可编程微波炉控制器系统设计报告

可编程微波炉控制器系统设计报告 编号：E甲11082004年山东省大学生电子设计竞赛可编程微波炉控制器系统设计报告（E题）作 者：翟 雷 罗权威 王光锋指导教师：解则晓 王立红 李庆忠中国海洋大学工程学院自动化专业2004.9.13目 录摘 要4一、方案论证51.主控制器的选型52.数据采集系统的方案选择53.火力指示电路的方案选择54.显示电路方案选择65.音频电路的方案选择66.键盘电路的分析选择6二、硬件电路设计61.系统硬件框图62.最小系统模块73.显示器设计84.音频电路系统85.火力强度指示电路96.火力输出电路107.输入量的检测108.炉门检测11三、软件设计121.主程序设计122.智能（模糊）控制模式14四、实验结果与分析161.常规模式测试162.智能控制测试165、结 论1617山东省第九届大学生电子设计竞赛2003年全国大学生电子设计竞赛试题可编程微波炉控制器系统设计报告（E题）一任务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烹调、烘烤、解冻，试验中用LED模拟。示意图如下：图1系统功能模块图二要求1 基本要求（1） 制定一个在不同功能时火力的控制时序表。具有三档微波加热功能,分别表示微波炉工作状态为烹调、烘烤、解冻，试验使用LED模拟。（2） 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烹调、音响提示。（3） 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。（4） 具有4位时间预置电路，按键启动时间设置，最大预设数为99分99秒。（5） 设定初值后，按开启键，一方面按选择的挡位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。当计时到时间为0则断开微波加热器，并给出声音提示，即扬声器输出23s的双音频提示音。（6） 若在待机状态时按测试键，则4位数码管交替显示全亮和全灭两种状态，以检测数码管各发光段的好坏。2 发挥部分（1） 微波炉火力档位的增加。（2） 输出显示方面的扩展。（3） 实现智能控制、信息控制。摘 要本系统以可在线下载单片机作为微处理器，实现了微波炉的智能控制。单片机通过采集、处理微波炉的状态、食物状态等信息，实现了所有的基本任务，而且对扩展任务中的智能控制部分进行了很好的实现，利用模糊推理算法实现了微波炉的智能控制，获得了良好的控制效果。为了便于获取微波炉内部的信息状态，我们用电位器产生直流电压信号直接进行A/D转换，分别模拟微波炉中的温度、湿度、食物的热量和重量，通过对这些信息的检测不仅能保证微波炉安全工作，而且能实现智能控制；对微波炉的火力输出除设计实际的输出电路，还设计了火力强度指示电路，用来直观地显示火力的变化情况。微波炉的控制分为常规模式和智能模式。在常规模式下对烹调、烧烤和解冻三个功能设计多个火力强度等级，以及它们之间得组合输出；在解冻时也可根据物体的重量自动确定解冻时间，在安全方面，除对炉门的状态进行检测，还增加了对炉内温度和物体重量的检测，以防止温度过高或微波炉的空转。在智能模式下，系统能根据所检测物体的热量和湿度，以及所选择的火力大小通过模糊推理得出需要加热的时间和被加热物体的重量，这种方式避免了人工定时所造成的将食物炭化的现象。系统的显示器采用能显示中文字符的液晶显示器，人机界面友好，仅需要几个键选择菜单就可以实现丰富的输入功能。系统实现了设计任务中的基本功能和所有的发挥部分的功能。在常规模式和智能模式下分别进行了测试证明所有的火力等级下定时都很准确；模糊控制具有很强的鲁棒性，在输入信号变化较快的情况仍能计算出合理的加热时间。总之，本系统的功能完全达到了设计任务要求。一、方案论证 根据题目要求、具体任务和现实条件，要实现对微波炉的控制，并对控制过程进行优化，使食物的烹煮有较好的效果，模糊控制是首选方案，要实现模糊控制思想，采用单片机作为主控单元成为必不可少的条件。为了使用直观方便，醒目的提示也不可缺少，在设计中加入火力强度指示电路。根据上述分析和系统稳定性、控制的可实现性、操作简便性和系统的性价比进行系统方案的选择。下面对系统的实现方案进行论证。1.主控制器的选型 微波炉的控制要求有严格的时序关系，但对微处理器的速度无特别要求，本文拟选用MCS-51系列单片机作为微处理器，常用的8031或8032单片机需要扩展外围为程序存储器和数据存储器，但由于其出现的较早，价格比较便宜。8051片内有4K ROM，更能体现“单片”的简练。但是编写的程序无法烧写到其ROM中，并是一次性的。不方便使用。飞利普公司的P89C52不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的64K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。另外它还具有在线可编程ISP（In System Programming）功能，在设计的目标系统或印刷电路板上可重新配置逻辑，或实现新的功能而对器件进行编程或反复编程，因此在本系统中采用89C51RD2作为微处理器。 2.数据采集系统的方案选择 为了实现对微波炉的智能控制需要对被加热食物的热量、温度、湿度以及重量进行采集，这些信号都是模拟量，因此要通过A/D转换变成数字量。由于本系统得智能控制模式是模糊控制，对这四个模拟量得精度要求不是很高，同时为节省成本，本文选用8位A/D转换芯片ADC0809。3.火力指示电路的方案选择 为了能直观反映加热火力的强度，本文采用8段红黄绿光柱作为显示器件，用三条光柱分别指示烹调、烧烤和解冻的火力强度；为了节省单片机的资源，同时使显示电路尽量简洁，本文采用74HC595接收单片机的串行数据驱动8段显示。4.显示电路方案选择 对微波炉的工作方式和控制方式的设置是通过显示器和键盘来实现的，显示界面是否友好是决定操作是否简便的主要因素，常用的显示器件是LED数码管，它只能显示数字，这样对工作模式的选择主要依赖大量的功能键来完成，不便于操作。另外，LED数码管不能显示文字等字符，系统工作过程中的状态、信息等不能直观地显示出来。 液晶显示器具有功耗低、体积小、接口方便、显示信息量大、能显示汉字和图形等特点，并且能翻屏显示，分行显示，反白显示，非常适合设计友好的人机界面，本文选用OCM4X8C液晶显示器。5.音频电路的方案选择 凌阳单片机是目前较常用的用来实现声音输出的单片机，可实现音乐的录制与播放等。ISD2500DX键控分段板（段选板）是配有专门的微控制器得音频输出板，适配ISD2500全系列语音芯片，可实现方便的手动分段录放控制，高清晰驻极体话筒等优质部件，而且可以并行放音，控制方式极其简单。同时由于本系统的核心是单片机，可方便地输出控制信号，因此本系统采用ISD2500DX键控分段板作为声音输出电路实现报警和功能提示。6.键盘电路的分析选择常用的并行键盘虽然反应快，但占用的口线多，不利于其它硬件接口的选择和调整，串行键盘的反应速度虽然很慢，但只需占用3根I/O线，给其它器件的选择留下了足够的空间，因此结合本控制器的特点，我们选择串行键盘。二、硬件电路设计 根据上述分析，确定了系统的整体设计方案，根据实际需要对元器件进行了选择和对硬件电路的设计。1.系统硬件框图 系统硬件电路原理图如下图所示。主要包括单片机最小系统、数据采集模块、火力强度控制模块、火力强度指示模块、声音控制模块以及照明、排汽等模块。 红外检测温度传感器湿度传感器 键 盘炉门开关磁控管石英管火力强度指示炉腔照明报 警功能提示80C51RD2ADC0809压力检测 图2 硬件电路原理框图音频电路排汽扇显示电路继电器固态继电器固态继电器2.最小系统模块 最小系统模块包括主控单元和基本外围电路，具体如下图所示。 图3 最小系统电路原理图本设计中的最小系统板主控芯片采用P89C51RD2，它有3个定时/计数器，64K的FlASHROM。液晶显示器和键盘以串行方式连到P1口上。为避免单片机负载太重驱动能力不足，在单片机的各个口线加上拉电阻。键盘连接采用独立式键盘结构。键盘为贴片式触摸按键。连接电路简单，安装方便，外表美观，占用空间小，可靠耐用。3.显示器设计 显示模块采用中文液晶显示器，显示容量大，人机界面友好，其型号为OCM4X8C，具有64128点阵，可以显示1616点阵的字符和汉字，也可以显示自定义的图形.。该液晶具有并行，串行两种接线方式，本系统中使用串行连接方式，串行连接时序图如下图所示。液晶自带中文字库和半宽字型库，同时提供图形显示功能，还可以自定义汉字显示，使用起来非常方便。图4 液晶串行连接时序图此外，液晶的显示资料RAM提供642个位元组的空间，最多可以控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示资料RAM时，可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型；ST7920A可以显示三种字型 ，分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型 ，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H0006H的编码中将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码达成中文字型 的编码（A140D75F）。4.音频电路系统ISD2500DX键控分段板（段选板）是专门的微控制器，适配ISD2500全系列语音芯片，可实现方便的手动分段录放控制。板上包括AT89C2051单片机、ISD2500语音芯片及插座、HT7251微功耗稳压器、LM386功放、高清晰驻极体话筒等优质部件，操作方式如下：（一）录音（1）置录/放开关插针为录音（REC）位置。（2）压住AN#键即开始录音，LED灯点亮，对话筒说话，松键时录音结束，LED灯灭，形成一段。（3）再压住AN#即录第二段，如此录音、分段，直到芯片录满溢出停止。（4）全部录音完毕时，按动STOP键一下（LED灯随之亮起），将录/放开关插针置于放音（PLAY）位置。（5）如录音中发现不满意，按STOP键即可从头重录。（二）放音（1）将录/放开关插针置于放音（PLAY）位置。（2）串行顺序放音：每按动一下AN#键即放音一段，从第一段开始逐段播放，到最后一段时停止，需按STOP键复位后又从第一段播放。 （3）并行控制放音：从AN1AN10按任一键即播放该段的语音，即脉冲触发时为单段放音一遍，如按AN5即播第五段、按AN8即放第八段，放音期间按STOP键停止。按住键不放（即长时间电平触发）为循环放音，松键后语音段结束时停止。（4）同时AN1、2、4、8键为BCD码编码方式，组合可扩展15段控制，AN11=AN1+AN2+AN8，AN12=AN4+AN8，AN13=AN1+AN4+AN8，AN14=AN2+AN4+AN8，AN15=AN1+AN2+AN4+AN8。（5）串行转并行控制：串行控制放音后如想转成并行控制，需要按一下STOP键。本系统采用下图所示的方式，使用单片机的三条口线控制ISD2500DX发出七段不同的声音。图5 声音控制电路5.火力强度指示电路本文采用8段红黄绿光柱作为显示器件，用三条光柱分别指示烹调、烧烤和解冻得火力强度；采用74HC595接收单片机得串行数据驱动8段显示。显示电路如下图。图6 火力强度指示电路6.火力输出电路 微波炉启动后，电源除产生5V直流稳压电源外，还有过零信号检测电路，其作用是产生和过零时刻相对应的负脉冲信号，此过零负脉冲信号送到单片机的中断信号输入端INT,用于产生过零中断。通过由过零检测电路检测到的过零点个数，来控制微波炉磁控管的停和转，以实现对烹调功率的控制。 磁控管阳极高压3000V-7000V，工作频率2450MHz，阳极电流为300mA-1200mA，因此直接控制磁控管的开关状态是不可取的，通过对变压器初级绕组的通断电状态的控制，即对其阳极电压的变压器初级绕组通断电的控制来实现对磁控管的开关控制。7.输入量的检测为了能够实现智能控制和保证微波炉工作过程中的安全性，必须对相关得模拟参量进行检测。本系统采用四个电位器输出直流电压分别模拟红外、湿度、温度和压力传感器的输入，对它们输出的电压进行A/D转换，具体电路原理图如下所示。1） 红外线检测 红外线检测电路由红外敏感元件和放大电路组成，红外敏感元件必须正对被微波作用的食物，其作用是用于检测被烹煮食物的内部温度。食物的内部温度可以用以下公式求取： T=W/(*)1/4其中：W是放射量，也即是食物放出的能量；是放射率；是斯蒂芬波尔兹曼常数。由红外线检测所测出的食物能量，可以直接送入单片机中，经过计算处理即可得出食物的内部温度T，这个食物内部温度T可作为一种模糊控制的输入量。2）湿度检测电路 湿度检测电路由湿度敏感电容和有关放大电路组成。其作是用于测定食物的含水量的多少。因为一般来说，含水量越多的食物用微波炉加热的时间就越短，效率也就越高。因此对食物的检测可以为食物微波加热时间的确定和功率的设置提供一定的依据。3）温度检测电路温度检测电路中的温度传感器安装在炉腔内，其作用是用于检测炉腔温度，以供保温和高温报警使用。4)压力检测电路在微波炉内的转盘下放一个压力检测电路，当炉内没有食物时，压力检测为0，则证明炉内没有食物，此时控制器便不会控制微波炉工作；当炉内有食物时，压力检测电路会检测出有食物，并且在解冻时可根据食物的重量来确定解冻时间，此时控制器便会正常工作。 由于在室温条件下不能模拟微波炉内部的状态，我们以上四种检测电路做了简化，通过四个电位器直接输出直流电压信号。 图7 A/D转换电路 8.炉门检测 炉门开关用于检测炉门的现行状态，正常工作时炉门对微波起着很好的反射和屏蔽作用，开门前务必要先保证微波发生电路已停止工作，因为微波对人有害，因此炉门的检测至关重要。当炉门打开时，一方面应停止磁控管或石英管的工作，以防止微波泄漏，因为微波对人的身体有害；另一方面，应接通炉腔内的照明灯，以便于用户取放食物。三、软件设计1.主程序设计软件设计采用了模块化设计，全部用C51编程。整个软件系统简洁明了，而且具有良好的扩展性。整个软件系统包括主程序、常规模式和智能模式三大模块。主程序负责键盘处理、显示刷新、报警，炉门状态的检测，以及电机、照明灯和排汽扇的控制。主程序流程图如下图所示。开始初始化自检程序欢迎界面选择烹调、烧烤或解冻普通模式智能模式火力选择 加热定时选择重量、温度、湿度等的测定单片机给出建议值并模糊控制模糊控制火力和加热时间 加热 完成取消取消再执行图8 系统主程序流程图当控制器不工作时，此时的控制器和微波炉都处于复位待机状态，控制器输出的微波功率控制信号为0，液晶显示器上的时间显示电路显示为00.00，然后按下测试键，控制器会检测显示电路是否正常。显示电路检测正常后，开始设置输出功能，功能设置部分主要是设置三个工作状态，此时液晶显示器上会显示“请选择工作状态”的字样，下面会列出供选择的工作状态：分别为烹调，烘烤，解冻。然后进一步设定火候是快速，中速，还是慢速，设置好后，再进行时间的设置，控制器中具有4位时间预置电路，按键启动时间设置，最大预设数为99分59秒。然后按下启动键，此时控制器便控制微波炉开始工作。当需要定时加热时，如：设置时间为中午11：00时对微波炉内的食物进行加热20分钟，就需要在键盘上多设置一个11：00的精确时间。时间设置完后，按下启动键，微波炉便开始工作，到达设定的时间时，微波炉便自动停止工作。此时控制器上的扬声器便会给出声音提示。当然，声音提示也会因工作状态的不同而不同，如：烹调时会提示“烹调完毕”，烧烤时会提示“烧烤好了”。此时微波炉的工作便完成了。微波炉的控制器的工作也同样完成了。智能模式启动？以中等化热进行食物量m推理以食物量m和中功率进行时间推理输入食物类型和功率启动？食物量m推理时间推理磁控管工作时间递减停磁控管炉门打开保温YNY时间为零？NYNNY 图9 常规模式控制流程图2.智能（模糊）控制模式采用模糊控制技术的微波炉在自动工作方式下，首先根据输入的热容和测得的食物温升推断出食物的重量，再以食物重量、热容和烹调功率作为推理的条件，准确的推断出微波炉的工作时间再进行食物的烹调。模糊量与模糊推理中，需要考虑的主要因素有：食物类型、食物重量、食物温度、微波功率和工作时间。而模糊微波炉要实现模糊控制最重要的是自动推断出食物重量和微波炉工作时间。1）模糊量的定义：输入模糊量：食物温升T：食物比热c:微波功率P输出模糊量：食物重量m：烹调时间t食物的温升T取7个模糊量：很小（VS）、小（S）、中小（MS）、中（M）、中大（ML）、大（L）、很大（VL）。比热C（J/chg.）取5个模糊量：小（S）、中小（MS）、中（M）、中大（MB）、大（B）。微波功率P（W）取5个模糊量；小（S）、中小（MS）、中（M）、中大（ML）、大（L）。重量m(kg)取5个模糊量：很轻（VL）、轻（L）、中（M）、重（H）、很重（VH）。工作时间t(min)取7个模糊量：很短（VS）、短（S）、中短（MS）、中（M）、中长（ML）、长（L）、很长（VL）。2）食物重量的推理食物重量是通过模糊推理得出的，它取决于食物的比热和食物被加热之后的温升。食物重量的推理形式采用Mamdani推理，推理的条件语句为：if C and T then m推动规则如表1所示食物重量模糊推理规则表所示，它共有35条语句。 M TVSSMSMMLLVLCSVHVHHMLVLVLMSHHMLLVLVLMHMLLVLVLVLMBMLLVLVLVLVLBLLVLVLVLVLVL3）工作时间的推理在实际中，由于烹调方式有所区分，即微波功率不同，所以，在推理中分别把食物比热、食物重量和微波功率作为推理的后件。在进行模糊推理时由于比热、重量和输出功率均有5个模糊量，所以会有5*5*5共125条为方便起见，可把功率固定为某一种状态，考虑食物和比热的推理过程。当微波炉取单点模糊量时，如P=1000W，则其工作时间得模糊推理规则如下表所示。根据以上推理模型设计该模式下的软件流程如下图。 t CSMSMMBB mVLVSVSVSVSVSLVSVSVSVSVSMVSVSVSVSVSLVSSMSMSMSVHSMSMMML智能模式启动？以中等化热进行食物量m推理以食物量m和中功率进行时间推理输入食物类型和功率启动？食物量m推理时间推理磁控管工作时间递减停磁控管炉门打开保温YNY时间为零？NYNNY图10 模糊控制流程图四、实验结果与分析本系统的输入部分采用电位器改变直流电压模拟红外、湿度、温度和压力传感器的