基于单片机的微波炉控制系统设计毕业设计论文.doc

南京工程学院 自动化学院自动化学院 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题目 基于高性能单片机的基于高性能单片机的 微波炉控制系统设计微波炉控制系统设计 专 业 自动化 数控技术 自动化 数控技术 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 起迄日期 2012 22012 2 2012 62012 6 设计地点 实实验验楼楼 graduation design thesis design of microwave oven control system based on high performance mcu byby supervisedsupervised byby school of automation nanjing institute of technology june 2012 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 摘摘 要要 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 关键词 微控制器 微波炉 控制器 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 abstract with the computer penetration in the social sphere in recent years and the development of large scale integrated circuits microcontroller applications are continually developing deeply because of its powerful function small size low power consumption cheap price reliable performance easily using etc it is particularly suitable for systems with control it is used more and more widely in automatic control intelligent instruments meters data acquisition military products and home appliances etc scm is often used as a core component in according to the specific hardware architecture and it is often combined with application specific features of the software objects to make perfect microwave oven control system design used the microcontroller as the core based on mcu preparation software system combined with eight digital tube led display and necessary peripheral circuits to complete the microwave oven programmable intelligent control system consisted of several modules such as the time controlling fire setting the user interface sound design it could complete the function under the keyboard meanwhile used the led to display the status of system and prompted us through a ringer key words microcontroller microwave oven controller 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1引言 1 1 2课题背景 1 1 3课题研究来源 2 1 4本文主要研究工作 3 1 5本文结构 3 第二章第二章 控制系统总述控制系统总述 5 2 1工作原理 5 2 1 1 系统框图 5 2 1 2 系统功能实现 5 2 2控制电路设计 6 2 3软件设计 7 2 4本章小结 8 第三章第三章 各模块设计方案各模块设计方案 10 3 1 档位输出方案 10 3 2 计时控制方案 10 3 3 键盘设计方案 11 3 4 显示设计方案 11 3 5 火力输出方案 12 3 5 1 微波炉火力输出原理 12 3 5 1 微波炉火力输出方案 12 3 5 响铃提示方案 12 3 6 本章小结 12 第四章第四章 硬件设计硬件设计 14 4 1 系统核心 at89c51 介绍 14 4 1 1 at89c51 主要性能 14 4 1 2 at89c51 的引脚及功能 14 4 1 3 at89c51 单片机的内置功能 16 4 2 时钟电路设计 18 4 3 键盘电路设计 18 4 4 档位显示电路设计 19 4 5 显示电路设计 20 4 5 1 驱动数码管芯片 20 4 5 2 数码管 22 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 4 6 响铃 提示电路设计 23 4 6 1 蜂鸣器发声原理 23 4 7 火力大小输出设计 24 4 8 电源电路设计 24 4 9 电路板设计 25 4 9 1 电路原理图绘制 25 4 9 2 pcb 图绘制 27 4 10 本章小结 28 第五章第五章 软件设计软件设计 29 5 1 显示程序设计 29 5 2 键盘模块程序设计 30 5 3 计时模块程序设计 31 5 4 系统待机程序设计 32 5 5 用户设定程序设计 33 5 6 响铃 提示程序设计 35 5 6 1 按键发音程序设计 35 5 6 2 提示程序设计 35 5 7 本章小结 36 第六章第六章 仿真验证仿真验证 37 6 1 仿真软件 37 6 2 仿真过程 38 6 3 仿真结果 44 6 5 仿真中出现的问题 45 6 5 本章小结 45 第七章第七章 结论结论 46 7 1 论文总结 46 7 1 1 主要工作及结论 46 7 1 2 存在的问题 46 7 2 感想或者收获 46 致谢致谢 48 参参 考考 文文 献献 49 附录附录 a 硬件设计原理图与 硬件设计原理图与 pcb 图图 50 附录附录 b 软件程序清单 软件程序清单 52 附录附录 c 仿真验证结果 仿真验证结果 65 附件 毕业论文光盘资料附件 毕业论文光盘资料 66 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 1 第一章第一章绪绪 论论 1 1引言引言 现在可以说单片机是百花齐放 百家争鸣的时期 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 2课题背景课题背景 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 2 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 3课题研究来源课题研究来源 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 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 3 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 化提供了可能 1 4本文主要研究工作本文主要研究工作 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 5本文结构本文结构 本文以微波炉的控制系统设计为研究对象 以单片机的应用为背景 对微波炉系 统基本功能进行设计与研究 全文主要分七章 各章的主要内容如下 第一章 主要介绍了单片机的特点 概念 发展背景以及微波炉的发展背景 第二章 主要研究了微波炉控制系统的总体概述 工作原理 电路设计及软件设 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 4 计总体要求 第三章 主要根据微波炉的工作原理确定控制系统的各个控制模块 以及对各个 控制模块设计方案进行比较 然后作出最优选择 第四章 根据前一章的分析比较论证进行系统硬件电路设计 第五章 主要进行系统的软件设计 根据流程图设计相应的合理的程序 并进行 调试 第六章 依据设计好的硬件电路和软件程序 用proteus软件进行仿真验证 第七章 总结了全文的研究工作 给出了存在的问题和进一步的研究方向 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 5 第二章第二章控制系统总述控制系统总述 2 12 1 工作原理工作原理 2 1 1 系统框图系统框图 一般的家用微波炉操作流程都包括定时 档位选择 启动等 所以微波炉工作 大致可以四个步骤 系统待机 用户时间 档位 火力设置 系统工作 完 成 提示 具体系统框图如图2 1 1 图2 1 1 系统框图 2 1 2 系统功能实现系统功能实现 系统启动时 8 位数码管显示零时 零分 零秒 即 00 00 00 火力输出档位 通过三个不同颜色的发光二极管显示 分别表示大火 小火 中火 键盘分按键 k0 k1 k2 k3 k4 k5 k6 reset 八个按键 reset 复位键采用独立式键盘 k0 键 为微波炉的启动与关闭 k1 k2 k3 键为档位选择键 分别代表大火 中火 小 火 选择后相应的发光二极管会发亮 k4 键为时 分 秒设定选择键 k5 k6 键 分别为时间的加减设定 reset 为复位键 每次按下按键后系统都会启动音响发生 模块发出 嘀 的声音 选择合适的档位 微波炉启动数码管开始倒计时 当倒计 时到软件程序设定的固定时间 20s 会进行倒计时提醒 此时会发出提示声音 各功能实现如图 2 1 2 系统待机用户设定开始加热完成 提示 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 6 工作状态 档位设置 用户设置系统待机 系统上电 时间设定系统复位 按 k0 启动 初 始时间为 00 00 00 k1 k2 k 3 分别代表大 中 小 reset 复位 k4 k5 k6 图2 1 2 系统功能图 2 22 2 控制电路设计控制电路设计 微波炉控制系统以 at89c51 单片机为核心 通过外接设备进行微波炉的显示 火 力输出 定时设计 来完成系统设计的要求 具体框图如图 2 2 1 内部定时器 矩阵键盘电路音响发生电路 电源电路 8 位数码管显示电路 火力输出电路 门电路设计 档位显示电路 单 片 机 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 7 图 2 2 1 系统的总体框图 控制电路设计部分以 at89c51 单片机控制电路为核心 由定时器电路 显示 电路 键盘电路 门电路 电源电路 音响发声电路 火力输出电路 档位显示电 路共同组成微波炉控制系统电路 在本设计中 我们对火力输出电路原理只作解释 不作硬件电路的设计 2 32 3 软件设计软件设计 随着科技的飞速发展 c 语言的地位显得日益重要 c 语言是一种结构化的 语言 它层次清晰便于按模块化方式组织程序 它可以用于系统软件的开发 同样 也适用于应用软件的开发 c 语言具有效率高 可移植性强等特点 如果以前采用 的是汇编语言写的程序 在日后升级和维护相当困难 别人写的程序不易被读懂 但用 c 语言写程序时 相当便利 所以本次程序设计采用 c 语言编写 既能保证设 计的精度 又能使程序通俗易懂 本次设计采用 keil 4 作为编写软件 并通过 keil 4 进行编译调试 软件界面如图 2 3 1 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 8 图2 3 1 软件界面 keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统 与汇编相比 c语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而 易学易用 keil提供了包括c编译器 宏汇编 连接器 库管理和一个功能强大的 仿真调试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 uvision 将这些部分 组合在一起 运行keil软件需要win98 nt win2000 winxp等操作系统 如果 你使用c语言编程 那么keil几乎就是你的最佳选择 即使不使用c语言而仅用汇编 语言编程 其方便易用的集成环境 强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍 keil c51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全windows 界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体会到keil c51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开 发大型软件时更能体现高级语言的优势 keil c51生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言 的优势 与汇编相比 c语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优 势 因而易学易用 用过汇编语言后再使用c来开发 体会更加深刻 keil c51软 件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全windows界面 2009年2月发布keil vision4 keil vision4引入灵活的窗口管理系统 使开 发人员能够使用多台监视器 并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何 地方 新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口 提供一个 整洁 高效的环境来开发应用程序 新版本支持更多最新的arm芯片 还添加了一 些其他新功能 2011年3月arm公司发布最新集成开发环境realview mdk开发工具 中集成了最新版本的keil uvision4 其编译器 调试工具实现与arm器件的最完美匹 配 基于keil的完美性能 我们将采用keil 4 作为本设计软件程序的编写 编译 调试工具 因为本次设计将使用c语言编写程序 c语言编写程序通俗易懂 便于后 期修改完善 灵活性高 满足设计精度要求所以使用keil作为编写 编译 调试的 工具 是不二之选 2 42 4 本章小结本章小结 通过对微波炉控制系统的整体概述 我们已经基本熟悉了微波炉的工作原理 硬件电路设计 软件设计等各个方面 硬件电路大体包括定时电路 门电路 键盘 电路 显示电路 响铃电路 火力输出电路几个主要模块 软件设计也将从这几个 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 9 模块入手 因此 我们对微波炉控制系统有了初步的了解 并且确定了微波炉控制 系统的大致研究方向 了解了微波炉控制的各个模块的功能 为进一步研究 细化 各模块功能奠定了坚实的基础 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 10 第三章第三章各模块设计方案各模块设计方案 微波炉控制系统设计是以 at89c51 单片机为核心的 系统具体包含显示电路 键盘电路 计时控制电路 火力输出电路 响铃提示电路等多个部分 根据我们所 了解的 每个部分都可以采用不同的方案来实现 但不同的方案有实现的难易的不 同 不同的设计要求所采取的方案也各不相同 有的需要考虑高精度 有的需要保 证低功耗等等 所以通过思考分析 最终做出最合理的选择 使之更加科学和合理 达到设计要求 下面对各模块设计方案做分析和选择 3 1 档位输出方案档位输出方案 方案一 我们可以通过扩展芯片对单片机的 i o 口进行扩展 将单片机的一个 i o 端口扩展成三个输出端口以便节省单片机的 i o 口资源 方案一如图 3 1 1 方案二 直接利用单片机的三个 i o 口进行档位控制 方案二如图 3 1 2 i o i o i o 图 3 1 1 方案一 图 3 1 2 方案二 结论 鉴于单片机含有丰富的 i o 口资源 所以我们采用方案二 无须扩展 3 2 计时控制方案计时控制方案 方案一 使用专门的时钟芯片控制 我们可以采用专门的时钟控制芯片能够保 证高精度 操作简单等 能够实现单片机的准点定时控制 方案二 at89c51 单片机内部就含有定时器 我们可以使用一个定时器和计 数器结合 加上12m晶振的驱动 实现定时 计数控制 结论 我们采用方案二 单片机灵活性高 方案二节省器件 使电路简化 有 很高的性价比 对于计时的精度我们可以通过软件设计来弥补调整 单片 机 扩展 芯 片 单片 机 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 11 3 3 键盘设计方案键盘设计方案 方案一 独立式键盘 每个独立按键单独占有一根 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 在按键不多的情况 下我们可以采用独立式键盘 独立式键盘如图 3 3 1 方案二 4 4 矩阵式键盘 此类键盘是采用行列扫描方式 优点是当按键较多 时可以降低占用单片机的 i o 口数目 节省单片机的 i o 口资源 结论 我们采用方案二 因为本次设计采用了多个按钮 如果使用独立式键盘 将占用大量的 i o 口资源 所以我们采用 4 4 矩阵式键盘 这样可以节省大量的 i o 口资源 矩阵式键盘如图 3 3 2 图 3 3 1 独立式键盘 图 3 3 2 矩阵式键盘 3 4 显示设计方案显示设计方案 方案一 采用数码管显示 数码经济适用 只需简单的驱动芯片 即可驱动显 示 但是信息量少 方案二 采用液晶显示 某些液晶显示器具有汉字显示功能 用液晶来实现显 示功能 不仅可以实现基本的显示信息 而且可以显示丰富的符号指示信息以及文 字指示信息 如 am pm 闹钟符号等 信息量丰富且直观易懂 而且液晶显示有 功耗低 体积小 重量轻 寿命长 绿色环保等优点 结论 根据设计要求 我们只需实现定时显示 只要能显示时间即可 信息量 少 只需显示时 分 秒 所以我们采用 8 位数码管进行显示 完全能够达到设计 接单片机 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 12 要求 3 5 火力输出方案火力输出方案 3 5 1 微波炉火力输出原理微波炉火力输出原理 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 40 po 又称低功率或低火 对应 15s 的为中功率 50 po 又称中火 对应 24s 的为中高功率 80 po 又称中高火 对应 30s 的为高功率 100 po 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 8 12 挡之多 以求更适应烹 饪和解冻不同食品之需 3 5 1 微波炉火力输出方案微波炉火力输出方案 根据设计要求 只需设计高 中 低三档功能 无需多档位控制 只需输出大 火 中火 小火三档火力 因此 我们只需模拟出三档火力即可 我们通过三种不 同颜色的发光二极管即可达到设计要求 3 5 响铃提示方案响铃提示方案 我们可以使用单片机的一个 i o 端口 然后接上扬声器 通过软件方式 修改 延时 周期 来达到响铃提示的效果 3 6 本章小结本章小结 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 13 经过比较和分析 得出了较理想的方案 1 计时单元由软件编程来实现 定时采用单片机内部定时器来实现 即通 过单片机内部定时器产生中断 再通过软件编程实现进行计数 从而实现时 分 秒的倒计时 2 时间显示采用 8 位 led 数码管显示时 分和秒 档位显示采用 3 个不同 颜色的发光二极管显示 分别表示大火 中火 小火三档火力 3 键盘采用单片机 4 4 矩阵式键盘 端口输入电平 通过单片机扫描相应 端口电平来判断按键的抬起与按下 4 响铃提示直接由单片机控制输出 连接在扬声器在电阻上叠加推动扬声 器发声 通过各种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 并构思出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 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 14 第四章第四章硬件设计硬件设计 4 1 系统核心系统核心at89c51介绍介绍 4 1 14 1 1 at89c51at89c51 主要性能主要性能 4kb 可改编程序 flash 存储器 可经受 1000 次的写入 擦除周期 全静态工作 0hz 24mhz 三级程序存储器保密 128 8 字节内部 ram 32 条可编程 i o 线 2 个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 片内时钟振荡器 4 1 24 1 2 at89c51at89c51 的引脚及功能的引脚及功能 at89c51 单片机的管脚说明如图 4 1 2 所示 图 4 1 2 at89c51 的管脚 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 15 1 电源引脚 vcc 电源端 gnd 接地端 2 外接晶体引脚 xtal1 xtal2 xtal1 接外部晶体的一个引脚 在单片机内部 它是构成片内振荡器的反 相放大器的输入端 当采用外部振荡器时 该引脚接收振荡器的信号 既把此信号 直接接到内部时钟发生器的输入端 xtal2 接外部晶体的另一个引脚 在单片机内部 它是上述振荡器的反相 放大器的输出端 采用外部振荡器时 此引脚应悬浮不连接 3 控制或与其它电源复用引脚 rst ale prog psen 和 ea vpp rst 复位输入端 当振荡器运行时 在该引脚上出现两个机器周期的高电 平将使单片机复位 ale prog 当访问外部存储器时 ale 地址锁存允许 的输出用于锁存 地址的低位字节 即使不访问外部存储器 ale 端仍以不变的频率 此频率为振荡 器频率的 1 6 周期性地出现正脉冲信号 因此 它可用作对外输出的时钟 或用 于定时目的 然而要注意的是 每当访问外部数据存储器时 将跳过一个 ale 脉 冲 在对 flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 prog psen 程序存储允许 psen 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 at89c51 lv52 由外部程序存储器取指令 或常数 时 每个机器周期两次 psen 有效 既输出 2 个脉冲 但在此期间内 每当访问外部数据存储器时 这两次有 效的 psen 信号将不出现 ea vpp 外部访问允许端 要使 cpu 只访问外部程序存储器 地址为 0000h ffffh 则 ea 端必须保持低电平 接到 gnd 端 当 ea 端保持高电平 接 vss 端 时 cpu 则执行内部程序存储器中的程序 4 输入 输出引脚 p0 0 p0 7 p1 0 p1 7 p2 0 p2 7 和 p3 0 p3 7 p0 端口 p0 0 p0 7 p0 是一个 8 位漏极开路型双向 i o 端口 作为输出口 用时 每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 输入 对端口写 1 时 又可作高阻抗 输入端用 p1 端口 p1 0 p1 7 p1 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i o 端口 p1 的输出缓冲器可驱动 吸收或输出电流方式 4 个 ttl 输入 对端口写 1 时 通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电位 这时可用作输入口 作输入口时 因为有内部 的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 p2 端口 p2 0 p2 7 p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i o 端口 p2 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 16 的输出缓冲器可驱动 吸收或输出电流方式 4 个 ttl 输入 对端口写 1 时 通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电位 这时可用作输入口 p2 作输入口使用时 因为 有内部的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流 p3 端口 p3 0 p3 7 p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i o 口 可接 收输出 4 个 ttl 门电流 当 p3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输 入 作为输入 由于外部下拉为低电平 p3 口将输出电流 这是由于上拉的缘故 p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能 这些特殊功能见表 4 1 3 表 4 1 3 p3 端口的特殊功能 端口引脚 兼 用 功 能 p3 0rxd 串行输入口 p3 1txd 串行输出口 p3 2 int0 外部中断 0 p3 3 int1 外部中断 1 p3 4t0 定时器 0 的外部输入 p3 5t1 定时器 1 的外部输入 p3 6 wr 外部数据存储器写选通 p3 7 rd 外部数据存储器读选通 4 1 3 at89c51 单片机的内置功能单片机的内置功能 at89c51 单片机与 mcs 51 完全兼容 定时 计数器 at89c51 单片机内含有 2 个 16 位的定时器 计数器 当用于定时 器方式时 定时器的输入来自内部时钟发生电路 每过一个机器周期 定时器加 1 而一个机器周期包含有 12 个振荡周期 所以 定时器的技术频率为晶振频率的 1 12 而计数频率最高为晶振频率的 1 24 为了实现定时和计数功能 定时器中含 有 3 种基本的寄存器 控制寄存器 方式寄存器和定时器 计数器 控制寄存器是一 个 8 位的寄存器 用于控制定时器的工作状态 方式寄存器是一个 8 位的寄存器 用于确定定时器的工作方式 定时器 计数器是 16 位的计数器 分为高字节和低字 节两部分 ram 高于 7fh 内部数据存储器的地址是 8 位的 也就是说其地址空间只有 256 字节 但内部 ram 的寻址方式实际上可提供 384 字节 的直接地址访问同一 个存储空间 高于 7fh 的间接地址访问另一个存储空间 这样 虽然高 128 字节区 分与专用寄器 即特殊功能寄存器区的地址是重合的 但实际上它们是分开的 究竟访问哪一区 存是通过不同的寻址方式加以区分的 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 17 sfr sfr 是具有特殊功能的所有寄存器的集合 共含有 22 个不同寄存器 它 们的地址分配在 80h ffh 中 虽然如此 不是所有的单元都被特殊功能寄存器占 用 未被占用的单元 其内容是不确定的 如对这些单元进行读操作 得到的是一 些随机数 而写入则无效 所以在编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元 中 特殊功能寄存器主要有累加器 acc b 寄存器 程序状态字寄存器 psw 堆 栈指针 sp 数据指针 dptr i o 端口 串行口数据缓冲器 sbuf 定时器寄存器 捕捉寄存器 控制寄存器 中断系统 at89c51 单片机有 5 个中断源 中断系统主要由中断允许寄存器 ie 中断优先级寄存器 ip 优先级结构和一些逻辑门组成 ie 寄存器用于允许或禁 止中断 ip 寄存器用于确定中断源的优先级别 优先级结构用于执行中断源的优先 排序 有关逻辑门用于输入中断请求信号 在整个中断响应过程中 cpu 所执行的 操作步骤如下 1 完成当前指令的操作 2 将 pc 内容压入堆栈 3 保存当前的中断状态 4 阻止同级的中断请求 5 将中断程序入口地址送 pc 寄存器 6 执行中断服务程序 7 返回 时钟电路 at89c51 系列单片机的内部振荡器 由一个单极反相器组成 xtal1 反相器的输入 xtal2 为反相器的输出 可以利用它内部的振荡器产生时 钟 只要 xtal1 和 xtal2 引脚上一个晶体及电容组成的并联谐振电路 便构成一 个完整的振荡信号发生器 此方式称为内部方式 另一种方式由外部时钟源提供一 个时钟信号到 xtal1 端输入 而 xtal2 端浮空 在组成一个单片机应用系统时 多数采用这种方式 这种方式结构紧凑 成本低廉 可靠性高 c1 和 c2 的作用有 两个 其一是使振荡器起振 其二是对振荡器的频率 f 期微调作用 c1 c2 变大 f 变小 其典型值为 30pf 振荡器在加电后 10ms 开始起振 xtal2 输出 3v 左右 的正弦波 振荡器产生的时钟脉冲送至单片机内部的各个部件 nmos 型单片机也 可以不适用内部时钟电路 直接总外部输入时钟脉冲 我们一般采用 12m 的晶振 因为一个机器周期为 1 12 时钟周期 所以这样用 12m 的话 一个时钟周期为 12us 那么定时器计一次数就是 1us 了 时钟电路电路图如图 4 1 4 接单片机 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 18 图 4 1 4 时钟电路内部结构图 复位电路 复位电路的基本功能是 系统上电时提供复位信号 直至系统电源 稳定后 撤销复位信号 为可靠起见 电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信 号 以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖动而影响复位 如图 4 1 5 所示 的 rc 复位电路可以实现上述基本功能 左边的电路为高电平复位有效 右边为 低电平 reset 为手动复位开关 c 可避免高频谐波对电路的干扰 图 4 1 5 rc 复位电路 4 2 时钟电路设计时钟电路设计 计时控制模块是微波炉控制系统设计的核心 用来完成基本功能中的加热倒计 时 以及时间显示和定时两项扩展功能 时间显示功能被用来在待机状态显示当前 的时间和用户预先设定的时间 允许手动调时 并且会自动与计算机进行时间同步 定时启动则会根据用户设定的火力属性 在预定的时间内启动任务 为了实现上述 功能 在设计中 我们采用at89c51 的内部定时器与软件计数器相结合的方式获 得1hz的时钟 定时器0自动装入模式以保证精度 这时定时器周期t可由下式表示 t 28 k 12 clk 1 其中k 为定时器初值 clk 为系统晶振 考虑到串口通信 我们选定clk为 11 0592mhz k 为27 从式 1 中不难看出 这时要获取1hz 的时钟 计数器的预置数n 应对t 1取整 即 n 22118400 12 256 27 8049 2 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 19 则系统获取的时钟频率即为 f 12 22118400 28 27 8049 1 000011hz 完全可以满足系统的计时要求 4 3 键盘电路设计键盘电路设计 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 4 4 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 键盘设计电路如图 4 3 1 复位电路中的独立式按键 和图 4 3 2 所示 图 4 3 1 复位电路 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 20 图 4 3 2 矩阵式键盘电路 4 4 档位显示电路设计档位显示电路设计 档位显示模块是由三个发光二极管显示 分别代表 大火 中火 小火 三个火力档位 直接将发光二极管通过三极管接至单片机 i o 接口通过单片机发送 低电平使发光二极管发光 用来模拟三个档位输出 具体电路设计如图 4 4 1 图 4 4 1 档位显示电路设计 注 以上火力输出电路 led1 led2 led3 分别代表大火 中火 小火 在研究 中我们将采用不同颜色的发光二极管分别代表大火 中火 小火进行模拟仿真 4 5 显示电路设计显示电路设计 根据前面章节的分析与方案选择 我们只需实现定时显示 只要能显示时间即 可 信息量少 只需显示时 分 秒 所以我们采用 8 位数码管进行显示 完全能 够达到设计要求 我们选择 max7221 作为 8 位 led 驱动芯片 4 5 1 驱动数码管芯片驱动数码管芯片 1 芯片简介 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 21 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 经实际使用发现 该芯片具有占用单片机i o 口少 仅三线 显示多样 可靠性高 简单实用 编程灵活方便的特点 2 芯片引脚介绍 din 脚 串行数据输入端 数据存入内部16 位移位寄存器 dig0 dig7 脚 8 位共阴极数码管的控制输入端 显示关闭时输出高电平 gnd 脚 接地端 4 和9 脚都要接地 cs 脚 片选输入端 当cs 0 时 串行数据存入移位寄存器 当cs 为上升沿时锁 存最后16 位数据 clk 脚 串行时钟输入端 最高频率10mhz 在时钟上升沿数据移位存入内部移 位寄存器 当时钟下降沿时 数据由dout 输出 clk 输入仅当cs 0 时有效 sega segg segdp 脚 数码管七段驱动和小数点驱动端 关闭显示时各段驱 动输出为高电平 iset 脚 连接到vdd 的电阻连接端 用来模拟设定各段驱动电流 vdd 脚 5v 正电压输入端 dout 脚 串行数据输出端 数据由din 输入 经16 5 个时钟延迟后由dout 引脚输 出 此引脚用来扩展max7221 max7221如图4 5 1 图 4 5 1 max7221 芯片 3 max7221 功能 南京工程学院自动化学院本科毕业设计 论文 22 1 串行数据输入和控制寄存器 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d0 d15 的排列见表1 d0 d7 包含数 据 d8 d11 包含寄存器地址 d12 d15为未定义位 芯片最先接收d15 位 2 省电模式 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 译码 非译码模式 译码模式寄存器可以设置对每一位数字的 bcd 译码模式或非译码模式 寄存 器的每一位对应一个数字 高电平代表译码 低电平代表旁路译码器 当芯片处于 译码模式时 数据位只有d0 d3 有效 d4 d6 位为无效位 d7 为小数点位 当 芯片处于非译码模式时 数据d0 d7 位对应8 个笔划段 4 亮度控制寄存器 本芯片允许由外加在 vdd 和iset 之间的电阻rset调节led 亮度 rset 阻值至 少为9 53k 它也允许由亮度控制寄存器进行设置 通过设置每一笔划的扫描脉冲 占空比达到调整亮度的目的 5 扫描位数控制寄存器 扫描位数控制寄存器可以设置显示 1 8 位 多路扫描器在显示8 位时典型的 扫描频率为800hz 显示位数减少时 扫描频率上升为8f n f 为扫描频率 n 为显 示位数 当显示位数为3 位 2 位 1 位