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單片機的微波爐控制器系統設計(一)
摘 要
本可編程微波爐控制器系統，以AT89C52單片機為核心，由鍵盤(pán)顯示、語(yǔ)音發(fā)聲、電話(huà)控制器、串口服務(wù)器等功能模塊組成�；陬}目基本要求，本系統對功能設置、數據裝入和定時(shí)設定功能進(jìn)行了重點(diǎn)設計。此外，擴展了液晶顯示、微波火力檔位設定、自動(dòng)烹飪、智能感應烹飪、語(yǔ)音提示、日歷時(shí)鐘、E2PROM、電話(huà)和Internet遠程控制等功能。
關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C 自動(dòng)控制 遠程控制 無(wú)線(xiàn)傳輸
方案比較
1、主控制器
方案一 采用數字邏輯芯片。本系統有功能設置、數據裝入、定時(shí)、顯示、音響控制多個(gè)功能模塊。各個(gè)狀態(tài)保持或轉移的條件依賴(lài)于鍵盤(pán)控制信號。由于鍵盤(pán)控制信號繁多，系統的邏輯狀態(tài)以及相互轉移更是復雜，用純粹的數字電路或小規模的可編程邏輯電路實(shí)現該系統有一定的困難，需要用中大規模的可編程邏輯電路。這樣，系統的成本就會(huì )急劇上升〔相對于方案二〕。因此，本設計并未采用這種方案。
方案二 采用單片機作為整個(gè)控制系統的核心。鑒于市場(chǎng)上常見(jiàn)的51系列8位單片機的售價(jià)比較低廉，我們的設計采用了主從雙AT89C52單片機系統。其中一片作為主控制器，主要負責系統的控制與協(xié)調工作。具體方案如下：首先，利用單片機多中斷源的協(xié)調處理能力，通過(guò)中斷接收鍵盤(pán)送來(lái)的信號，確認功能設置，實(shí)現數據裝入，同時(shí)接收時(shí)鐘芯片PCF8563的秒脈沖信號作為基準信號，完成計時(shí)任務(wù)。其次，從CPU根據主CPU發(fā)出的信號控制語(yǔ)音播報、遠程操作等功能。這樣的設計使安裝和調試工作可以并行進(jìn)行，發(fā)揮團隊優(yōu)勢，極大地縮短了總體設計和制造的時(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展提供了充足的內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(pán)顯示模塊
方案一 采用Intel8279可編程鍵盤(pán)/顯示接口芯片。Intel8279是一個(gè)專(zhuān)用的顯示器鍵盤(pán)接口，它用硬件完成對顯示器和鍵盤(pán)的掃描，大大方便了用戶(hù)，使程序變得簡(jiǎn)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有比較強的負載攜帶能力。
方案二 采用了HD7279A數碼管/鍵盤(pán)串行接口芯片。HD7279A可同時(shí)驅動(dòng)8位共陰式數碼管，同時(shí)還可連接多達64鍵的鍵盤(pán)矩陣，單片即可完成顯示鍵盤(pán)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負載攜帶能力要求低，使主控制器又余力實(shí)現更強的控制功能。
考慮到該控制系統比較復雜，CPU需要驅動(dòng)較多的電子器件，故我們采用了方案二。
設計論證
總體設計
系統框圖如圖2-1所示。
各模塊具體實(shí)現原理分析
單片機系統：整個(gè)硬件系統的核心，它既是協(xié)調整機工作的控制器，又是數據處理器。我們采用了ATMEL公司的AT89C52單片機。它是一款低功耗、高性能的CMOS型 8位單片機，其內含256個(gè)字節的RAM，8KB FLASH ROM，3個(gè)16位定時(shí)器/計數器。
鍵盤(pán)輸入模塊：如圖2-2所示。用HD7279A控制4×4鍵盤(pán)，7279得到鍵盤(pán)碼，通過(guò)中斷服務(wù)程序把鍵盤(pán)信息送給單片機。此方案不用單片機實(shí)時(shí)掃描鍵盤(pán)，使單片機可以騰出更多時(shí)間執行其他操作。
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、數字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫(huà)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(xiàn)較為方便。采用LED顯示，可以避免光線(xiàn)較弱時(shí)使用不便。LCD顯示信息量大，配合我們開(kāi)發(fā)的全程菜單操作環(huán)境及全中文的提示參數顯示，可以顯示較為豐富的菜單與工作數據。LED與LCD的同時(shí)使用即可以滿(mǎn)足顯示數據的基本功能，又可以達到輸出顯示方面的擴展要求，實(shí)現了非常友好的人機界面。
掉電存儲：系統預制的菜譜以及通過(guò)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(xiàn)數據傳送協(xié)議的串行CMOS E2PROM 可用電擦除，可編程自定時(shí)寫(xiě)周期（包括自動(dòng)擦除時(shí)間不超過(guò)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，所有的地址和數據通過(guò)I2C 總線(xiàn)接口串行傳遞。設定好PCF8563的CLKOUT輸出頻率控制字，即可輸出所需頻率的脈沖信號，在本設計中所用頻率為1Hz。單片機在該秒脈沖的作用下可實(shí)現倒計時(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)運行，經(jīng)單片機讀取、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功能，在主供電系統意外斷電時(shí)，即Vcc為0V時(shí)，D1截止，3.6V備用電源通過(guò)D2繼續給PCF8563供電,保證8563的正常運行。
自動(dòng)稱(chēng)重電路模塊：采用8位兼容AD轉換器ADC0809。ADC0809是一個(gè)單片CMOS器件，帶有8通道多路模擬開(kāi)關(guān)和微處理兼容控制邏輯。在設計中我們用電位器虛擬食品重量，將模擬量電壓轉換為單片機可識別的數字量，查詢(xún)內置表格實(shí)現火力和時(shí)間自動(dòng)調節。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)議轉換，實(shí)現信息設備網(wǎng)絡(luò )化，由遠程Web頁(yè)面向本地微波爐發(fā)送指令、下載菜譜等，實(shí)現微波爐的信息控制。
電話(huà)控制器：利用現有的發(fā)達的公用電話(huà)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(huà)遠程控制，由單片機進(jìn)行數據和信息處理，控制微波爐實(shí)現相應功能。用戶(hù)可通過(guò)任意一部雙音頻電話(huà)（包括手機、電話(huà)分機）對本地微波爐進(jìn)行操作。
語(yǔ)音處理電路：在本設計中，提示音及語(yǔ)音播報功能都需要語(yǔ)音電路實(shí)現。本設計采用了ISD25120芯片實(shí)現語(yǔ)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(yǔ)音集成電路2500系列，其特點(diǎn)為片內的容量為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的控制下實(shí)現按地址錄、放音，并能檢測到放音是否結束。根據設計需要，將地址低五位直接接地。這樣，每一個(gè)地址所能儲存的音可達6.4s，不再是先前的0.2秒�？刂贫硕寂c單片機I/O口直接相連，可以方便的進(jìn)行控制。語(yǔ)音信號從SP+輸出，分兩路，一路通過(guò)三極管Q16放大后接入電話(huà)線(xiàn)回路，其中信號帶有直流偏置電壓1.5V，接入的三極管Q16由R58設置合適靜態(tài)工作點(diǎn)；另一路通過(guò)音頻放大器放大輸出（見(jiàn)圖2-6）。
音頻放大電路：為了將音頻小信號放大輸出，需要用到音頻放大電路。設計中采用了LM386，電路如圖2-6所示。信號通過(guò)隔直電容C55與限流電阻R56從運放反相輸入端輸入，放大后經(jīng)濾波電容C64從揚聲器輸出。通過(guò)調節R76可改變音量的大小。
無(wú)線(xiàn)遙控系統：采用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊SC2262以及SC2272-L4進(jìn)行編解碼，以此實(shí)現微波爐控制器系統的遠程電話(huà)智能化、信息化控制功能。選擇添加無(wú)線(xiàn)遙控系統主要是為了增加系統的靈活性與可擴展性，并且這種分離構建的無(wú)線(xiàn)射頻遙控系統可以靈活的擴展為多個(gè)家電的無(wú)線(xiàn)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，使系統以后的擴展性大大加強。
系統軟件流程圖及操作說(shuō)明
系統軟件流程圖
省電模式如圖3-1所示，工作模式如圖3-2所示。
系統操作說(shuō)明
鍵盤(pán)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)入運行狀態(tài)。
自定義模式鍵，進(jìn)入火力設定菜單，用增加、減少鍵選擇相應的火力，在按確定鍵進(jìn)入時(shí)間設定菜單，再按對應功能鍵選擇需要的時(shí)間，再按確定鍵進(jìn)入運行狀態(tài)。
預制菜譜選擇鍵調用內置菜單，系統將智能感應食品重量，自動(dòng)選擇相應的火力和時(shí)間，只需按確定鍵即可確認運行。
預約模式鍵，進(jìn)入設定時(shí)間，按對應功能鍵選擇需要的時(shí)間，再按確定鍵返回開(kāi)機顯示菜單，液晶屏將顯示一個(gè)標志，提示系統進(jìn)入預約啟動(dòng)狀態(tài)。
測試鍵，4位數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(kāi)機鍵，停止測試，數碼管全亮，系統進(jìn)入工作模式；按下測試鍵，數碼管熄滅，系統回到省電模式。測試鍵只在待機模式下有效。
開(kāi)機/復位鍵，開(kāi)機系統從待機狀態(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(kāi)機/復位鍵，系統從工作狀態(tài)回到待機狀態(tài)。LED時(shí)間顯示為00.00，LCD顯示微波功率控制信號為0。
語(yǔ)音開(kāi)關(guān)鍵，選擇是否在進(jìn)入相應功能時(shí)伴隨有語(yǔ)音提示。
取消鍵，在工作狀態(tài)下返回初始開(kāi)機狀態(tài)，液晶屏顯示主菜單。
系統設計圖（見(jiàn)附圖一）
功能測試
測試儀器
WAVE6000仿真器
SK1731SL2A直流電源
PC機
測試方法
根據方案設計的要求，電路按模塊測試，各模塊逐個(gè)測試通過(guò)后再聯(lián)調。
主控單元
功能設定、數據裝入模塊：鍵盤(pán)與仿真器聯(lián)機狀態(tài)下，在鍵盤(pán)中斷子程序中設定斷點(diǎn)。運行程序，按鍵測試，程序正常運行到斷點(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，繼續測試鍵盤(pán)。當程序運行時(shí)所按鍵的鍵值都能正確的顯示到液晶屏上。繼而進(jìn)行脫機測試，測試結果正常。鍵盤(pán)測試完成。
顯示模塊：LED數碼管交替全亮全滅測試，待機狀態(tài)顯示（00.00），定時(shí)及倒計時(shí)顯示（99分99秒）； LCD連接到仿真器上，聯(lián)機運行，程序輸出測試字符，運行結果輸出顯示正常（屏幕中文菜單、微波控制信號為0、微波爐工作指示）。將輸出程序固化到單片機中，脫機運行測試，測試結果輸出顯示正常。
定時(shí)模塊：PCF8563日歷時(shí)鐘能夠產(chǎn)生1HZ信號及提供日歷時(shí)鐘，保證系統能順利完成定時(shí)及倒計時(shí)工作。先將仿真器INT1口接到信號發(fā)生器上，將信號發(fā)生器調整為方波輸出，頻率為1Hz，在用鍵盤(pán)在00.00-99.99之間任意設定時(shí)間，觀(guān)察程序倒計時(shí)工作，當倒計時(shí)結束時(shí)程序停止運行。測試結果程序工作正常。然后將仿真器的INT1口接到PCF8563脈沖輸出端，設定PCF8563秒中斷，并設定時(shí)間測試倒計時(shí)程序，測試結果程序工作正常。最后進(jìn)行脫機測試，將程序固化到單片機之中，脫機運行，測試結果設定時(shí)間以及倒計時(shí)工作正常。
音像控制模塊：先測試音頻輸出，程序運行開(kāi)啟音頻輸出，音頻輸出正常，調節可調電位器，使音量達到合適的程度。將倒計程序結束后添加開(kāi)啟音頻裝置的控制程序，并延時(shí)3秒，進(jìn)行倒計時(shí)測試，程序倒計時(shí)結束時(shí)隨即輸出3秒鐘的音頻提示。此外在執行每項功能時(shí)伴隨語(yǔ)音提示。測試完成。
擴展存儲模塊：E2PROM可以順利讀出、寫(xiě)入預制及下載的菜單。
電話(huà)控制器：實(shí)現電話(huà)撥入，選擇功能，遠程啟動(dòng)。
服務(wù)器模塊：在同一局域網(wǎng)內實(shí)現遠程遙控及信息傳輸。
各模塊測試完畢，再分別將主控單元與電話(huà)控制器聯(lián)調，主控單元與服務(wù)器模塊聯(lián)調。測試通過(guò)后，將所有模塊整合，進(jìn)行整體測試。測試結果系統能正常工作，并完成題目要求。
測試數據
測試數據如表2
總結
本系統以AT89C52芯片為核心部件，根據綜合電子技術(shù)、信號與系統以及單片機原理的知識，通過(guò)軟件實(shí)現了微波爐的可編程控制系統，且各項功能達到了設計要求。在系統的設計過(guò)程中，我們力求硬件線(xiàn)路簡(jiǎn)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片內資源，來(lái)滿(mǎn)足系統設計要求。融合電話(huà)、網(wǎng)絡(luò )遠程控制技術(shù)，實(shí)現微波爐的智能控制、信息控制（見(jiàn)附圖二）。因比賽時(shí)間有限，該系統還有許多值得改進(jìn)的地方：例如硬件系統的集成度還可以進(jìn)一步提高，控制系統的容錯功能有待于進(jìn)一步加強，以增強用戶(hù)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
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