微波炉课程设计-基于微波炉控制系统设计

山 东 经 济 学 院 单片机课程设计 基 于 微 波 炉 控 制 系 统 设 计 指 导 教 师：李秀媛 作 者 姓 名：路杰锋 学号：2008140080 作 者 姓 名：张金旭 学号：2008140113 计算机科学与技术 院（系、部）电子 0802 班 山东经济学院计算机科学与技术学院制 2011 年 6 月 10 日 山东经济学院课程设计 - 5 - 摘摘要要 微波炉是一种利用 2450 兆赫的电磁波来烹饪食品的厨房器具。其工作的核心是其 控制部分，本设计就是对微波炉的电脑控制系统的一个尝试，设计给出了系统软、硬件 的组成和实现方法。 结合实际要求， 叙述了控制器电路的工作真理和微波炉的工作过程。 设计具有操作简便，运行稳定，定时时间和功率控制比较精确的特点。它以 STC 公司 生产的 8 位单片机 STC90C516RD+为控制核心，以 DS18B20 作为温度传感器，用于实 时测量微波炉内的温度；独立键盘温度调整输入，矩阵键盘设定时间等工作参数；用 1602LCD 液晶屏来显示时间和温度。 通过本设计能实现对微波炉的智能化控制， 是微波 炉的应用功能更强大，使用方便。 山东经济学院课程设计 - 5 - 目目录录 摘要.- 5 - 目录.- 5 - 引言.- 5 - 一设计要求.- 2 - 1.基本要求.- 2 - 2.创新部分.- 2 - 二系统总体概述.- 3 - 1.工作原理.- 3 - 2.电路设计.- 4 - 3.软件设计.- 4 - 三各模块方案比较与论证.- 6 - 1.计时控制部分方案.- 6 - 2.键盘和显示部分方案.- 6 - 3.音箱发声模块方案.- 6 - 1.电路原理图.- 7 - 2.电源电路.- 7 - 3.单片机最小系统.- 8 - 4.显示部分.- 8 - 5.键盘模块电路设计.- 9 - 6.蜂鸣器发声电路设计.- 9 - 7.温度传感器.- 10 - 五系统软件设计.- 11 - 2计时程序设计.- 11 - 3温度传感器程序.- 12 - 4系统待机模块.- 13 - 5用户设定状态设计.- 13 - 6微波炉加热状态.- 13 - 7结束状态设计.- 14 - 结论.- 15 - 参考文献.- 16 - 附录：软件设计程序.- 17 - 致谢.- 27 - 山东经济学院课程设计 - 5 - 引引言言 在生活和生产的各个领域中，凡是自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现； 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， 但仍有很多可以使用单片机控制而尚未实现的项 目，因此，单片机的应用大有想象和扩展空间。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，保证安全等。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英 技术，是自动化控制具有计算准确、性能稳定、携带方便等优点。单片机应用的意义局 不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益，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。 从前必须由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（编程序）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，称之为为控制技术。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。 本文设计一个基于单片机的微波炉系统设计，它具有温度调节温度，定时设置，显 示温度、时间，时间结束提醒等功能。 山东经济学院课程设计 - 2 - 一一设计要求设计要求 1.基本要求 （1）运用所学的知识设计一个微波炉控制系统。 （2）上电时可设置三种最高温度值，采用 1 分、2 分、5 分三个时间段定时，可得到想 要的任意定时时长。用 DS18B20 感知温度，当温度达到设置温度值时，按设定时间开 始倒数计时，计时结束后蜂鸣器报警提示，同时时间归零。 2.创新部分 （1）开机显示欢迎语，设定的时间和温度、DS18B20 测的微波炉温度在 1602LCD 液晶屏 上显示。 （2）当温度达到设定温度时，开始倒计时，当设定的时间归零是蜂鸣器响提醒用户， 同时停止计时，时间归零。 （3）采用 1 分、2 分、5 分三个时间段定时，实现了任意时长的定时。 山东经济学院课程设计 - 3 - 二二系统总体概述系统总体概述 1.工作原理 微波炉工作分为四个步骤分别为：系统待机-用户设定-微波炉加热-加热 完成响音提示。具体流程如下图 2.1.1 系统上电自检后， LCD 液晶屏上显示欢迎语并等待用户设定温度和定时时长。 三个 独立键盘分别设定三种不同的温度（低温约 20、中温约 30、高温约 50） 。矩阵键 盘分按键 S0、 S1、 S2、 S3 四个按键。S3 键为微波炉设定时长的确认键并开始加热。 S0、S1、S2 分别为微波炉的三个时长（1 分、2 分、5 分） 。每次按下按键后系统都会启 动音箱发声模块发出“嘀”的声音。当微波炉达到设定温度时启动倒数计时，当倒计时 到零分，零秒微波炉会自动关闭，此时会发出提示声音。各功能实现如下图 2.1.2 图 2.1.2 系统功能图 山东经济学院课程设计 - 4 - 2.电路设计 系统以 STC90C516RD+单片机为核心，连接各外部电路完成人机交互等各功能的 控制。系统的总体框图如下图 2.2.1 电源 温度传感 器 STC90C5 16RD+ 温度、时间 显示部分 震荡 部分 矩阵 键盘 独立键盘 图 2.2.1 系统总的电路图 电路设计部分以单片机控制电路为核心有定时器电路，显示电路，键盘电路，门电 路，电源电路，音箱发声电路共同组成微波炉控制系统电路。 3.软件设计 考虑到本系统所写编量大并且要求系统有较高的准确度故采用 C 语言进行程序的 编写，用 KEIL 软件进行编译。 山东经济学院课程设计 - 5 - 图 2.3.1KEIL 软件 山东经济学院课程设计 - 6 - 三三各模块方案比较与论证各模块方案比较与论证 1.计时控制部分方案 方案一：使用专用芯片。 使用微控制器控制专用时钟芯片实现计时控制，这种方案有着计时精度高、控制简 单的优点，而且更易于实现日期/时间显示、定是烹饪等及时扩展功能。 方案二：采用单片机内部定时器。 51 单片机内不含有 3 个定时器，可以利用一个定时器与程序计数器相结合的方式， 在系统晶振的驱动下，产生标准时钟频率。 由于方案二具有较好的灵活性、较少的电路器件和较高的性价比，而且通过精确的 软件补偿使精度完全可以满足控制需求，所以我们应该选择该方案完成设计。 2.键盘和显示部分方案 方案一：采用阵列式键盘 此类键盘是采用列阵扫描方式，优点是当按键较多时可以降低占用单片机的 I/O口 数目，缺点是电路复杂且会加大编程的难度。 方案二;采用独立式键盘电路 每个键单独占有一根 I/O 接口线，每个 I/O 口的工作状态互不影响，此类键盘采用端 口直接扫描方式。缺点是当按键较多时占用单片机的 I/O 数目较多，优点是电路设计简 单，且编程极其容易。 由于该系统没采用了常规钟表式的校对方式，用键繁琐，所以将两者结合使用，阵 列式键盘用来设定时间，独立式键盘用来设定温度。 3.音箱发声模块方案 采用两片 555 振荡器分别发生不同频率的音频，由单片机控制输出，再点祖上叠加 后经功率放大器推动扬声器发声。 由于 555 振荡器的音响发生模块的电路简单且音质较好，故采用方案二。 通过方案的比较和论证之后，明确了各个模块的实现方案。然后，对整个系统总体进行设计，形成 一个清晰的设计方向，并购四处系统总体设计的工作原理和系统的框图，使整个设计方案具有总体 性。 山东经济学院课程设计 - 7 - 四系统硬件设计 1.电路原理图 411 电路原理图 2.电源电路 采用电变压，稳压的稳压电源电路图如图 5.1 所示 IN4007 VI 1 VO 3 GND 2 7805 FU1 1A C1 1000nF R1 500 47UF in out + _ 图 4.2.1电源电路 220V 电经过降压后得到 12V 交流电， 经二极管整流成脉动直流电， 经过电容滤波后 再又经过 LM7805 稳压得到 5V 的直流电供系统工作， 后面的发光二极管是起一个电源指 示的作用，470UF 的电容是起一个再次滤波的作用。 山东经济学院课程设计 - 8 - 3.单片机最小系统 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 X1 CRYSTAL C1 30pF C2 30pF R2 10k C3 4.7uF 复位 图5.2.1单片机最小系统 单片机最小系统以STC90C516RD为核心,外加时钟和复位电路,电路结构简单,抗干 扰能力强,成本相对较低,非常符合本设计的所有要求。STC90C516RD单片机系列是在 MCS-51系列的基础上发展起来的,是当前8位单片机的典型代表,采用CHMOS工艺,即互补 金属氧化物的HMOS工艺, CHMOS是CMOS和HMOS的结合,具有HMOS高速度和高密度的特点, 还具有CMOS低功耗的特点. 时钟电路在单片机的外部通过XTAL1,XTAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容, 构成稳定的自激振荡器.本系统采用的为12MHz的晶振,一个机器周期为1us,C1,C2为 30pF。 复位电路分为上电自动复位和按键手动复位,RST引脚是复位信号的输入端,复位信 号是高电平有效.上电自动复位通过电容C3和电阻R2来实现,按键手动复位是图中复位 键来实现的。 4.显示部分 因为系统要求把设定的温度、时间和实时温度、时间显示出来，所以就用了 LCD1602 液晶显示出来。 脚 1：VSS ，LCD 地脚 2：VDD ，LCD 电源 脚 3：VL ，LCD 负的偏压信号端脚 4：RS ，数据/命令选择端（H/L） 脚 5：R/W ，读/写选择端端(H/L)脚 6：E ，使能信号端 脚 714：数据端口 D0D7脚 15：BLA，背光源正极 脚 16：BLK，背光源负极 山东经济学院课程设计 - 9 - 图 5.4.1LCD 液晶 1602 电路原理图 5.键盘模块电路设计 在按键设计中运用了软件、硬件结合的形式进行键盘扫描，S0，S1， S2， S3，分 别连入单片机 I/O 接口。通过单片机内部判断这 4 个 I/O 接口来确定按键是否被按下。 键盘电路设计如图 5.5.1 所示 图 5.5.1 键盘矩阵原理图 6.蜂鸣器发声电路设计 本系统扬声器能够给发出声音提示，输出 2-3 秒的双音品提示音。采用 555 振荡 器实现双音频输出。电路如图 4.6.1 所示。 山东经济学院课程设计 - 10 - 图 5.6.1 蜂鸣器发声电路图 7.温度传感器 DS18B20 可设定 9-12 位分辨率（默认 12 位） ；测温范围(-55- +125)摄氏度；支持 （3-5.5V）电压范围；用户可设定高温及低温报警，掉电不丢失；采用单总线接口方式, 即允许在一条总线（信号线）挂接数十甚至上百个数字式传感器,抗干扰强、易构成传感 器网络。 温度传感器电路图入下图 5.7.1 所示 图 5.7.1 温度传感器电路图 山东经济学院课程设计 - 11 - 五五系统软件设计系统软件设计 系统程序总体看可分为主程序，和其他模块程序。主程序根据系统的工作流程，系统共分为四 个状态，分别是：系统待机状态，用户设置状态，微波炉加热状态和加热完成响音提示状态。其他 模块程序包括程序显示程序，计时程序，温度传感器程序，键盘扫描程序。 1显示程序设计显示程序设计 2计时程序设计 定时方法我们采用软硬件结合的方法，在主程序中设定一个初值为 20 的软件计数 器使定时器 0 工作于方式 1 定时 50 毫秒，这样每当 T0 到 50 毫秒时 CPU 就响应它的溢 出中断请求，进入他的中断服务子程序。在中断服务子程序中，CPU 先使软件计数器减 1，然后判断它是否为零。为零表示 1 秒已到。 定时器工作时必须给计数器送初值， 将这个值送到 TH 和 TL 中。 他是以加法记数的， 并能从全 1 到全 0 时自动产生溢出中断请求。因此工作于方式 1,定时器为 16 位计数器 其定时时间由下式计算： 定时时间=（2 16X）振荡周期12（或） X=2 16定时时间振荡周期12 式中 x 为 T0 的初始值，该值和计数器工作方式有关。 如单片机的主脉冲频率为，经过分频 方式 0定时时间2 13 1 微秒8.192 毫秒 方式 1定时时间2 16 1 微秒65.536 毫秒 秒钟已经超过了计数器的最大定时间， 所以我们只有采用定时器和软件相结合的办 法才能解决这个问题，定时器需定时 50 毫秒，故0 工作于方式 1，定时 20 次，就可 山东经济学院课程设计 - 12 - 定时一秒。 流程如图 7.2.1 图 7.2.1 计时程序流程图 3温度传感器程序 DS18B20 的转换后的数字温度数据是通过串行方式传输， 所有总线器件应严格遵守 通信协议。 该协议定义：复位脉冲、应答脉冲序列；写 0、写 1、读 0、读 1。 除应答 脉冲外，命令都有主机发起。 注意：DS18B20 的数据，低字节在前，高字节在后。流程图如 7.3.1 所示 图 7.3.1 温度传感器流程图 山东经济学院课程设计 - 13 - 4系统待机模块 接通电源后系统进入待机状态，此时显示器显示待机画面，当打开系统将进入用户 设置状态。如图如下 7.4.1。 图 7.4.1 系统进入待机图 5用户设定状态设计 在用户设定状态用户通过按键进行设置温度和时间， 按下键 S3 则进入加热状态 ， 按 S19、S18、S17 键用户可以在三个档位上切换，按 S0、S1、S2 可进行时间加设定。 如下图 7.5.1 用户设置状态 调整时间设定温度 工作状态 按 S3 键 按 S0、S1、 S2 键 按 S19、 S18、 S17 键 图 7.5.1 按键设定 6微波炉加热状态 微波炉加热状态有三种，分别为低温、中温、高温。根据用户之前的档位系统会进 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时间比的不同进行加热。 山东经济学院课程设计 - 14 - 具体状态图如下图 7.6.1 所示。 判断用户设 定的温度 进入相应的 加热状态 判断是否达 到设定温度 加热完成进 入响音提示 时间倒计时到 00:00 图 7.6.1 加热状态 7结束状态设计 加热停止后系统将关闭火力输出并进行响铃提示， 响铃提示完毕后系统将自动进待 机状态，具体状态图如下图 7.7.1 所示。 关闭火力输出发出响铃提示音进入系统待机状态 图 7.7.1 加热停止并响铃状态图 进入加热停止状态后系统首先关闭加热系统，系统向火力输出系统发送关闭信号， 并向音响发生模块发送发音信号。发生结束后系统自动进入系统待机状态。 山东经济学院课程设计 - 15 - 结结论论 经过一段时间以来的学习，不断地从设计中总结和修改，并按着预期的要求反复的 论证和测试。本着学习的态度，以完善设计的可靠性和稳定性，将整个设计分模块化的 进行，并将每个模块加以分析和论证，成功后再联系在一起，最终达到总体效果。 主要完成了以下几个方面的内容： 1.制定一个在不同功能是火力的控制时序表。具有三中微波炉加热功能，分别是微 波炉工作状态为低温、中温和高温。 2.实现工作步骤：复位待机-监测显示电路-设置输出功能和定时器处置 -启动定时和工作开始-结束加热、音响提示。 3.在上电时，微波炉加热处于待机状态，时间显示电路位 00:00；温度显示分别为 0 和实时温度。 4.具有 LCD1602 液晶显示电路，按键启动时间设置，最大预设数位 10:00，温度分 别是 20、30、50，可得到任意定时时长。 5.设定初值后，按开启键，加热系统开始工作，当温度达到设定温度时，开始倒计 时。当倒计时到时间为 0 则断开微波炉加热，并给出声音提示等待用户结束。 山东经济学院课程设计 - 16 - 参考文献参考文献 【1】 楼然苗，李光飞。单片机课程设计指导。北京：电子工业出版社，2007 【2】 吴经国。单片机应用技术，北京：中国电力出版社，2000. 【3】 阎石。数字电子技术基础。北京：高等教育出版社，1998 【4】 马斌，韩忠华，王长涛，夏兴华等. .单片机原理及应用-C 语言程序设计及实现. .人民 邮电出版社 2009 【5】 张琦，杜群贵。单片机应用系统设计技术-基于 C 语言编程。北京：电子工业出版社，2001 山东经济学院课程设计 - 17 - 附录：软件设计程序附录：软件设计程序 W Wendu.hendu.h （头文件）（头文件） #define jump_ROM 0 xCC/ds18B20 定义 #define start 0 x44 #define read_EEROM 0 xBE void delay(unsigned int N); void delay_1(); unsigned char Reset(void);/复位 DS18B20 unsigned char read_bit(void);/从 DS18B20 读一个位值 void write_bit(unsigned char bitval);/向 DS18B20 写一位 unsigned char read_byte(void);/从 DS18B20 读一个字节 void write_byte(unsigned char val);/ 向 DS18B20 写一个字节 Wendu.cWendu.c (Wendu.h(Wendu.h 的实现的实现) ) #include #includewendu.h sbit DQ = P23;/DS18B20 数据口 /* * 名称 : delay() * 功能 : 延时,延时时间大概为 140US。 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void delay_1() int i,j; for(i=0; i=10; i+) for(j=0; j=2; j+); /* * 名称 : delay() * 功能 : 延时函数 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ void delay(unsigned int N) int i; 山东经济学院课程设计 - 18 - for(i=0; iN; i+); /* * 名称 : Reset() * 功能 : 复位 DS18B20 * 输入 : 无 * 输出 : 无 */ unsigned char Reset(void) unsigned char deceive_ready; DQ = 0; delay(29); DQ = 1; delay(3); deceive_ready = DQ; delay(25); return(deceive_ready); /* * 名称 : read_byte() * 功能 : 从 DS18B20 读一个字节 * 输入 : 无 * 输出 : 从 DS18B20 读到的值 */ /* * 名称 : read_bit() * 功能 : 从 DS18B20 读一个位值 * 输入 : 无 * 输出 : 从 DS18B20 读出的一个位值 */ unsigned char read_bit(void) unsigned char i; DQ = 0; DQ = 1; for(i=0; i3; i+); return(DQ); /* * 名称 : write_bit() * 功能 : 向 DS18B20 写一位 * 输入 : bitval（要对 DS18B20 写入的位值） 山东经济学院课程设计 - 19 - * 输出 : 无 */ void write_bit(unsigned char bitval) DQ=0;if(bitval=1) DQ=1; delay(5); DQ=1; /* * 名称 : read_byte() * 功能 : 从 DS18B20 读一个字节 * 输入 : 无 * 输出 : 从 DS18B20 读到的值 */ unsigned char read_byte(void) unsigned char i,m,receive_data; m = 1; receive_data = 0; for(i=0; i8; i+) if(read_bit() receive_data = receive_data + (m i; 山东经济学院课程设计 - 20 - temp = temp write_bit(temp); delay(5); 主函数的实现主函数的实现 #include #includewendu.h sbit key1=P14;/矩阵键盘定义 sbit key2=P15; sbit key3=P16; sbit key4=P17; sbit S1=P32;/按键定义 sbit S2=P33; sbit S3=P34; sbit RS=P25;/12864 定义 sbit RW=P26; sbit E=P27; sbit BEEP = P20;/蜂鸣器定义 sbit Hot=P21; unsigned char TMPH,TMPL,key41=1,Temp,T;/温度常量 unsigned int count1,count2,count3;/时间常量 unsigned int countor,m,s;/计时常量 unsigned char button,sound;/其他常量 unsigned char code table=0123456789; /*/ void delay_1ms(unsigned int i)/1ms 延时 unsigned char x,j; for(j=0;ji;j+) for(x=0;x=148;x+); /*/ void delay()/延时子程序 int a,b; for(a=0;a100;a+) for(b=0;b10;b+); /*/ void beep()/响铃程序 山东经济学院课程设计 - 21 - unsigned char i; for (i=0;i100;i+) delay_1ms(1); BEEP=!BEEP;/BEEP 取反 BEEP=1;/关闭蜂鸣器 /*/ void set(char n)/12864 写指令子程序 P0=n; RS=0; RW=0; E=0; delay(); E=1; delay(); /*/ void weizhi(int hang,int lie)/12864 字符显示位置 char a; if(hang=1) a=0 x80; if(hang=2) a=0 xc0; a=a+lie-1; set(a); /*/ void wdata(unsigned char d)/往 12864 写数据，单个字符 RS=1; RW=0; P0=d; E=0; delay(); E=1; delay(); /*/ void wsdata(char tab)/往 12864 写数据，字符串 int i=0; 山东经济学院课程设计 - 22 - RS=1; RW=0; while(tabi!=0)/不是结束符时执行 P0=tabi; E=0; delay(); E=1; delay(); i+; /*/ void scan()/矩阵键盘第一列扫描，确定所输入的时间 P1=0 xfe; if(key1=0) delay(); if(key1=1) count1+; beep(); if(key2=0) delay(); if(key2=1) count2+; beep(); if(key3=0) delay(); if(key3=1) count3+; beep(); if (key4=0) key41=0; beep(); 山东经济学院课程设计 - 23 - /*/ void setTemp()/温度设定，采用扫描独立键盘来确定输入 while(1) P3=0 xff; if(S1=0) button=1;/20 度 if(S2=0) button=2;/30 度 if(S3=0) button=3;/50 度 if(button=1) T=20; weizhi(2,5); wdata(table2); delay_1ms(1); weizhi(2,6); wdata(table0); if(button=2) T=30; weizhi(2,5); wdata(table3); delay_1ms(1); weizhi(2,6); wdata(table0); if(button=3) T=50; weizhi(2,5); wdata(table5); delay_1ms(1); weizhi(2,6); wdata(table0); if(button=1|button=2|button=3) break; /*/ void setTime()/时间设定 山东经济学院课程设计 - 24 - while(1) scan(); if(key41=0) break; m=(1*count1)+(2*count2)+(5*count3);/计算所设定的时间 Hot=1; /*/ void daoji()/倒计时 if(m=0 s=0; sound=1; Hot=0; TR0=0; else if(s=0) m-;s=59; else s-; /*/ void showTime()/显示时间 weizhi(2,11); wdata(tablem/10);/显示分 delay_1ms(1); weizhi(2,12); wdata(tablem%10); delay_1ms(1); weizhi(2,13); wdata(:); delay_1ms(1); weizhi(2,14); wdata(tables/10);/显示秒 delay_1ms(1); weizhi(2,15); wdata(tables%10); 山东经济学院课程设计 - 25 - delay_1ms(1); /*/ void showTemp()/显示温度 delay_1ms(1); weizhi(1,13); wdata(tableTemp/10); delay_1ms(1); weizhi(1,14); wda