. 复位电路第三章3.1第一级标题产品介绍按键控制 显示控制 温度控制 时间计时控制 . 按键控制显示MAX7221是Maxim（美信）公司专为LED 显示驱动而设计生产的串行接口八位LED 显示驱动芯片.该芯片包含有七段译码器、位和段驱动器、多路扫描器、段驱动电流调节器、亮度、脉宽调节器及多个特殊功能寄存器。该芯片采用串行接口方式，可以很方便地和单片机相连，未经扩展最多可用于8 位数码显示或64 段码显示。3.2 第一级标题模块分析MAX7221允许工作在省电模式，在该模式下，供电电流可降低到150uA。器件在这种模式下上电时，250us 内即可进入正常工作模式.在测试状态下，省电模式被屏蔽。3.3 第一级标题重点模块MAX7221功能串行数据输入输出时 CS 必须为低电平，串行数据由Din 送入一个16 位的数据包，并在每个时钟上升沿时存入内部16 位移位寄存器。数据经16.5 个周期后，在时钟的下降沿由Dout 引脚输出。16 位数据D0D15 的排列见表1.D0D7 包含数据，D8D11 包含寄存器地址，D12D15为未定义位，芯片最先接收D15 位。 结论第四章4.1第一级标题硬件图微波炉工作实现步骤当没有实现时就会发生下面的步骤来实现1通电开始初始化2分，秒 ，功率标志位有效否 yes3烹饪开始 no,秒键闭合否4秒键闭合否 yes,秒设定程序置秒标志5no 分键闭合否6分键闭合否 yes,分设定程序置分标志7no,功率键闭合否8功率键闭合否 yes,功率设定程序置功率标志9no,再次回到秒键闭合否10看是否到满足要求 工作状态的变化4.2 第一级标题软件程序1.计时程序设计：显示程序通过分时轮流控制各个数码管的COM端，使各个数码管轮流受控显示 2.系统待机状态设计：接通电源后系统进入待机状态，此时显示器显示待机画面，当打后系统将进入用户设置状态 3.用户设定状态设计： 在用户设定状态用户通过按键进行档位和时间的设定，再微波炉炉门关闭的状态按下K0建则进入加热状态，按K1键用户可以在三个档位上进行切换，按K2和K3键进行时间加减设定。4.微波炉加热状态：微波炉加热状态有三种，分别为烹调、烘烤、解冻。跟据用户之前设置的档位系统会进入相应的加热状态。系统进入加热状态之后会根据每个档位对大火，中火，小火的时间比的不同进行加热 。MOV A,#17MOVX DPTR,AEND。 开关控制点一下则输入以下指令。 第五章5.1第一级标题系统分步 将程序带入单片机图里面运行看是否可以，再带入的单片机块中接线，测试，导入程序，使用老师所给的SKT软件把程序倒入器件中，实现按钮控制灯闪烁。5.2 第一级标题系统使用介绍程序带入单片中实现的功能是否和程序一样，按3下跳转灯熄灭成功运行。虽然之前有过错的情况发生接着写入简单的程序代入单片机内遇到一点麻烦，没有找对P30和P31对应接RXD和TXD，成功解决，写入单片机成功。结论微波炉控制系统设计以单片机为核心。目前，很多学校有单片机开发的课程，很多企业都致力于高性能单片机的开发，提高单片机的性能和利用，单片机正向智能化、低功耗、高精度方向发展。小到家用电器，大到工业控制系统如自动化生产线，单片机在这些领域都有所建树。本论文以微波炉控制系统为研究对象，旨在阐述并实现单片机的基本功能，为后来研究者提供一个研究方向。相关工作总结如下。1熟悉AT89C51芯片的引脚与功能，理解单片机的内部模块结构、特点及功能。了解单片机外围硬件电路的设计方法2.通过Protel Dxp 2004进行原理图的设计，熟悉软件的使用方法，掌握基本的布线规则和PCB版的绘制流程。 3.采用模块化进行系统软件设计，掌握单片机的工作方式、C程序的编写、及C代码的相关特点，各个变量和函数的功能。 4.对设计的硬件系统和软件，进行模块化设计、调试，然后再整体调试仿真。单片机的微波炉控制系统设计，因此我们需要从多个方面去对熟悉理解单片机。单片机作为大学的一门课程，我们一直是基于实验箱做实验的。本次设计完全由小组去完成，这样我们不仅可以灵活运用单片机的理论知识，而且还可以锻炼自己的动手能力，思考能力以及解决问题的能力，以前的实验是基于某一个模块的实验论证，而毕业设计是综合多个模块来实现系统的多功能控制。这样为我们实践能力，综合运用能力的提高奠定了坚实的基础。在本次设计中，我经历从草图到电路图设计，再到电路板设计、软件设计和软件仿真。不同的阶段，不同的收获，经历了无数次的苦思冥想，无数次的失败验证，更多的是成功后的那一份欣慰。能够真正体会到过程给我带来的喜悦，软件也好，硬件也好，归结到一点就是我们要有足够的耐心，足够的细心，足够的分析问题、解决问题的能力，才能不断地进取，不断地创新，不断地充实，这是我们以后行走工作岗位的时候所必备的。 参考文献 参考文献1赵卫东,柳先辉,卫刚. CAD软件二次开发平台实现技术J. 计算机辅助设计与图形学学报,2003,04:512-516.2叶修梓,彭维,唐荣锡. 国际CAD产业的发展历史回顾与几点经验教训J. 计算机辅助设计与图形学学报,2003,10:1185-1193