基于单片机的电磁炉设计.doc

河南理工大学毕业设计(论文)说明书摘要微波炉已在我国民用领域中普及开来。微波炉加热的独特原理就是用微波来煮饭烧菜，由于其独特的加热原理，可以有效地保持原有食品的颜色、气味、口感和营养成分，也能在迅速解冻食品时保持食物的水分不丢失和新鲜度。使用微波炉的过程中也很少产生烟气和热气，可保持厨房的清洁。微波炉之所以有这么优良的性能，其原因就在于微波炉的广泛应用，它的广泛应用又促进了相关新技术的探索和发现，这些发现和新技术转而又被应用于微波炉性能的改造，这些都是息息相关的。现在的微波炉技术已相当成熟。本次设计研究主要是微波炉的控制系统。本次设计的控制核心是89C52单片机，之所以选择单片机控制，是因为它的功能强、体积小、功耗低、工作可靠、价格便宜、使用简单方便等特点，特别适合应用于控制有关的系统。整个微波炉控制系统设计主要包括主电路、电源电路、驱动电路、光电耦合隔离、89C52最小系统、键盘输入、液晶显示、PWM波输出等。本设计有预设模式和人工输入模式两种，对微波炉工作的时间和火力进行调节，通过输出占空比不同的PWM波来模拟微波炉工作在不同火力下的状态，液晶显示屏能准确显示当前工作状态，我们可以根据自己的意愿继续、暂停、退出当前工作方式。经过模拟仿真以及现场调试后，设计的微波炉控制系统安全可靠，工作稳定，顺利实现预期的各项功能。关键词：89C52单片机；微波炉；控制电路；AbstractIn our country, microwave ovens have in civilian areas in popularity, due to its unique heating principle, it can effectively keep the original food color, smell, taste and nutrients, also can rapid thawing foods, keep the moisture of food and fresh. And in the use of the microwave oven almost do not produce fumes and hot air, so that the kitchen to keep clean. Microwave oven which has so good performance is relation with the application of new technology .This paper analyzes the control system of home microwave oven, and compares various control methods, and determines the overall control scheme of the system. Because the monolithic integrated circuit has the characteristics of strong function, small size, low power consumption, cheap, reliable work, convenient use and the like. Therefore, it is especially suitable for control system, the design of the final selection of 89C52 single chip microcomputer as the control core, supplemented by the keyboard input module, LCD display module, photoelectric coupling isolation module and analog microwave modules to form a control circuit of the microwave. This design by default mode or manual input mode microwave oven working time and fire control, and through different output accounted for duty ratio PWM waves to mimic the microwave oven under different thermal working condition, LCD screen as man-machine interface synchronous display the current working state.After the simulation and the on-site debugging, the electric control system of the microwave oven is safe and reliable, and the work is stable, and the function of the microwave oven is smoothly realized.Keywords: MCU; microwave oven; control circuit;目录摘要I1 引言11.1 微波炉简介11.2 本文主要研究工作22 微波炉的工作原理和总体方案设计32.1 微波炉的工作原理32.2 微波炉的基本构造42.2.1 控制电路42.2.2 高压变压器42.2.3 磁控管52.2.3 炉腔72.2.4 炉门72.3 总体方案设计73 硬件电路设计83.1 主电路的设计93.1.1 主电路方案分析93.1.2 主电路方案设计113.2 驱动电路的设计133.3 单片机选型及介绍143.3.1 单片机的选型143.3.2 单片机STC89C52的特点143.3.3 单片机最小系统设计153.4 光耦隔离控制模块的设计183.5 键盘输入和液晶显示电路193.5.1 键盘输入电路方案的选择193.5.2 显示电路方案的选择213.6 蜂鸣器电路243.7 风扇冷却电路254 软件设计264.1 主程序流程图264.2 PWM波控制子程序284.3 火力调节子程序设计284.4 烹饪时间设定子程序设计294.4.1 设置定时模式的方法294.4.2 时间设定程序流程图314.5 键盘扫描子程序设计324.6 液晶显示模块程序设计345 系统仿真调试和实物制作355.1 系统的仿真调试355.1.1 仿真结果及分析355.2 实物制作396 结论与展望426.1 论文总结426.1.1 主要工作及结论426.1.2 存在的问题426.2 感想及收获426.3 展望43致 谢45参考文献46附录I:仿真图47附录II原理图48附录III:源程序49641 引言1.1 微波炉简介图1-1 微波炉实物微波炉（图1-1）已成为生活中不可或缺的烹饪工具，是小家电的重要组成部分，现代的微波炉具有多种烹饪方式，可以很简单、快速、方便地做出各种美味佳肴。相比于其它烹饪工具，例如地锅、煤炉、燃气灶、电磁炉，微波炉拥有热效率高即是电能利用率高进而耗电能就少、可以全自动烹饪即是无需人全程参与烹饪过程、环保即是利用率高耗电少，另一方面就是在烹饪过程中很少产生传统烹饪方式产生的烟雾、灰尘等优点。微波炉的这些优点符合经济、节约、环保原则，也比传统烹饪方式节约时间、降低能耗。微波炉的智能、多功能、环保、操作简便等优点，也颇受欢迎，所以当今微波炉已进入千万个城乡家庭之中，成为人们生活的好帮手，微波炉的发展前景是越来越好的。微波是一种波长很短、高频率的电磁波，它是由交变的电场和磁场组成的，微波具有比通常的无线电波大得多的能量。金属则对微波具有反射的作用；然而对于水和食物等会吸收微波而使自身发热。微波炉（Microwave oven）就是利用微波的这种特性来加热食物的。微波炉是现代家庭常见的烹饪工具。家用微波炉是利用食物在微波场中吸收微波能量而使自身加热的烹饪器具。在微波炉的磁控管中产生微波，微波经过天线、波导传输到炉腔内形成微波场，微波均匀穿过食物使食物内分子运动产生热量，温度升高加热食物。也就是说微波炉加热食物是通过使食物内分子本身振荡产生热量来自身加热的。微波在传播过程中遇到物体时，依物体材料的不同，会被不同程度的反射、透射或吸收。自然界中也存在很多微波，主要是由于它在自然界中比较分散，现在技术还不能将它们收集起来，所以不能被加热食物。1.2 本文主要研究工作本文主要的研究工作是基于89C52单片机设计家用微波炉的控制系统，首先要确立明确的系统整体方案，接着的工作就是通过整体方案设计各部分电路方案，进一步实现预期功能。首要工作是按照任务的目的和要求制作一个微波炉控制器电路，具有自动设置工作档位、时间和直接选择烹饪模式两种功能并存，程序内预设有若干种烹饪方式均可通过一键操作实现，通过1602LCD液晶屏显示。图1-2 微波炉工作顺序流程图工作实现步骤如图1-2所示：设计中具体的任务有：(1)电源的设计；(2)开关、驱动电路和光耦隔离电路的硬件设计；(3)时间（分、秒）设置以及倒计时功能的设计；(4)智能火力控制的设计；(5)显示模块和蜂鸣器提示的设计；(6)按键的设置；(7)微波炉工作、返回与停止的设计；2 微波炉的工作原理和总体方案设计微波炉是当今使用比较普遍的烹调灶具，主要是因为微波炉功能齐全、操作方便、安全环保的特点是现代快节奏生活所需求的。它的工作原理就是用微波对食物进行加热。微波炉外部实物主要由腔体、炉门、控制面板等部分组成。微波炉内部实物主要由门体部件、炉体部件、底盘部件等组成。本章就着重介绍微波炉的工作原理、基本构造和本设计的总体方案。2.1 微波炉的工作原理微波炉就是在磁控管中将电能转化为微波能，家用微波炉的振荡频率一般为2450MHz，微波以这样的振荡频率穿过食物，食物上的极性分子（比如水），这些极性分子的取向会随着微波电场的变化而变化。如图2-1，当,不加电场时，这些极性分子是杂乱无章的、中性；当加上外加电场时，这些极性分子就会随着电场极性变化，分子开始排列有序，当外加电场消失时，分子又开始运动，最终还是杂乱无章的，当外加电场的极性发生变化时，分子又开始运动，根据新的电场重新排列，又回到有序状态。当外加电场的极性间歇不停变化式，极性分子便随着电场变化进行摆动，在不断运动过程中，相邻极性分子之间会互相碰撞，在电场快速变化时分子运动比较快碰撞后会产生大量摩擦热。微波炉就是利用分子之间碰撞的摩擦热，使极性分子自身温度升高，进而食品温度上升，达到加热食品的目的。本设计由按钮键盘自动输入控制其烹饪时间和火力强度来进行各种各样方式的烹饪过程。 图2-1 极性分子变化规律图2-2是家用微波炉的原理框图，220V市电通过高压电路的安全保护装置熔丝管、操作面板连接高压变压器，高压变压器变压后分两路提供磁控管工作电压，（一路升压后再经过整流电路转换成约4000V左右的直流电压，给磁控管阳极供电；一路由高压变压器直接送到磁控管阴极）。产生的微波经天线、波导传输到炉腔，炉腔进口处有类似风扇叶的搅拌器，将进入的微波均匀分散开，一部分微波直接穿过食物，食物总有一些极性分子（如水、脂肪、蛋白质、糖等）受到微波场能的变化而以每秒24亿5千万图2-2 微波炉工作原理框图次的速度高速振荡，在振荡过程中，各相邻极性分子间就会互相碰撞而产生大量摩擦热使食物的温度升高，里外同时快速加热食物。2.2 微波炉的基本构造2.2.1 控制电路控制电路微波炉整机控制的核心，它的主要任务是发送控制信号给磁控管。控制电路从最初的机械式经过不断改进、创新到现在较为普遍的微电脑式，种类繁多，目前的微电脑控制型，其控制芯片内烧写有厂家自己设计的程序，并已设计好多种加热工作模式。2.2.2 高压变压器如图2-3中的高压变压器，是一种将100V230V的低压交流电变成一般在2000V左右的高压交流电的变压器，是一种升压变压器（又称高压稳压器、漏感变压器），有三个绕组（一次绕组、二次绕组、灯丝绕组）及磁分路装置、硅钢片刀等。微波炉高压变压器的作用就是将一次侧的220V交流市电，分两组变压，一组是降压提供3.3V灯丝电压，另一组是将电压升至2000V左右，再经高压整流器电路（高压电容、高压二极管）将此高压整流为4100V左右的直流高压，供磁控管工作。微波炉中的高压变压器主要作用是给磁控管提供工作电压。图2-3 高压变压器2.2.3 磁控管图2-4是俗称微波发生器的磁控管，是微波炉工作的“心脏”，作用是将通过它的直流电转化为微波发射出去。微波炉的磁控管管内的电子运动方向、恒定磁场和恒定电场三者相互垂直，所以磁控管也是正交场器件。电子在恒定电场中运动将电能转化成电子的动能，电子在恒定电场和恒定磁场的作用下与管内高频的电磁场相互作用，储存在电子中的动能转变成微波能量释放，微波能就产生了。图2-4 磁控管磁控管（图2-5）是真空器件。它主要由阴极(灯丝)、阳极、环形磁钢、耦合环、天线(即微波能量输出器)、散热器和灯丝插头等部件构成。磁控管的阳极为圆筒状，用铜材制成的，被多个翼片分割成多个扇形空间，这些扇形空间就是阳极谐振腔，谐振频率就是磁控管的工作频率。阳极的外壳上嵌有一对环形永久磁钢，形成磁场的主要用于控制阳极腔内的微波振荡能量。微波能量通过耦合环传送到天线，再经波导向加热腔体发送微波能，对食物进行微波加热。 图2-5 磁控管图2-6 磁控管内部结构如图2-6所示，在磁控管工作时，阳极相对于阴极加有4100V的高压形成压差，这样在阳极和阴极之间就形成一个径向直流高压电场，磁场由环状磁铁产生。磁控管的阴极加上电压时，阴极就会有电子发出，在电场力作用下向阳极运动，电子运动就会产生电流，所以阳极就会产生高压电流。运动的电子在又会在磁场力作用下绕阴极轴线运动。同时，阳极谐振腔内也有高频电场，作绕动飞行的电子的旋转速度与谐振腔中高频的固有频率同步时便发生共振，振荡能量以微波形式产生。而能量的损耗，则由电子束的强度补偿，以维持高频振荡。家用微波炉磁控管的发射功率一般为400W1000W，需要4000V左右的工作电压，在高电压的作用下电场力就会很大，电子束的强度与电场力是成正比的，同样也很大，阳极电流随之增大，功耗增加。高电压、高电流、高功耗使磁控管外表面温度不断升高，这时火力控制级别就会出现失调，使磁控管不能正常工作，所以必须有相应的自动保护措施。磁控管外表面安装固定有KSD301温控开关（图2-7），它是一种内置双金属片的热敏保护开关。在温度正常时，双金属片保持闭合状态使电路接通。当温度超过预设的阀值时，双金属片就会反方向弯曲断开，切断电路从而起到电路保护作用。图2-7 KSD301温控开关2.2.3 炉腔炉腔是烹调食物和烘烤食物的地方。微波炉炉腔常用的有钢板喷涂和不锈钢两种材料，一般被设计为矩形。腔的左边和顶部一般开有通风孔。微波由天线、波导管传入炉腔，一部分直接射过食物，对食物加热；而一部分经过腔壁反射后穿透食物，对食物进行加热。2.2.4 炉门炉门的作用主要是四点：便于取放食物；便于观察烹调时的情况；是构成炉腔的前臂；是微波炉防止微波泄漏的屏障。在炉门的卡勾上安装门控开关，当打开炉门时主电路断开，从而保证使用的安全。炉门由门面、门体、门封、门钩等组成。2.3 总体方案设计在总体方案设计过程中，通过对比各种软件控制，在性能、成本和可实现性等方面综合考虑，最终选择单片机作为本设计的控制核心，单片机的信号控制完全可以实现这次设计信号的控制，而且单片机简单易学、操作方便、价格低廉，增加了本设计的可实施性。因此本设计采用89C52作为控制核心，主要由89C52单片机最小系统与电源模块、输入显示模块等外设模块构成；微波发生部分以输出PWM波模拟代替。整个控制电路的结构框图如图2-8所示。图2-8 总体设计框图3 硬件电路设计本次微波炉系统设计中，整个微波炉控制电路的设计主要是硬件设计和软件设计两大部分。硬件设计分为强电和弱电两个部分，弱电部分即是控制电路，强电部分即为微波发生电路，整个设计既要考虑软硬件的兼容，又要保证弱电部分和强电部分之间操作的安全及可靠。3.1 主电路的设计3.1.1 主电路方案分析本次设计实现的主要功能是用户人为的按键操作对微波炉磁控管的工作时间和火力大小进行控制，本设计预定有四中不同占空比的PWM波，实现对微波炉火力时间长短的控制，进而实现对火力大小的控制。微波炉火力开关的接通时间主要是通过控制装置调整来实现的。火力开关的接通时间是可调的，一般在530秒范围内，开关的最短接通时间应大于等于5秒，最长接通时间小于或等于30秒。这就是说，微波炉的输出功率是通过调节磁控管发射微波的时间长短来实现控制的。微波炉工作时发出的微波是断续的，而不是连续的，火力开关接通的时间的长短和磁控管的工作时间的长短成正比，微波发射的时间长短和加热火力的大小成正比。例如将火力开关选择按钮设置在解冻档位时，火力开关的接通时间是11s，断开时间就为19s，此时微波炉的输出功率约为额定功率的11/30=0.366约为37%（约为296W）；而当火力选择按钮高火档位被按下时，火力选择开关接通时间是最长的为30s，断开时间就为0s，这时微波炉的输出功率最大，为额定功率的30/30=1为100%（即800W）。总而言之，对火力选择的控制，就是对微波发射的开关控制，其接通与断开时间的计时工作，与定时器的设定位置同步。通过上面的论述，我们自然而然就会想到，微波炉的功率控制就是通过把输入的交流电“斩”成不同的宽度，即是改变电流的通和断时间改变功率。这就是在电力电子技术课程中学到的PWM控制技术，通过对电力电子这块知识稍加复习就能学以致用，通过PWM控制技术实现对微波炉功率控制。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。就是为了获得所需要的波形，通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效。采样控制理论中有一个重要的结论：在具有惯性的环节的电路上输入充量相等而形状不同的脉冲时，输出效果大致相同。冲量即指窄脉冲的面积。效果大致相同，就是惯性环节输出的波形基本相同。把各个输入波形用傅里叶变换分析，可以看出在低频段输出非常接近，仅仅在高频段略有差异。这就是面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础，是学习和应用PWM的重要知识储备。图3-1的电路是一个具体的例子，图中e(t)为电压窄脉冲输入，图a为矩形脉冲，图b为三角形脉冲，图c为正弦波半脉冲，图d为单位冲击脉冲，它们的面积（即冲量）都等于1。这些输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出。f给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。从图中不同的曲线可以看出，在i(t)的上升段，输入的脉冲不同时，i(t)的形状也是稍微有些区别的。在下降段无论输入的波形是什么，输出却几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)波形差异也越小。如果按一定周期地输入上述脉冲，则响应输出i(t)也是周期性的。上述原理即为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。b图3-1 冲量相同的窄脉冲的响应波形通过对上述PWM波控制理论的学习，我们可以通过单片机编程，利用单片机的定时器输出不同占空比的PWM波的输出，控制电路开关器件的通断，进而控制微波电路的输出功率。单片机用于输出控制火力的方波脉冲输出，当方波脉冲输出高电平时，火力开关闭合，则高压变压器工作，变压器次级线圈中产生感应电动势，磁控管工作；当方波脉冲输出低电平时，火力开关断开，变压器中无电流流过，磁控管不工作，由于方波脉冲是在单片机控制下产生的，因此适当的改变方波的占空比就可以改变Q的导通时间，从而改变磁控管的输出功率。3.1.2 主电路方案设计图3-2 主电路原理图基于上一节主电路方案的分析，主电路工作原理图如3-2所示：接通电源后，220V的交流市电先经过一个由MOEFET管组成的火力开关来控制电流的通断，随后经过一个高压变压器将电压分为两路，一路将220V市电降为3.3V左右的交流电给磁控管灯丝供电。另一路将220V电压升至2000V左右的交流高压，最后经过高压限流电容C1，整流二极管D5组成的整流电路后得到约为4100V的直流高压加至磁控管阴极（阳极接地），由于阴阳两极的电压差而形成加速电场，磁控管阴极发射出的电子在强电场力作用下向阳极加速运动。电子加速运动的过程中还要受到阳极腔外壳上永久磁铁所形成的强磁场作用，所以电子是边加速边旋转向阳极方向运动，旋转的速度在加速过程中也在不断加快。电子通过扇形谐振腔时发生振荡，且振荡频率不断升高直至达到2450MHz时形成微波，由波导管口发射出去，再传输到炉腔内对食品进行加热。本次设计中采用的磁控管型号为2M210，额定功率为600W900W，容量为2025L。微波炉的火力开关则是通过单片机输出的PWM波来控制MOEFET的通断，当220V交流电为正半周时，D1和V1通道导通，D3和V3来提供续流通道；而220V交流电为负半周时，D2和V2通道导通，D4和V4提供续流通道。220V交流电的最大值为380V左右，MOSFET管IRF830（图3-3）的承受的最大电压为500V，常温下，电流连续时漏极电流为4.5A，完全满足本次设计的要求，故V1V4均选用IRF830。二极管1N4004（图3-4）所能承受的最大电压为400V，满足本设计的要求，故D1D4均选用1N4004即可。图3-5 倍压电路图图3-3 IRF830实物图图3-4 IN4004实物图本次设计的主电路中采用的是二倍压电路为磁控管供电，电路原理如图3-5所示。电路由高压绕组T、高压电容C也称倍压提升电容、高压二极管D也称倍压提升二极管组成的。倍压电路的原理为：当高压绕组一次侧为正半周期时，二次侧为正半周，由二极管单向导电性可知D导通，电流通过如图3-5方向通过二极管D对电容C充电，使C上的电压接近的峰值且大致上稳定不变。当变压器T高压绕组二次侧中感应电动势为负半周期时，高压二极管D反向截止，无电流通过，高压电容C上的充电电压（等于）与e2串联，方向相同叠加，即是图中3-4中A、B两点间的电压为，电压提升为原来一倍。当变压器T高级绕组二次侧中的感应电动势又为正半周期时，高压电容C又重复上述过程开始充电，从而使A点保持峰值电压的2倍。所以，高压电容C在此电路设计中主要起到倍压提升的作用，高压二极管D利用其单向导电性，其主要起开关的作用。由于1.08uf高压电容CH85可承受2300V左右电压，高压整流二极管T4512可承受12000V高压，所通电流为0.45A，均满足本设计的要求。故本设计高压电容采用CH85，高压二极管采用T4512。3.2 驱动电路的设计在3.1.2的主电路中采用了MOSFET管IRF830作为开关器件，通过查阅资料，了解学习了MOSFET管驱动的相关知识后，本设计最终采用IRF2125作为驱动器，来驱动IRF830工作。IR2125是高压、高速MOSFET及IGBT驱动器，它的内部自带有限制过电流和过流保护电路。IR2125由先进的高压集成电路和门闩COMS技术制成，它的输入电平与标准的CMOS和TTL电平是兼容的。IR2125中具有大电流脉冲缓冲设计的输出驱动特性，并限制栅极驱动电压，并可编程检测到过电流与封锁脉冲之间的时间间隔，由于内部采用的自举技术，因此IR2125可用来驱动一个工作于电路中高端或低端的N沟道MOSFET或IGBT，并可用于工作母线电压低于500V的任意场合。IR2125驱动电路完全满足本设计的要求，因此驱动模块采用IR2125驱动电路，如图3-6。图3-6 IR2125驱动电路IR2125管脚图如图3-7所示：Vcc：输入电源电压。 IN：PWM信号输入端。ERR：误差信号电压，ERR端口和COM端口需接10PF电容。COM：接地端，和Vcc端之间接1uF电容。VB：高端浮动电源电压，与Vcc端接自举二极管。HO：高端浮动输出电压，需要串接100电阻接Mos管G极。CS：电流信号检测电压，接Mos管S极，主要用于检测电流。Vs：高端浮动失调电压，与CS端串接电阻接Mos管S极。串接电阻大小为R=0.23/Imax，Imax为输出最大电流，本设计是0.5A，故电阻可以选用0.5。图3-7 IR2125引脚图3.3 单片机选型及介绍3.3.1 单片机的选型STC89C52是由STC公司生产的一种低功耗，性能高、CMOS 8位的微控制器。STC89C52使用了经典的MCS-51的内核，自身具有8K字节的系统可编程Flash存储器，但STC公司自己做了很多改进，使得芯片具有传统的51单片机不具有的功能，再加上低廉的价格，使该型号的单片机在国内占据了很大的市场。考虑到本设计所需实现的功能大小以及单片机的价格等因素，本设计采用51系列的STC89C52单片机作为此次设计系统的核心芯片。3.3.2 单片机STC89C52的特点本设计采用STC89C52单片机（图3-8为单片机引脚图），下面针对STC89C52做个简单的介绍。STC89C52主要特性如下：(1)增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。相对来说，程序编写较简单，能够轻松掌握。 (2)通用I/O口（32个）：P0.0P0.7为P0口的8位双向口线。P1.0P1.7为P1口的8位双向口线;内部具有上拉电阻。P2.0P2.7为P2口的8位双向口线;内部具有上拉电阻。P3.0P3.7为P3口的8位双向口线;内部具有上拉电阻，还具有第二功能见表3-1（3）共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路。表3-1 P3口的第二功能口线第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0的申请P3.3INT1外部中断1的申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通图3-8-单片机引脚图3.3.3 单片机最小系统设计STC89C52的最小系统是指能够让单片机正常运行所具备的最小系统。如图3-9为本设计中最小系统的设计。单片机最小系统是单片所组成的最小的组成单元，包括：MCU、复位电路、时钟振荡电路以及电源耦合电路；（1）复位电路：简单的理解就是单片机程序的重新启动按键，即程序重新从函数的第一块执行。复位电路通常存在两种形式：上电复位、开关复位。上电复位要求接通电源后，给单片机的RESET引脚高电平，当检测到高电平时单片机复位。开关复位是人机交互的一个按键设置，当发现单片机程序跑飞或者想要在不断电情况下重启单片机，它一般是通过按键来完成复位的。本设计采用上电自动复位和开关复位相结合。上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。当单片机已在运行中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择C=10uf，R=10k。图3-9 单片机最小系统(2)时钟振荡电路：单片机晶振电路的作用是为系统提供基本的时钟信号。选择时钟振荡电路要根据实际情况和单片机的时钟振荡范围来选择。振荡电路提供的是机器周期，是单片机运行的基本条件。（3）电源电路的设计图3-9 最小系统的设计电源电路是将220V/AC转5V/DC的供电模块，分别为单片机、光耦和继电器、冷却风扇供电。通过查阅相关资料，电源电路设计首先确定两种设计方案，一种是开关电源，一种是LM7805三端稳压电源，最终通过各自的特点与自己设计的要求相比较，确定最终方案为方案二LM7805三端稳压电源。电源电路设计方案比较，如下表3-2.表3-2 电源电路方案的选择方案特点方案一：开关电源开关电源是通过开关电路内部的功率器件并由功率变换技术来维持稳定输出的直流稳压电源。它重量轻，效率高，当今电子产品的主流供电方式就是开关电源。它的工作原理相对来说比较复杂，先对电网输入的电流进行滤波处理，再通过PWM技术调整输出电压。因而此方案难以实现，故不采用此方案。方案二：LM7805三端稳压电源单片机控制系统供电采用LM7805三端稳压器件，通过桥式整流，然后进行滤波稳压，可提供精度高、稳定性好的5V直流给单片机。电路和元器件也比较简单，容易实现。如图3-10所示电路为输出电压5V、输出电流1.5A的直流稳压电源。该电路是由220V市电电源、变压器图T2、整流桥D1、滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C4和固定式三端稳压器LM7805构成。图3-10 220V交流转5V直流电路 该整流电路的工作原理：220V的交流市电先是经过变压器转变成12V的交流低压电，12V的交流电源再经过桥式整流电路D1和滤波电容C1的整流和滤波，输出一个不稳定的直流电压。此不稳定的直流电压经过LM7805的稳压块和C3的再次滤波，就会在输出端输出精度高、稳定度好的5V直流电压。该整流电路能够输出稳定的5V电源，在本设计中作为低压控制模块的电源，包括单片的电源，继电器，小型冷却用风扇和显示模块电源等。3.4 光耦隔离控制模块的设计光耦隔离的作用是（1）将高压电源电路与低压控制电路通过光电隔离，防止高压高频对控制电路的信号干扰；（2）通过光电隔离将高压电路由低压电路控制，防止人为直接接触高压能够降低触电的风险。图3-11 光耦隔离电路连接图 由于整个电路设计包括工作在5V电压下的控制电路和工作在4100V电压下的产生微波的电路两个电路，两者工作电压悬殊且微波发生部分工作电流接近10A。为保证控制电路和操作者的安全，因此需要有光耦合隔离控制模块作为高低压部分的隔离。如图3-11为本次设计的光耦隔离的电路图。光耦隔离电路的原理就是向光耦合器输入一定的电信号，驱动集成的发光二极管发出能被光探测器接收识别的，一定波长的光，并将此光转化为光电流，最后经过放大后输出。经过一个电能-光能-电能的能量转换，通过光实现高压和低压的实际电路连接。光耦合器之所以具有良好的绝缘能力和抗干扰能力，一是因为它的输入输出互相隔离；再者就是因为电信号的传输具有单向性；另外光耦合器的输入端属于电流型工作的、低阻元件具有很强的共模抑制能力。如图3-12所示，在本次设计中使用的是PC817是日本夏普生产的一款光电耦合器。PC817是一款单通道光耦合晶体管芯片，其DIP封装型有4个针脚，隔离电压5000V，输出电压小于55V，要求输入电流小于50mA，因此完全可满足本次设计的要求。PC817光耦隔离芯片内部电路图及外形如图所示，管脚1为发光二极管阳极，管脚2为二极管阴极，管脚4分别为光敏三极管发射极，管脚3为集电极，当电流流过二极管时，二极管被点亮，光敏三极管收到光辐射后，具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电图3-12 光耦实物图与引脚图流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。PC817的极限参数：正向电流（ICEO）：50mA 峰值正向电流（ICE max）：1A反向电压：6V 功耗：70mW集电极发射极电压：35V 发射极集电极电压：6V集电极电流：50mA 集电极功耗：150mW总功耗：200mW 集电极发射极饱和电压：0.1V（典型值）截止频率：80kHz 电流传输比：50%600% 3.5 键盘输入和液晶显示电路3.5.1 键盘输入电路方案的选择键盘电路的方案的选择，如下表3-3。表3-3键盘输入电路方案的选择方案特点检测原理方案一：独立式按键如图3-13独立式按键在按键较少时占用较少的IO口，当按键较多时，独立按键使用的IO口较多。优点是独立按键设置灵活，可以使IO分散配置，方便操作。便于灵活配置硬件电路。独立按键的检测比较简单，独立式分别检测，分别配置按键功能。在不被按下的情况下按键对应的IO为高电平，按下时吧对应IO电平拉低，从而检测。方案二：矩阵式按键如图3-14在按键数目较多时通过矩阵批量定义，会占用较少的IO口，但是编程的复杂程度要增高。矩阵键盘的检测，简单的说就是分行分列和分高/低电平来检测：（1）给四行中三行为高电平，剩下一行为低电平，检测列对应的IO口的电瓶，当检测到某一列对应的IO为低时，有键按下，所按下的键位低电平所对应的行和检测到高电平所对应的列，十字相交的按键。图3-13 独立式按键图3-14 矩阵按键本设计中，所需按键数量较多，包括微波炉的输入端，火力选择、模式选择和时间设定等操作要求，故选用矩阵键盘。如图3-14所示,本次设计中采用89C52单片机的并行口P1接44矩阵键盘，以P1.0P1.3作行输入线，以P1.4P1.7作列输入线。本次设计中共设定了四个自定义档位，分为A档（大火）、B档（中火）、C档（底火）、D档（小火），分别对应S5S8，另外设定了四个智能选择菜谱按键S9S12，S13和S14分别设置为暂停键和启动键，设置时间按键为S2S3，当S2按一下时，S3为分钟加，S4为分钟减；当S2按第二下时，S3为秒钟加，S4为秒钟减；S1为开始键。键盘操作说明表3-1所示：表3-4按键功能键号名称功能S1控制键按下进入控制页面S2自定义键自定义设置时间S3加键按下分或秒加1S4减键按下分或秒减1S5档位键A档S6档位键B档S7档位键C档S8档位键D档S9烹饪设置为A档，时间为8分钟S10蒸鱼设置为C档，时间为20分钟S11烧烤设置为D档，时间为15分钟S12牛奶或咖啡设置为B档，时间为2分钟S13暂停键按下暂停工作S14启动键按下启动工作S15重置键按下重新设置工作模式3.5.2 显示电路方案的选择方案一：采用LED数码管图3-15数码管LED数码管各种各样，但显示方式主要分为静态式和动态式两类。静态显示也称之为直流驱动，这时单片机的每个I/O口都直接驱动一个数码管的一个段选。这种显示方式编程简单，数码管显示亮度高，但太占用单片机资源。动态显示应用最为广泛。动态显示利用了人的视觉暂留的现象。快速的扫描数码管公共驱动端来达到显示的目的。这样能节省大量的I/O口，而且功耗特别低。但无论采用何种显示方式，当显示数字特别多的时候使用的数码管数量也必然会大幅度增加，这就容易造成连线复杂，编程也会随之变得复杂。图3-15为数码管。方案二：采用点阵式数码管显示点阵式数码管是由八行八列特定的发光二极管组成的，这种显示方式很是常见，比如广告牌，大型电子屏等，但用在该计步器中体积太大非常不合适，不符合便于携带的设计方案。图3-16为点阵式数码管显示。图 3-16点阵式数码管方案三：采用LCD液晶显示屏图3-17液晶显示屏液晶显示屏的显示功能十分强大，可以显示文字、数字、甚至图形。而且显示清晰，与传统的数码管相比，在亮度和清晰度都有了很大的提高，并且如今液晶显示已经成为主流显示方式，被人们普遍欢迎接受。而且液晶连接方式简单，容易控制，很适合本设计。图3-17为液晶显示屏。本次设计的微波炉控制器系统要显示各种工作模式、微波炉火力档的设定、预约时间和工作时间等图文复杂的信息，故选择液晶显示器作为显示模块较为方便。本系统采用的是LCD1602的液晶显示器。下面对LCD1602做简单的介绍说明：图3-18 LCD1602液晶显示 LCD1602液晶（图3-18）以5V电压驱动，带背光，每行16个字符，不能显示汉字，内置128个字符的ASCII字符集字库。LCD1602接口信号说明如表3-5所示表3-5 LCD1602液晶接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据口2VDD电源正极10D3数据口3VO液晶显示对比度调节11D4数据口4R/S数据/命令选择(H/L)12D5数据口5R/W读/写选择（H/L）13D6数据口6E使能信号14D7数据口7D0数据口15BLA背光电源正极8D1数据口16BLK背光电源负极（1） 基本操作时序读状态 输入：R/S=L，R/W=H，E=H 输出：D0D7=状态字读数据 输入：R/S=H，R/W=H，E=H 输出：无写指令 输入：R/S=L，R/W=L，D0D7指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写数据 输入：R/S=H，R/W=L，D0D7=数据， E=高脉冲 输出：无（2） 显示地址LCD1602字符液晶显示课分为上下两部分各16位显示，处于不同行时的字符显示如表3-6所示。表3-6LCD1602液晶显示器的地址显示123456789101112.第一行00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH.第二行40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH4BH.本次设计中LCD1602的D0D7端口分别于单片机的P2.0P2.7端口相连，RS、RW以及E端口分别由单片机的P0.5P0.7端口控制。3.6 蜂鸣器电路除此之外，还设计了蜂鸣器驱动电路（图3-19），当微波电路启动或停止时会有声音提示，来提示微波炉当前的工作状态，从而使得整个系统显得更加人性化。此电路由单片机的P3.7端口控制，通过P3.7口控制三极管的通断来导通蜂鸣器回路。图3-20 风扇冷却电路原理图图3-19 蜂鸣器电路3.7 风扇冷却电路图3-20 风扇冷却原理图微波炉磁控管的风扇冷却系统是保证微波炉正常工作的重要措施之一，其风扇结构、安装位置都有严格的要求。在微波炉正常工作时，由于磁控管的阳极功耗极大，要产生大量的热量，进而影响微波发射。为使磁控管能够安全工作，常采用设置风扇的方法进行强制冷却。在本次设计中，风扇冷却原理图如图3-20，是通过单片机P3.6端口控制继电器吸合从而导通风扇的5V电源回路，控制风扇的工作状态。4 软件设计本微波炉控制系统设计是基于STC89C52微控制器来实现，所以程序设计必然是系统的灵魂所在，决定了这个系统的功能和性能。本章我们将对微波炉控制系统的软件设计部分进行详细介绍。4.1 主程序流程图主程序负责与各个子程序模块的通信，这其中主要包括扫描矩阵键盘的操作、液晶显示屏的界面显示以及散热风扇和蜂鸣器的启停工作。用户通过矩阵键盘来选择烹饪方式和时间或者直接选择预设的烹饪模式。液晶显示模块主要显示微波炉待机状态、工作方式、烹饪时间。散热风扇只有在微波炉功能工作时才工作，在待机、设置、重置、暂停时都会停止工作。蜂鸣器单片机在上电、设置、暂停、烹饪结束时会有声音提示，在微波炉正常工作期间不会有声音提示。微波炉上电后，蜂鸣器会有声音提示，各个模块进行初始化，液晶屏1602处于显示待机状态。此时单片机内部在不停调用键盘扫描子程序，首先确认设置键是否按下，这时也会有蜂鸣器声音提示，然后根据用户按键信息读取用户程序，同时调用液晶显示子程序显示用户按键信息（包括工作模式、工作方式、工作时间）。这时的单片机就会等待启动键的按下，如果启动键按下，同时单片机会不断检测重置键是否按下，如果按下则会回到等待用户重新选择工作方式和时间或模式，如果重置键没有按下，则按照用户的选择执行相应的程序。这时，单片机还在不停调用键盘子程序检测暂停键的状态，没有按下，继续执行程序，按下则等待重新启动键的按下。如果启动键没有按下就会继续等待。直到烹饪结束，蜂鸣器声音提示，散热风扇停止工作，微波炉完成此次烹饪工作，等待用户再次使用。流程图如图4-1所示：图4-1 主程序流程图4.2 PWM波控制子程序在本次设计的微波炉控制系统中，定时T0初值设置为50ms，而PWM波的周期设置为2000ms，因此需要循环四次即可。此微波中预设有A、B、C、D四个档位，对应PWM波的占空比分别为40%、60%、80%、100%。void timer0() interrupt 1 TH0=(65536-45872)/256; TL0=(65536-45872)%256; tt+; if(tt=4) tt=0; count+; if(count=9) count=0; if(mode=1) if (count3) PWM=0; if(mode=2) if (count5) PWM=0; if(mode=3) if (count7) PWM= 0; if(mode=4) if (count9) PWM= 0; 4.3 火力调节子程序设计在本次设计中的自定义模式中，火力调节调节分为四档：大火力档（D档）、中火力档（C档）、底火力档（B档）、小火力档（A档），通过按下四个不同的按键选择不同的火力模式。参考实际的微波炉控制方法，并基于本次设计的实际情况则以较短周期的PWM波进行模拟。由于在本次设计中对微波发生部分只进行模拟而不制作实物，因此不能照搬实际微波炉的工作控制方法，而是代以周期较短的具有不同占空比的PWM波表示不同的烹饪模式，输出结果可经示波器测得。综上，本次设计设定了四种火力烹饪模式，分别为A、B、C、D四档，每档输出的PWM周期均为2000ms，四档火力具体参数见表4-1所示：表4-1 四档火力参数设置火力档输出PWM波占空比时间设置A40%用户设置所需时间B60%C80%D100%图4-2 火力调节程序流程图火力调节模块程序如图4-2所示：4.4 烹饪时间设定子程序设计4.4.1 设置定时模式的方法要使单片机输出不同占空比的方波就需要精确控制单片机引脚输出确定时间的高低电平，这就牵涉到单片机定时器设定的问题。STC89C52单片机内部有3个定时T0、T1、T2，这三个定时器的工作方式、定时时间、量程和启动方式等均可以通过编程设置和改变。它由特殊功能寄存器TCON、TMOD以及T0、T1、T2组成。TMOD寄存器为模式控制寄存器，用于设定定时器/计数器的工作模式，TCON为控制寄存器，主要用来控制定时器的启动与停止。由于T2定时器在本次设计中并未用到因此仅就T0、T1两定时器的工作方式和控制方法进行说明。（1）定时模式当TMOD的第七位D6或第三位D2(C/位)为“0”时，T0或T1工作于定时方式。定时模式的实质就是对机器周期进行计数，每经过一个机器周期计数器就会自动加一。单片机内部时钟负责提供计数脉冲的输入。每个机器周期都等于12个振荡周期，故计数器的计数频率为振荡频率的1/12。例如，当晶振的频率为=12MHz时，计数器的技术频率MHz,计数器计数脉冲的周期等于机器周期，即得公式4-1： （4-1）式中 单片机振荡周期的频率 计数脉冲的频率计数模式相反，当TMOD的点第七位D6或第三位D2（位）设置为“1”时，T1或T0工作在对外部事件进行计数的模式下。而计数脉冲来自相应的外部输入引脚T1或T0，计数器在外部信号负跳变时自动加1。模式控制寄存器TMODTMOD是一个控制T1和T0的工作模以及工作方式专用寄存器，其各位的定义如表4-2所示： 表4-2 TMOD各位的定义D7D6D5D4D3D2D1D0GATEM1M0GATEM1M0 定时器1 定时器0GATE（门控位）用来控制定时器/计数器的启动操作方式。a：当GATE=0时，只能利用控制位TR0或TR1来控制定时器/计数器的启停。TRi位置“1”时，定时器/计数器开始工作；TRi位置“0”时，定时器/计数器停止工作。b：当GATA=1时，定时器/计数器的启动要由外部中断引脚和TRi共同控制。只有当外部中断引脚或为高时，TR0或TR1置“1”才能启动对应的定时器工作。（功能选择位）a：当=0时定时器/计数器被设置为定时模式； b：当=1时，定时器/计数器被设置为计时模式； M1、M0（工作方式控制位）可形成4种编码，对应4种工作方式。4种工作方式定义见表4-3。表4-3 T0、T1的工作方式M1M0工作方式功能简述00方式013位计数器，TLi只用低5位01方式116位计数器10方式28位自动重装计数器，仅TLi作为计数器，而THi的值在计数中不变，TLi溢出时，THi中的值自动装入TLi中11方式3T0分成2个独立的8位计数器计数初值的计算不同的工作方式、不同的工作模式其计数初值的计算方法也不