微波炉设计论文.doc

基基于于单单片片机机的的可可编编程程 微微波波炉炉控控制制器器系系统统设设计计报报告告 作作者者 刘刘蓓蓓辉辉 程程澄澄 刘刘克克厚厚 设设计计时时间间 2 20 01 11 1 0 04 4 1 15 5 1 目目 录录 第第1 1 章章 摘摘 要要 1 1 课题设计来源 1 2 主要研究的工作 第第2 2 章章 系系统统总总体体概概述述 2 1 工作原理 2 2 电路设计 2 3 软件设计 第第3 3 章章 方方案案比比较较与与论论证证 3 1 主控制器 选择方案 3 2 时钟电路选择 方案 3 3 键盘部分选择方案 3 4 档位和火力显示电路选择 方案 3 5 显示电路选择 方案 3 6 音响发生电路选择方案 3 7 温度测量选择方案 第第4 4 章章 系系统统硬硬件件设设计计 4 1 门电路设计 4 2 时钟电路设计 4 3 键盘模块电路设计 4 4 档位和火力显示电路设计 4 5 LCD 1602电路设计 4 6 温度测量电路设计 2 4 7 音响发生电路设计 4 8 DS1302时钟设计 4 9 电源电路设计 第第5 5 章章 系系统统软软件件设设计计 5 1 显示程序设计 5 2 计时程序设计 5 3 系统待机状态设计 5 4 用户设定状态设计 5 5 微波炉加热状态 5 6 加热停止并响铃状态设计 第第6 6 章章 系系统统测测试试 6 1 测试及制作所用仪器 6 2 测试结果 6 3 误差分析 结结论论 附附录录一一 系系统统整整体体电电路路图图 附附录录二二 软软件件设设计计程程序序 3 第第1 1 章章 摘摘 要要 1 1 1 1 课课题题设设计计来来源源 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 在根据具体硬件结构 以及针对具体应用对象特点的软件结合 以作完善 在生活和生产的各领域中 凡是有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 凡是能想像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 单片机的应用大有想像和拓展空间 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 使 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 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 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 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 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 考试和日常作息时间 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 扩大了数字化的范 围 为家庭数字化提供了可能 微波炉控制系统设计采以微控制器 MCU 为核心 基于 Keil uVision3编制软件系统 结合数码管 LED 或液晶 LCD1602或12864 显示以及必要的外围电路 比如温度检测 按键输入 时钟定时 温度显示 火力输出模拟和档位选择等等 完成 微波炉的 可编程智能 4 控制 系统由计时控制 档位选择 火力设定 用户界面 温度测试 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 或LCD显示出系统当前的工作状态 1 1 2 2 主主要要研研究究的的工工作作 本文的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烹调 cooking 烘烤 barbecue 解冻 unfreeze 具有三档火力选择功能 分别表示为大火 中火 小火 试验中用 LED模拟 示意图如图 1 图1 系统设计图 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 蜂鸣器 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当前的 时间日期 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 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 位作倒计时并显示当前加热的温度值 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 2 3s的双音频提示音 然后系统回到待机 状态 具具体体的的问问题题有有 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 如何设计按键设置 6 如何设计音响 蜂鸣器 提示声音 7 如何设计加热温度的采集和显示 5 第第2 2 章章 系系统统总总体体概概述述 2 2 1 1 工工作作原原理理 微波炉工作分四个步骤分别为 系统待机 功能选择 用户设定 微波炉加热 火力档 位选择 开始倒计时加热 加热完成响音提示 主要系统流程如下图 2 系统上电自检后 LCD第一页第一行显示HNUST XINXI 湖南科技大学 信息学院 第 二行显示microwave 微波炉 字样 LCD第二页显示当前的时间和日期 利用时钟芯片 DS1302控制 掉电后数据不丢失 档位选择直接在液晶上显示出来 分别表示烹调 cooking 烘烤 barbecue 解冻 unfreeze 并通过三个不同的发光二极管 LED1 LED2 LED3进行 相应显示 火力档位通过三个发光二极管 LED4 LED5 LED6显示 分别表示大火 中火 小 火 键盘分按键K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 RST十个按键 K1 K2 K3键主 要用来对时间的设定 K1用来对分钟 秒的调节之间进行切换 K2用来进行时间的加法运 算 K3用来进行时间的减法运算 K4键为火力选择键 选择之后会有相应 火力的模拟LED显 示 K5 K6 K7键为档位选择键 选择后会分别在液晶和相应的 LED上显示相应的功能 K8 键为检测显示电路 待机状态检测 LED的好坏 K9为炉门检测键 当打开炉门时会让系统 进入暂停状态 以完善微波炉的工作 RST为复位键 选择之后会进入待机状态 微波炉 启动LCD开始倒计时并显示当前的温度 当倒计时到零分零秒时 微波炉会自动关闭 此时 扬声器会发出提示声音 系统回到待机 状态 系统待 机状态 用户进 行设置 系统开 始工作 任务结 束发声 图2 主要系统流程 图 6 2 2 2 2 电电路路设设计计 系统以STC89C52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3 电路设计部分以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 温度显示电路共同组成微 波炉控制系统电路 2 2 3 3 软软件件设设计计 考虑到本系统所编程的数据量比较大并且要求系统有较高的灵活性故采用C语言进行程 序的编写 利用Keil uVision3作为系统的仿真软件 利用 STC ISP V4 78 NOT SETUP软件 进行单片机程序的写入 软件界面如图 4和图5 单 片 机 内部定时器 键盘电路音响发生电路 电源电路 LCD 显示电路 档位火力显示电路 图3 系统总体框图 门电路设计 温度显示电路 7 图4 Keil uVision3软件界面 图5 STC ISP软件界面 8 第第3 3 章章 各各模模块块方方案案比比较较与与 选选择择 系统设计包含显示电路 键盘电路 计时控制电路 档位选择火力输出电路 音响 发生电路 温度检测等多个部分 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 所以通过思考分析 最终做出最好的选择 使之更加科学和合理 下面对各部分设计方案做分析和选择 3 3 1 1 主主控控制制器器选选择择方方案案 方方案案一一 采用数字逻辑芯片 本系统有功能设置 数据装入 定时 显示 音响控制 多个功能模块 各个状态保持或转移的条件依赖于键盘控制信号 由于键盘控制信号繁多 系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂 用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实 现该系统有一定的困难 需要用中大规模的可编程逻辑电路 这样 系统的成本就会急剧 上升 因此 本设计并未采用这种方案 方方案案二二 采用单片机作为整个控制系统的核心 鉴于市场上常见的51系列8位单片机 的售价比较低廉 我们的设计采用了 STC89C52单片机系统 负责系统的控制与协调工作 利用单片机多中断源的协调处理能力 通过中断接收键盘送来的信号 确认功能设置 实 现数据装入 同时接收 定时器的秒脉冲信号作为基准信号 完成计时任务 综综合合考考虑虑以以上上因因素素 我我们们采采用用了了方方案案二二 3 3 2 2 时时钟钟电电路路选选择择方方案案 计时控制模块是系统设计的核心 用来完成基本功能中的加热倒计时 以及时间显 示功能 方方案案一一 使用专用时钟芯片 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 定时烹调等计时扩 展功能 方方案案二二 采用单片机内部定时器 51单片机 内部含有 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 由由于于方方案案 二二 具具有有较较好好的的灵灵活活性性 较较少少的的电电路路器器件件和和较较高高的的性性价价比比 而而且且通通过过精精确确的的 软软件件补补偿偿使使精精度度完完全全可可以以满满足足控控制制需需要要 所所以以我我们们选选择择该该方方案案二二单单片片机机内内部部的的定定时时器器完完成成 微微波波炉炉的的定定时时设设计计 另另外外 利利用用时时钟钟芯芯片片进进行行硬硬件件扩扩展展 显显示示当当前前的的时时间间日日期期 还还可可以以防防 止止掉掉电电失失去去时时间间信信息息 9 3 3 3 3 键键盘盘部部分分选选择择方方案案 方方案案一一 采用阵列式键盘 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 缺点是电路复杂且会加大编程难度 方方案案二二 采用独立式按键电路 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 由由于于该该系系统统采采用用了了常常规规钟钟表表式式的的校校对对方方式式 用用键键较较少少 而而且且系系统统资资源源足足够够用用 故故采采 用用了了方方案案二二 3 3 4 4 档档位位和和火火力力显显示示电电路路 选选择择方方案案 方方案案一一 通过单片机的一个I O端口经译码器或转换器控制六个输出端口进行档位和 火力显示控制 这种方案可以节省单片机接口资源 方方案案二二 直接利用单片机的六个 I O端口进行档位控制 这种方案电路简单 由由于于在在本本设设计计系系统统中中单单片片机机有有充充足足的的 I I O O端端口口资资源源 为为了了保保证证系系统统的的稳稳定定性性和和电电路路的的 简简单单化化 采采用用方方案案二二进进行行档档位位火火力力输输出出模模拟拟显显示示 3 3 5 5 显显示示电电路路选选择择方方案案 方方案案一一 采用数码管显示 数码管通过设置可以完成制作任务 经济耐用 但其显示 不够直观 提供信息量少 不易理解等缺点 通过分时轮流控制各个数码管的 COM端 就使 各个数码管轮流受控显示 在轮流显示过程中 每位数码管的点亮时间为1 2ms 由于人的 视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应 尽管实际上各位数码管并非同时点亮 但只要扫 描的速度足够快 给人的印象就是一组稳定的显示数据 不会有闪烁感 方方案案二二 采用液晶1602显示 液晶1602具有字母符号等显示功能 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 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 不产生电磁辐射污染等优点 综综合合考考虑虑 考考虑虑直直观观 美美观观等等实实用用问问题题 故故采采用用方方案案二二 另另外外在在硬硬件件方方面面也也扩扩展展数数码码 管管的的显显示示电电路路 以以用用作作备备份份使使用用 3 3 6 6 音音响响发发生生电电路路选选择择方方案案 方方案案一一 微控制器直接控制发生 MCU 直接输出两路不同频率的脉冲信号 叠加成为 双音频信号 经三极管驱动后送扬声器 10 方方案案二二 采用555 振荡器实现双音频输 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 在电阻上叠加后经功率放大电路推动扬声器发声 但硬件较复杂 由由于于M MC CU U输输出出直直接接驱驱动动扬扬声声器器的的电电路路简简单单 故故采采用用方方案案一一 3 3 7 7 温温度度测测量量选选择择方方案案 方方案案一一 利用热敏电阻或者热电偶等传感器进行测量 该方案对于测量精度要求高 测量温度范围宽的场合应用比较广泛 但硬件软件都比较复杂 方方案案二二 利用集成温度传感器 DS18B20进行测量 DS18B20测温范围为 55 100摄氏度 而且测量的温度直接转化为数字量 使用非常方便 但精度不如前者 由于对环境温度测量 只是一种辅助功能 而且对温度的精度要求不高 所以我由于对环境温度测量 只是一种辅助功能 而且对温度的精度要求不高 所以我 们采用了方案二 们采用了方案二 第第4 4 章章 系系统统硬硬件件设设计计 4 4 1 1 门门电电路路设设计计 在微波炉工作过程中如果突然打开微波炉炉门 微波炉将根据当时的工作状态停止 加热并报警 这样可以有效避免非法操作带来的后果 电路图如下图 5 R 单片机 I O 端 开关 图 6 门电路 当微波炉炉门打开时开关断开 当炉门关闭时开关接通 在设计中使用外部中断进行 控制 当开关一直按下时 电路进入暂停状态 等待放入或拿出物品 当松开按键则恢复 到中断前的状态继续进行各种功能 设计人性化 4 4 2 2 时时钟钟电电路路设设计计 VCC C 11 时间显示功能被用来在待机状态显示当前的时间 允许手动调教 为了实现上述功能 在设计中 我们采用 STC8C52 的内部定时器 2 与软件计数器相结合的方式获得 1Hz的时钟 定时器2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 其中K 为定时器初值 CLK 为系统晶振 我们选定 CLK为12MHz K 为6 从式中不难看 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 12000000 12 256 6 4000 则系统获取的时钟频率即为 f 12 12000000 28 6 4000 1Hz 完全可以满足系统的计时要求 4 4 3 3 键键盘盘模模块块电电路路设设计计 由于系统资源足够用 采用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 在按键设计中K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9分别连入单片机I O接口 通过单片机 内部判断这9个I O接口来确定按键是否被按下 K1 K2 K3键分别为时间的加减设定 K4用 来控制火力的档位选择 K5 K6 K7键为档位选择键 选择后会在液晶上显示出相应的档位 K8键为检测显示电路 K9键为中断键 用来进行炉门检测 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 RST 键盘电路设计如图7和如图8所示 图7 控制按键电路 12 图8 复位按键电路 4 4 4 4 档档位位和和火火力力显显示示电电路路设设计计 功能选择档位显示由液晶 1602直接显示并通过相应的 LED二极管表示 分别代表 烹 调 cooking 烘烤 barbecue 解冻 unfreeze 三个档位 通过单片机的三个 I O 端口输出信号分别模拟控制火力大小 三个发光二极管分别表示大火 中火 小火 电路 图如图9 图9 档位和火力显示电路 13 4 4 5 5 L LC CD D 1 16 60 02 2电电路路设设计计 显示模块用液晶1602显示 液晶1602为工业字符型液晶 能够同时显示 16x02即32 个字符 16列2行 可以显示 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 1602字符型 LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD 多出来的2条线是背光电源线 电路图如图 10 图 10 液晶1602引脚说明 4 4 6 6 温温度度测测量量电电路路设设计计 温度测量利用集成温度传感器 DS18B20进行测量 并在 LCD上显示出当时的温度 大约 每秒钟测一次温度 电路图如图 11 图11 18B20温度测量电路 14 4 4 7 7 音音响响发发生生电电路路设设计计 音响 蜂鸣器 发生部分利用微控制器直接控制 MCU 直接输出两路不同频率的脉冲信 号 叠加成为双音频信号 经三极管驱动后送扬声器 电路图如图4 7 1 图12 音响发生电路 4 4 8 8 D DS S1 13 30 02 2时时钟钟设设计计 DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片 在此次微波炉设计中进行时间的 核对的同时还可以用来显示时间 掉电自动走时 电路图如图13 图13 时钟电路 15 4 4 9 9 电电源源电电路路设设计计 为了更好的产一个稳定 5V左右的电压 在此特用了一个改进的电源 通过 220V交流电 经充电器而变成一个稳定 5V电压电源给电路提供电源 第第5 5 章章 系系统统软软件件设设计计 系统程序总体可以分成主程序部分和其它模块程序部分 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 初始化状态 主要由1602来显示相关状 态 用户设置状态 功能档位和火力档位的选择 微波炉加热并显示当前温度状态 由温 度传感器来不断刷新温度的变化 和加热完成响音 蜂鸣器进行相应反应 提示状态 其 他模块程序包括显示程序 1602部分 计时程序 有STC80C52内部的定时器来控制 等 各个部位能够相互协调工作 下面分别对这这些程序进行详细设计 16 发出声 音报警 和提示 开始 初始化 待机模式 系系统统模模式式整整体体流流程程图图 用户设定程序流程图 5 5 1 1 显显示示程程序序设设计计 显示程序 通过LCD液晶1602显示 显示选择的档位 当前温度和时间和初始化部分 5 5 2 2 计计时时程程序序设设计计 计时为 1 2 SJ 有键按下 测试键 烹调键 烘烤键 解调键 LED 交替闪烁 设置时间 解调子程序设置时间 设置时间烘烤子程序 烹调子程序 延时 17 用户设置状态工作状态 档位选择 调整时间 通过单片机内部定时器 2进行时间控制 单片机外接 12M晶振 在主程序中设置定时器 初值来获得1Hz的中断 5 5 3 3 系系统统待待机机状状态态设设计计 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 系统通过判断单片机 P3 2接口的输入电压来判断微波炉炉门是否开启 具体流 程图如图如下图14 5 5 4 4 用用户户设设定定状状态态设设计计 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下 进入加热状态 按K4 K5 K6键用户可以在三个档位上进行切换 按 K1 K2和K3键进行 时间加减设定 如下图 15 系统待机状态 调用显示程序 用户设置状态 开微波炉炉门 P3 2 1 图 14 系统待机状态图 按 K5 K6 K7 键 按 K1 K2 K3 键 按 K1 键 18 判断用户 设定的档 位 进入相应 加热状态 加热完成 进入响音 提示状态 5 5 5 5 微微波波炉炉加加热热状状态态 微波炉功能选择有三种 分别为烹调 cooking 烘烤 barbecue 解冻 unfreeze 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可以对火力 档位进行选择加热分别为大火 中火 小火 三种火力通过不同的LED来进行模拟 具体状 态图如下图16所示 5 5 6 6 加加热热停停止止并并响响铃铃状状态态设设计计 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自动进入待机 状态 具体状态图如下图 17所示 图 15 用户设定状态图 时间倒计时到 00 00 按下 K4 键打开微波炉炉门 图 16 微波炉加热状态图 关闭火力输出发出响铃提示音进入系统待机状态 19 图 17 加热停止并响铃状态图 第第6 6 章章 系系统统测测试试 整个软件系统采用模块化的程序设计方法 共分为初始化 显示程序 准备程序 运行程序 定时器程序 声音发声程序等 软件系统的主要特点是整个过程完全在键盘的 控制之下 实现了完全的友好的人机交互功能 主程序通过判断键盘的输入情况调用不同 的子程序 子程序的功能实现也是在键盘的配合之下完成的 对各模块和各状态的软件分析之后可以利用 Keil uVision3进行各模块和各状态的软件 编程并整合成整体系统 并进行软件仿真对编程过程中产生的错误进行修改 仿真测试无 误之后讲源程序进行编译并通过 STC ISP V4 78将编译好的程序写入单片机中 进行整体 调试 6 6 1 1 测测试试及及制制作作所所用用仪仪器器 VC8045II数字万用表 微 机 温度计 烙铁 Keil uVision3软件 SK1731SL2A直流稳压电源等 6 6 2 2 测测试试结结果果 上电复位后 显示LCD第一页第一行显示HNUST XINXI第二行显示microwave字样 LCD 第二页显示当前的时间和日期 通过按 K5 K6 K7 键 可进行档位的切换 用户可以在 烹调 cooking 烘烤 barbecue 解冻 unfreeze 这三个档位之间任意切换 进入不同的功能选择档之后可以通过 K4键进行火力的选择大火 中火 小火加热 按下第 一次选择大火加热 第二次选择中火加热 第三次选择小火加热 第四次按下关掉火力的 输出 分别用不同二极管模拟 按下 K1 键 进行时间的设置 第一次按下 K1键对秒位进行调节 第二次按下 K1键对 分钟进行调节 第三次按下 K1键进入倒