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單片機的微波爐控制器系統(tǒng)設計(一)
摘 要
本可編程微波爐控制器系統(tǒng)，以AT89C52單片機為核心，由鍵盤顯示、語音發(fā)聲、電話控制器、串口服務器等功能模塊組成�；陬}目基本要求，本系統(tǒng)對功能設置、數(shù)據(jù)裝入和定時設定功能進行了重點設計。此外，擴展了液晶顯示、微波火力檔位設定、自動烹飪、智能感應烹飪、語音提示、日歷時鐘、E2PROM、電話和Internet遠程控制等功能。
關鍵字：單片機 自動控制 遠程控制 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)有功能設置、數(shù)據(jù)裝入、定時、顯示、音響控制多個功能模塊。各個狀態(tài)保持或轉(zhuǎn)移的條件依賴于鍵盤控制信號。由于鍵盤控制信號繁多，系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)以及相互轉(zhuǎn)移更是復雜，用純粹的數(shù)字電路或小規(guī)模的可編程邏輯電路實現(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控制系統(tǒng)的核心。鑒于市場上常見的51系列8位單片機的售價比較低廉，我們的設計采用了主從雙AT89C52單片機系統(tǒng)。其中一片作為主控制器，主要負責系統(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，確認功能設置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)裝入，同時接收時鐘芯片PCF8563的秒脈沖信號作為基準信號，完成計時任務。其次，從CPU根據(jù)主CPU發(fā)出的信號控制語音播報、遠程操作等功能。這樣的設計使安裝和調(diào)試工作可以并行進行，發(fā)揮團隊優(yōu)勢，極大地縮短了總體設計和制造的時間；同時可以降低單個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(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(shù)碼管/鍵盤串行接口芯片。HD7279A可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管，同時還可連接多達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現(xiàn)更強的控制功能。
考慮到該控制系統(tǒng)比較復雜，CPU需要驅(qū)動較多的電子器件，故我們采用了方案二。
設計論證
總體設計
系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。
各模塊具體實現(xiàn)原理分析
單片機系統(tǒng)：整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機工作的控制器，又是數(shù)據(jù)處理器。我們采用了ATMEL公司的AT89C52單片機。它是一款低功耗、高性能的CMOS型 8位單片機，其內(nèi)含256個字節(jié)的RAM，8KB FLASH ROM，3個16位定時器/計數(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，通過中斷服務程序把鍵盤信息送給單片機。此方案不用單片機實時掃描鍵盤，使單片機可以騰出更多時間執(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，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、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的同時使用即可以滿足顯示數(shù)據(jù)的基本功能，又可以達到輸出顯示方面的擴展要求，實現(xiàn)了非常友好的人機界面。
掉電存儲：系統(tǒng)預制的菜譜以及通過網(wǎng)絡下載的菜譜，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，可編程自定時寫周期（包括自動擦除時間不超過10ms 典型時間為5ms）的串行E2PROM。
定時模塊：為提高定時精度，我們采用日歷時鐘芯片PCF8563作為秒脈沖發(fā)生器，如圖2-3所示。
PCF8563是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個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現(xiàn)倒計時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中的日歷就會自動運行，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(tǒng)意外斷電時，即Vcc為0V時，D1截止，3.6V備用電源通過D2繼續(xù)給PCF8563供電,保證8563的正常運行。
自動稱重電路模塊：采用8位兼容AD轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是一個單片CMOS器件，帶有8通道多路模擬開關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(zhuǎn)換為單片機可識別的數(shù)字量，查詢內(nèi)置表格實現(xiàn)火力和時間自動調(diào)節(jié)。如圖2-4所示。
服務器模塊：采用ATOP TIGERLINK串口服務器GW21S-256將TCP/IP協(xié)議串口通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)信息設備網(wǎng)絡化，由遠程Web頁面向本地微波爐發(fā)送指令、下載菜譜等，實現(xiàn)微波爐的信息控制。
電話控制器：利用現(xiàn)有的發(fā)達的公用電話網(wǎng)絡(Public Switched Telephone Network，PSTN)進行基于DTMF(Dual Tone Multiple Frequency雙音多頻)的電話遠程控制，由單片機進行數(shù)據(jù)和信息處理，控制微波爐實現(xiàn)相應功能。用戶可通過任意一部雙音頻電話（包括手機、電話分機）對本地微波爐進行操作。
語音處理電路：在本設計中，提示音及語音播報功能都需要語音電路實現(xiàn)。本設計采用了ISD25120芯片實現(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，其特點為片內(nèi)的容量為480KB，10個地址輸入端，錄放最多可分600段，錄放時間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現(xiàn)按地址錄、放音，并能檢測到放音是否結(jié)束。根據(jù)設計需要，將地址低五位直接接地。這樣，每一個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，可以方便的進行控制。語音信號從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；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進行編解碼，以此實現(xiàn)微波爐控制器系統(tǒng)的遠程電話智能化、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)可以靈活的擴展為多個家電的無線控制（只需為每個不同的家電分配一個地址），方便而實用，使系統(tǒng)以后的擴展性大大加強。
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為預制菜譜選擇鍵，其他為功能鍵。
火力檔位選擇鍵，進入時間設置菜單，用增加A、減少E鍵選擇需要的時間，按確定鍵B進入運行狀態(tài)。
自定義模式鍵，進入火力設定菜單，用增加、減少鍵選擇相應的火力，在按確定鍵進入時間設定菜單，再按對應功能鍵選擇需要的時間，再按確定鍵進入運行狀態(tài)。
預制菜譜選擇鍵調(diào)用內(nèi)置菜單，系統(tǒng)將智能感應食品重量，自動選擇相應的火力和時間，只需按確定鍵即可確認運行。
預約模式鍵，進入設定時間，按對應功能鍵選擇需要的時間，再按確定鍵返回開機顯示菜單，液晶屏將顯示一個標志，提示系統(tǒng)進入預約啟動狀態(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。測試期間按開機鍵，停止測試，數(shù)碼管全亮，系統(tǒng)進入工作模式；按下測試鍵，數(shù)碼管熄滅，系統(tǒng)回到省電模式。測試鍵只在待機模式下有效。
開機/復位鍵，開機系統(tǒng)從待機狀態(tài)進入工作狀態(tài)，液晶屏顯示主菜單。工作狀態(tài)下按開機/復位鍵，系統(tǒng)從工作狀態(tài)回到待機狀態(tài)。LED時間顯示為00.00，LCD顯示微波功率控制信號為0。
語音開關鍵，選擇是否在進入相應功能時伴隨有語音提示。
取消鍵，在工作狀態(tài)下返回初始開機狀態(tài)，液晶屏顯示主菜單。
系統(tǒng)設計圖（見附圖一）
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(jù)方案設計的要求，電路按模塊測試，各模塊逐個測試通過后再聯(lián)調(diào)。
主控單元
功能設定、數(shù)據(jù)裝入模塊：鍵盤與仿真器聯(lián)機狀態(tài)下，在鍵盤中斷子程序中設定斷點。運行程序，按鍵測試，程序正常運行到斷點處產(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。當程序運行時所按鍵的鍵值都能正確的顯示到液晶屏上。繼而進行脫機測試，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，待機狀態(tài)顯示（00.00），定時及倒計時顯示（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(jié)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(jié)果輸出顯示正常。
定時模塊：PCF8563日歷時鐘能夠產(chǎn)生1HZ信號及提供日歷時鐘，保證系統(tǒng)能順利完成定時及倒計時工作。先將仿真器INT1口接到信號發(fā)生器上，將信號發(fā)生器調(diào)整為方波輸出，頻率為1Hz，在用鍵盤在00.00-99.99之間任意設定時間，觀察程序倒計時工作，當?shù)褂嫊r結(jié)束時程序停止運行。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，設定PCF8563秒中斷，并設定時間測試倒計時程序，測試結(jié)果程序工作正常。最后進行脫機測試，將程序固化到單片機之中，脫機運行，測試結(jié)果設定時間以及倒計時工作正常。
音像控制模塊：先測試音頻輸出，程序運行開啟音頻輸出，音頻輸出正常，調(diào)節(jié)可調(diào)電位器，使音量達到合適的程度。將倒計程序結(jié)束后添加開啟音頻裝置的控制程序，并延時3秒，進行倒計時測試，程序倒計時結(jié)束時隨即輸出3秒鐘的音頻提示。此外在執(zhí)行每項功能時伴隨語音提示。測試完成。
擴展存儲模塊：E2PROM可以順利讀出、寫入預制及下載的菜單。
電話控制器：實現(xiàn)電話撥入，選擇功能，遠程啟動。
服務器模塊：在同一局域網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)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控制器聯(lián)調(diào)，主控單元與服務器模塊聯(lián)調(diào)。測試通過后，將所有模塊整合，進行整體測試。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、信號與系統(tǒng)以及單片機原理的知識，通過軟件實現(xiàn)了微波爐的可編程控制系統(tǒng)，且各項功能達到了設計要求。在系統(tǒng)的設計過程中，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，并最大限度挖掘單片機片內(nèi)資源，來滿足系統(tǒng)設計要求。融合電話、網(wǎng)絡遠程控制技術，實現(xiàn)微波爐的智能控制、信息控制（見附圖二）。因比賽時間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進的地方：例如硬件系統(tǒng)的集成度還可以進一步提高，控制系統(tǒng)的容錯功能有待于進一步加強，以增強用戶使用的安全性，軟件中某些邏輯判斷方面的算法還有待于進一步優(yōu)化。
附圖一
附圖二
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