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單片機(jī)的微波爐控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一)
摘 要
本可編程微波爐控制器系統(tǒng)，以AT89C52單片機(jī)為核心，由鍵盤顯示、語音發(fā)聲、電話控制器、串口服務(wù)器等功能模塊組成�；陬}目基本要求，本系統(tǒng)對功能設(shè)置、數(shù)據(jù)裝入和定時(shí)設(shè)定功能進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。此外，擴(kuò)展了液晶顯示、微波火力檔位設(shè)定、自動(dòng)烹飪、智能感應(yīng)烹飪、語音提示、日歷時(shí)鐘、E2PROM、電話和Internet遠(yuǎn)程控制等功能。
關(guān)鍵字：單片機(jī) 自動(dòng)控制 遠(yuǎn)程控制 無線傳輸
方案比較
1、主控制器
方案一 采用數(shù)字邏輯芯片。本系統(tǒng)有功能設(shè)置、數(shù)據(jù)裝入、定時(shí)、顯示、音響控制多個(gè)功能模塊。各個(gè)狀態(tài)保持或轉(zhuǎn)移的條件依賴于鍵盤控制信號(hào)。由于鍵盤控制信號(hào)繁多，系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)以及相互轉(zhuǎn)移更是復(fù)雜，用純粹的數(shù)字電路或小規(guī)模的可編程邏輯電路實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)有一定的困難，需要用中大規(guī)模的可編程邏輯電路。這樣，系統(tǒng)的成本就會(huì)急劇上升〔相對于方案二〕。因此，本設(shè)計(jì)并未采用這種方案。
方案二 采用單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。鑒于市場上常見的51系列8位單片機(jī)的售價(jià)比較低廉，我們的設(shè)計(jì)采用了主從雙AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)。其中一片作為主控制器，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào)工作。具體方案如下：首先，利用單片機(jī)多中斷源的協(xié)調(diào)處理能力，通過中斷接收鍵盤送來的信號(hào)，確認(rèn)功能設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)裝入，同時(shí)接收時(shí)鐘芯片PCF8563的秒脈沖信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)，完成計(jì)時(shí)任務(wù)。其次，從CPU根據(jù)主CPU發(fā)出的信號(hào)控制語音播報(bào)、遠(yuǎn)程操作等功能。這樣的設(shè)計(jì)使安裝和調(diào)試工作可以并行進(jìn)行，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢，極大地縮短了總體設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間；同時(shí)可以降低單個(gè)CPU的工作量，為發(fā)揮部分的制作以及其他功能擴(kuò)展提供了充足的內(nèi)部空間和更多的外部接口。
綜合考慮以上因素，我們采用了方案二。
2、鍵盤顯示模塊
方案一 采用Intel8279可編程鍵盤/顯示接口芯片。Intel8279是一個(gè)專用的顯示器鍵盤接口，它用硬件完成對顯示器和鍵盤的掃描，大大方便了用戶，使程序變得簡潔、易讀和模塊化。但其缺點(diǎn)是8279為并行接口芯片，占用CPU端口多，需要CPU有比較強(qiáng)的負(fù)載攜帶能力。
方案二 采用了HD7279A數(shù)碼管/鍵盤串行接口芯片。HD7279A可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管，同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成顯示鍵盤接口的全部功能。其優(yōu)點(diǎn)是采用串口通訊，占用CPU端口少，對CPU負(fù)載攜帶能力要求低，使主控制器又余力實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的控制功能。
考慮到該控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，CPU需要驅(qū)動(dòng)較多的電子器件，故我們采用了方案二。
設(shè)計(jì)論證
總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。
各模塊具體實(shí)現(xiàn)原理分析
單片機(jī)系統(tǒng)：整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機(jī)工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。我們采用了ATMEL公司的AT89C52單片機(jī)。它是一款低功耗、高性能的CMOS型 8位單片機(jī)，其內(nèi)含256個(gè)字節(jié)的RAM，8KB FLASH ROM，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。
鍵盤輸入模塊：如圖2-2所示。用HD7279A控制4×4鍵盤，7279得到鍵盤碼，通過中斷服務(wù)程序把鍵盤信息送給單片機(jī)。此方案不用單片機(jī)實(shí)時(shí)掃描鍵盤，使單片機(jī)可以騰出更多時(shí)間執(zhí)行其他操作。
顯示模塊：如圖2-2所示。我們的顯示單元采用LED、LCD雙屏幕顯示。LED顯示模塊由HD7279A驅(qū)動(dòng)，LCD顯示器采用金鵬電子有限公司生產(chǎn)的OCMJ4*8C系列液晶顯示器。該中文模塊可以顯示字母、數(shù)字符號(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能。即可采用并行接口、又可采用串行接口，連線較為方便。采用LED顯示，可以避免光線較弱時(shí)使用不便。LCD顯示信息量大，配合我們開發(fā)的全程菜單操作環(huán)境及全中文的提示參數(shù)顯示，可以顯示較為豐富的菜單與工作數(shù)據(jù)。LED與LCD的同時(shí)使用即可以滿足顯示數(shù)據(jù)的基本功能，又可以達(dá)到輸出顯示方面的擴(kuò)展要求，實(shí)現(xiàn)了非常友好的人機(jī)界面。
掉電存儲(chǔ)：系統(tǒng)預(yù)制的菜譜以及通過網(wǎng)絡(luò)下載的菜譜，要求掉電不丟失，為此我們采用ATMEL公司的24C04 E2PROM。24C04是一個(gè)4Kb的支持I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議的串行CMOS E2PROM 可用電擦除，可編程自定時(shí)寫周期（包括自動(dòng)擦除時(shí)間不超過10ms 典型時(shí)間為5ms）的串行E2PROM。
定時(shí)模塊：為提高定時(shí)精度，我們采用日歷時(shí)鐘芯片PCF8563作為秒脈沖發(fā)生器，如圖2-3所示。
PCF8563是低功耗的CMOS 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C 總線接口串行傳遞。設(shè)定好PCF8563的CLKOUT輸出頻率控制字，即可輸出所需頻率的脈沖信號(hào)，在本設(shè)計(jì)中所用頻率為1Hz。單片機(jī)在該秒脈沖的作用下可實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)以及聲音提示音延遲控制。另外在給PCF8563送入初始的日歷信息后，PCF8563中的日歷就會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，經(jīng)單片機(jī)讀取、處理后在液晶顯示器上顯示。而且該部分電路還加了掉電保護(hù)功能，在主供電系統(tǒng)意外斷電時(shí)，即Vcc為0V時(shí)，D1截止，3.6V備用電源通過D2繼續(xù)給PCF8563供電,保證8563的正常運(yùn)行。
自動(dòng)稱重電路模塊：采用8位兼容AD轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是一個(gè)單片CMOS器件，帶有8通道多路模擬開關(guān)和微處理兼容控制邏輯。在設(shè)計(jì)中我們用電位器虛擬食品重量，將模擬量電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字量，查詢內(nèi)置表格實(shí)現(xiàn)火力和時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)。如圖2-4所示。
服務(wù)器模塊：采用ATOP TIGERLINK串口服務(wù)器GW21S-256將TCP/IP協(xié)議串口通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信息設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，由遠(yuǎn)程Web頁面向本地微波爐發(fā)送指令、下載菜譜等，實(shí)現(xiàn)微波爐的信息控制。
電話控制器：利用現(xiàn)有的發(fā)達(dá)的公用電話網(wǎng)絡(luò)(Public Switched Telephone Network，PSTN)進(jìn)行基于DTMF(Dual Tone Multiple Frequency雙音多頻)的電話遠(yuǎn)程控制，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息處理，控制微波爐實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。用戶可通過任意一部雙音頻電話（包括手機(jī)、電話分機(jī)）對本地微波爐進(jìn)行操作。
語音處理電路：在本設(shè)計(jì)中，提示音及語音播報(bào)功能都需要語音電路實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用了ISD25120芯片實(shí)現(xiàn)語音處理功能，25120屬于美國信息存貯器件(ISD—Information Storage Devices)公司生產(chǎn)的單片語音集成電路2500系列，其特點(diǎn)為片內(nèi)的容量為480KB，10個(gè)地址輸入端，錄放最多可分600段，錄放時(shí)間120秒，采樣頻率4KHz。如圖2-5所示。該電路可以在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)按地址錄、放音，并能檢測到放音是否結(jié)束。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，將地址低五位直接接地。這樣，每一個(gè)地址所能儲(chǔ)存的音可達(dá)6.4s，不再是先前的0.2秒�？刂贫硕寂c單片機(jī)I/O口直接相連，可以方便的進(jìn)行控制。語音信號(hào)從SP+輸出，分兩路，一路通過三極管Q16放大后接入電話線回路，其中信號(hào)帶有直流偏置電壓1.5V，接入的三極管Q16由R58設(shè)置合適靜態(tài)工作點(diǎn)；另一路通過音頻放大器放大輸出（見圖2-6）。
音頻放大電路：為了將音頻小信號(hào)放大輸出，需要用到音頻放大電路。設(shè)計(jì)中采用了LM386，電路如圖2-6所示。信號(hào)通過隔直電容C55與限流電阻R56從運(yùn)放反相輸入端輸入，放大后經(jīng)濾波電容C64從揚(yáng)聲器輸出。通過調(diào)節(jié)R76可改變音量的大小。
無線遙控系統(tǒng)：采用無線收發(fā)模塊SC2262以及SC2272-L4進(jìn)行編解碼，以此實(shí)現(xiàn)微波爐控制器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程電話智能化、信息化控制功能。選擇添加無線遙控系統(tǒng)主要是為了增加系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性，并且這種分離構(gòu)建的無線射頻遙控系統(tǒng)可以靈活的擴(kuò)展為多個(gè)家電的無線控制（只需為每個(gè)不同的家電分配一個(gè)地址），方便而實(shí)用，使系統(tǒng)以后的擴(kuò)展性大大加強(qiáng)。
系統(tǒng)軟件流程圖及操作說明
系統(tǒng)軟件流程圖
省電模式如圖3-1所示，工作模式如圖3-2所示。
系統(tǒng)操作說明
鍵盤功能：如表1所示。
1～3為火力檔位選擇鍵，4為自定義模式鍵，5～8為預(yù)制菜譜選擇鍵，其他為功能鍵。
火力檔位選擇鍵，進(jìn)入時(shí)間設(shè)置菜單，用增加A、減少E鍵選擇需要的時(shí)間，按確定鍵B進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。
自定義模式鍵，進(jìn)入火力設(shè)定菜單，用增加、減少鍵選擇相應(yīng)的火力，在按確定鍵進(jìn)入時(shí)間設(shè)定菜單，再按對應(yīng)功能鍵選擇需要的時(shí)間，再按確定鍵進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。
預(yù)制菜譜選擇鍵調(diào)用內(nèi)置菜單，系統(tǒng)將智能感應(yīng)食品重量，自動(dòng)選擇相應(yīng)的火力和時(shí)間，只需按確定鍵即可確認(rèn)運(yùn)行。
預(yù)約模式鍵，進(jìn)入設(shè)定時(shí)間，按對應(yīng)功能鍵選擇需要的時(shí)間，再按確定鍵返回開機(jī)顯示菜單，液晶屏將顯示一個(gè)標(biāo)志，提示系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)約啟動(dòng)狀態(tài)。
測試鍵，4位數(shù)碼管交替顯示全亮和全滅兩種狀態(tài)3秒鐘。測試期間按開機(jī)鍵，停止測試，數(shù)碼管全亮，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式；按下測試鍵，數(shù)碼管熄滅，系統(tǒng)回到省電模式。測試鍵只在待機(jī)模式下有效。
開機(jī)/復(fù)位鍵，開機(jī)系統(tǒng)從待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，液晶屏顯示主菜單。工作狀態(tài)下按開機(jī)/復(fù)位鍵，系統(tǒng)從工作狀態(tài)回到待機(jī)狀態(tài)。LED時(shí)間顯示為00.00，LCD顯示微波功率控制信號(hào)為0。
語音開關(guān)鍵，選擇是否在進(jìn)入相應(yīng)功能時(shí)伴隨有語音提示。
取消鍵，在工作狀態(tài)下返回初始開機(jī)狀態(tài)，液晶屏顯示主菜單。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（見附圖一）
功能測試
測試儀器
WAVE6000仿真器
SK1731SL2A直流電源
PC機(jī)
測試方法
根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，電路按模塊測試，各模塊逐個(gè)測試通過后再聯(lián)調(diào)。
主控單元
功能設(shè)定、數(shù)據(jù)裝入模塊：鍵盤與仿真器聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，在鍵盤中斷子程序中設(shè)定斷點(diǎn)。運(yùn)行程序，按鍵測試，程序正常運(yùn)行到斷點(diǎn)處產(chǎn)生中斷。讀入鍵值正確。將程序改為讀鍵值然后送到LCD上顯示，繼續(xù)測試鍵盤。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)所按鍵的鍵值都能正確的顯示到液晶屏上。繼而進(jìn)行脫機(jī)測試，測試結(jié)果正常。鍵盤測試完成。
顯示模塊：LED數(shù)碼管交替全亮全滅測試，待機(jī)狀態(tài)顯示（00.00），定時(shí)及倒計(jì)時(shí)顯示（99分99秒）； LCD連接到仿真器上，聯(lián)機(jī)運(yùn)行，程序輸出測試字符，運(yùn)行結(jié)果輸出顯示正常（屏幕中文菜單、微波控制信號(hào)為0、微波爐工作指示）。將輸出程序固化到單片機(jī)中，脫機(jī)運(yùn)行測試，測試結(jié)果輸出顯示正常。
定時(shí)模塊：PCF8563日歷時(shí)鐘能夠產(chǎn)生1HZ信號(hào)及提供日歷時(shí)鐘，保證系統(tǒng)能順利完成定時(shí)及倒計(jì)時(shí)工作。先將仿真器INT1口接到信號(hào)發(fā)生器上，將信號(hào)發(fā)生器調(diào)整為方波輸出，頻率為1Hz，在用鍵盤在00.00-99.99之間任意設(shè)定時(shí)間，觀察程序倒計(jì)時(shí)工作，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)程序停止運(yùn)行。測試結(jié)果程序工作正常。然后將仿真器的INT1口接到PCF8563脈沖輸出端，設(shè)定PCF8563秒中斷，并設(shè)定時(shí)間測試倒計(jì)時(shí)程序，測試結(jié)果程序工作正常。最后進(jìn)行脫機(jī)測試，將程序固化到單片機(jī)之中，脫機(jī)運(yùn)行，測試結(jié)果設(shè)定時(shí)間以及倒計(jì)時(shí)工作正常。
音像控制模塊：先測試音頻輸出，程序運(yùn)行開啟音頻輸出，音頻輸出正常，調(diào)節(jié)可調(diào)電位器，使音量達(dá)到合適的程度。將倒計(jì)程序結(jié)束后添加開啟音頻裝置的控制程序，并延時(shí)3秒，進(jìn)行倒計(jì)時(shí)測試，程序倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)隨即輸出3秒鐘的音頻提示。此外在執(zhí)行每項(xiàng)功能時(shí)伴隨語音提示。測試完成。
擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊：E2PROM可以順利讀出、寫入預(yù)制及下載的菜單。
電話控制器：實(shí)現(xiàn)電話撥入，選擇功能，遠(yuǎn)程啟動(dòng)。
服務(wù)器模塊：在同一局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控及信息傳輸。
各模塊測試完畢，再分別將主控單元與電話控制器聯(lián)調(diào)，主控單元與服務(wù)器模塊聯(lián)調(diào)。測試通過后，將所有模塊整合，進(jìn)行整體測試。測試結(jié)果系統(tǒng)能正常工作，并完成題目要求。
測試數(shù)據(jù)
測試數(shù)據(jù)如表2
總結(jié)
本系統(tǒng)以AT89C52芯片為核心部件，根據(jù)綜合電子技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)以及單片機(jī)原理的知識(shí)，通過軟件實(shí)現(xiàn)了微波爐的可編程控制系統(tǒng)，且各項(xiàng)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，我們力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，并最大限度挖掘單片機(jī)片內(nèi)資源，來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。融合電話、網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微波爐的智能控制、信息控制（見附圖二）。因比賽時(shí)間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進(jìn)的地方：例如硬件系統(tǒng)的集成度還可以進(jìn)一步提高，控制系統(tǒng)的容錯(cuò)功能有待于進(jìn)一步加強(qiáng)，以增強(qiáng)用戶使用的安全性，軟件中某些邏輯判斷方面的算法還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。
附圖一
附圖二
【單片機(jī)的微波爐控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一)】相關(guān)文章：
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