基于單片機的電磁爐設(shè)計

1、摘要微波爐已在我國民用領(lǐng)域中普及開來。微波爐加熱的獨特原理就是用微波來煮飯燒菜，由于其獨特的加熱原理，可以有效地保持原有食品的顏色、氣味、口感和營養(yǎng)成分，也能在迅速解凍食品時保持食物的水分不丟失和新鮮度。使用微波爐的過程中也很少產(chǎn)生煙氣和熱氣，可保持廚房的清潔。微波爐之所以有這么優(yōu)良的性能，其原因就在于微波爐的廣泛應(yīng)用，它的廣泛應(yīng)用又促進了相關(guān)新技術(shù)的探索和發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)轉(zhuǎn)而又被應(yīng)用于微波爐性能的改造，這些都是息息相關(guān)的?，F(xiàn)在的微波爐技術(shù)已相當(dāng)成熟。本次設(shè)計研究主要是微波爐的控制系統(tǒng)。本次設(shè)計的控制核心是89C52單片機，之所以選擇單片機控制，是因為它的功能強、體積小、功耗低、工作可靠

2、、價格便宜、使用簡單方便等特點，特別適合應(yīng)用于控制有關(guān)的系統(tǒng)。整個微波爐控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括主電路、電源電路、驅(qū)動電路、光電耦合隔離、89C52最小系統(tǒng)、鍵盤輸入、液晶顯示、PWM波輸出等。本設(shè)計有預(yù)設(shè)模式和人工輸入模式兩種，對微波爐工作的時間和火力進行調(diào)節(jié)，通過輸出占空比不同的PWM波來模擬微波爐工作在不同火力下的狀態(tài)，液晶顯示屏能準(zhǔn)確顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，我們可以根據(jù)自己的意愿繼續(xù)、暫停、退出當(dāng)前工作方式。經(jīng)過模擬仿真以及現(xiàn)場調(diào)試后，設(shè)計的微波爐控制系統(tǒng)安全可靠，工作穩(wěn)定，順利實現(xiàn)預(yù)期的各項功能。關(guān)鍵詞：89C52單片機；微波爐；控制電路；AbstractIn our country, mic

3、rowave 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

4、 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.

5、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

6、 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 throug

7、h 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

8、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;目錄摘要I1 引言11.1 微波爐簡介11.2 本文主要研究工作22 微波爐的工作原理和總體方案設(shè)計32.1 微波爐的工作原理32.2 微波爐的基本構(gòu)造42.2.1 控制電路42.2.2 高壓變壓器42.2.3 磁控管52.2.3 爐腔72.2.4 爐門72.3 總體方案設(shè)計73 硬

9、件電路設(shè)計83.1 主電路的設(shè)計93.1.1 主電路方案分析93.1.2 主電路方案設(shè)計113.2 驅(qū)動電路的設(shè)計133.3 單片機選型及介紹143.3.1 單片機的選型143.3.2 單片機STC89C52的特點143.3.3 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計153.4 光耦隔離控制模塊的設(shè)計183.5 鍵盤輸入和液晶顯示電路193.5.1 鍵盤輸入電路方案的選擇193.5.2 顯示電路方案的選擇213.6 蜂鳴器電路243.7 風(fēng)扇冷卻電路254 軟件設(shè)計264.1 主程序流程圖264.2 PWM波控制子程序284.3 火力調(diào)節(jié)子程序設(shè)計284.4 烹飪時間設(shè)定子程序設(shè)計294.4.1 設(shè)置定時模式的方

10、法294.4.2 時間設(shè)定程序流程圖314.5 鍵盤掃描子程序設(shè)計324.6 液晶顯示模塊程序設(shè)計345 系統(tǒng)仿真調(diào)試和實物制作355.1 系統(tǒng)的仿真調(diào)試355.1.1 仿真結(jié)果及分析355.2 實物制作396 結(jié)論與展望426.1 論文總結(jié)426.1.1 主要工作及結(jié)論426.1.2 存在的問題426.2 感想及收獲426.3 展望43致 謝45參考文獻46附錄I:仿真圖47附錄II原理圖48附錄III:源程序491 引言1.1 微波爐簡介圖1-1 微波爐實物微波爐（圖1-1）已成為生活中不可或缺的烹飪工具，是小家電的重要組成部分，現(xiàn)代的微波爐具有多種烹飪方式，可以很簡單、快速、方便地做出各

11、種美味佳肴。相比于其它烹飪工具，例如地鍋、煤爐、燃氣灶、電磁爐，微波爐擁有熱效率高即是電能利用率高進而耗電能就少、可以全自動烹飪即是無需人全程參與烹飪過程、環(huán)保即是利用率高耗電少，另一方面就是在烹飪過程中很少產(chǎn)生傳統(tǒng)烹飪方式產(chǎn)生的煙霧、灰塵等優(yōu)點。微波爐的這些優(yōu)點符合經(jīng)濟、節(jié)約、環(huán)保原則，也比傳統(tǒng)烹飪方式節(jié)約時間、降低能耗。微波爐的智能、多功能、環(huán)保、操作簡便等優(yōu)點，也頗受歡迎，所以當(dāng)今微波爐已進入千萬個城鄉(xiāng)家庭之中，成為人們生活的好幫手，微波爐的發(fā)展前景是越來越好的。微波是一種波長很短、高頻率的電磁波，它是由交變的電場和磁場組成的，微波具有比通常的無線電波大得多的能量。金屬則對微波具有反射的

12、作用；然而對于水和食物等會吸收微波而使自身發(fā)熱。微波爐（Microwave oven）就是利用微波的這種特性來加熱食物的。微波爐是現(xiàn)代家庭常見的烹飪工具。家用微波爐是利用食物在微波場中吸收微波能量而使自身加熱的烹飪器具。在微波爐的磁控管中產(chǎn)生微波，微波經(jīng)過天線、波導(dǎo)傳輸?shù)綘t腔內(nèi)形成微波場，微波均勻穿過食物使食物內(nèi)分子運動產(chǎn)生熱量，溫度升高加熱食物。也就是說微波爐加熱食物是通過使食物內(nèi)分子本身振蕩產(chǎn)生熱量來自身加熱的。微波在傳播過程中遇到物體時，依物體材料的不同，會被不同程度的反射、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較分散，現(xiàn)在技術(shù)還不能將它們收集起來，所以不能被加熱食

13、物。1.2 本文主要研究工作本文主要的研究工作是基于89C52單片機設(shè)計家用微波爐的控制系統(tǒng)，首先要確立明確的系統(tǒng)整體方案，接著的工作就是通過整體方案設(shè)計各部分電路方案，進一步實現(xiàn)預(yù)期功能。首要工作是按照任務(wù)的目的和要求制作一個微波爐控制器電路，具有自動設(shè)置工作檔位、時間和直接選擇烹飪模式兩種功能并存，程序內(nèi)預(yù)設(shè)有若干種烹飪方式均可通過一鍵操作實現(xiàn)，通過1602LCD液晶屏顯示。圖1-2 微波爐工作順序流程圖工作實現(xiàn)步驟如圖1-2所示：設(shè)計中具體的任務(wù)有：(1)電源的設(shè)計；(2)開關(guān)、驅(qū)動電路和光耦隔離電路的硬件設(shè)計；(3)時間（分、秒）設(shè)置以及倒計時功能的設(shè)計；(4)智能火力控制的設(shè)計；(5

14、)顯示模塊和蜂鳴器提示的設(shè)計；(6)按鍵的設(shè)置；(7)微波爐工作、返回與停止的設(shè)計；2 微波爐的工作原理和總體方案設(shè)計微波爐是當(dāng)今使用比較普遍的烹調(diào)灶具，主要是因為微波爐功能齊全、操作方便、安全環(huán)保的特點是現(xiàn)代快節(jié)奏生活所需求的。它的工作原理就是用微波對食物進行加熱。微波爐外部實物主要由腔體、爐門、控制面板等部分組成。微波爐內(nèi)部實物主要由門體部件、爐體部件、底盤部件等組成。本章就著重介紹微波爐的工作原理、基本構(gòu)造和本設(shè)計的總體方案。2.1 微波爐的工作原理微波爐就是在磁控管中將電能轉(zhuǎn)化為微波能，家用微波爐的振蕩頻率一般為2450MHz，微波以這樣的振蕩頻率穿過食物，食物上的極性分子（比如水），

15、這些極性分子的取向會隨著微波電場的變化而變化。如圖2-1，當(dāng),不加電場時，這些極性分子是雜亂無章的、中性；當(dāng)加上外加電場時，這些極性分子就會隨著電場極性變化，分子開始排列有序，當(dāng)外加電場消失時，分子又開始運動，最終還是雜亂無章的，當(dāng)外加電場的極性發(fā)生變化時，分子又開始運動，根據(jù)新的電場重新排列，又回到有序狀態(tài)。當(dāng)外加電場的極性間歇不停變化式，極性分子便隨著電場變化進行擺動，在不斷運動過程中，相鄰極性分子之間會互相碰撞，在電場快速變化時分子運動比較快碰撞后會產(chǎn)生大量摩擦熱。微波爐就是利用分子之間碰撞的摩擦熱，使極性分子自身溫度升高，進而食品溫度上升，達到加熱食品的目的。本設(shè)計由按鈕鍵盤自動輸入控

16、制其烹飪時間和火力強度來進行各種各樣方式的烹飪過程。 圖2-1 極性分子變化規(guī)律圖2-2是家用微波爐的原理框圖，220V市電通過高壓電路的安全保護裝置熔絲管、操作面板連接高壓變壓器，高壓變壓器變壓后分兩路提供磁控管工作電壓，（一路升壓后再經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換成約4000V左右的直流電壓，給磁控管陽極供電；一路由高壓變壓器直接送到磁控管陰極）。產(chǎn)生的微波經(jīng)天線、波導(dǎo)傳輸?shù)綘t腔，爐腔進口處有類似風(fēng)扇葉的攪拌器，將進入的微波均勻分散開，一部分微波直接穿過食物，食物總有一些極性分子（如水、脂肪、蛋白質(zhì)、糖等）受到微波場能的變化而以每秒24億5千萬圖2-2 微波爐工作原理框圖次的速度高速振蕩，在振蕩過程中，

17、各相鄰極性分子間就會互相碰撞而產(chǎn)生大量摩擦熱使食物的溫度升高，里外同時快速加熱食物。2.2 微波爐的基本構(gòu)造 控制電路控制電路微波爐整機控制的核心，它的主要任務(wù)是發(fā)送控制信號給磁控管?？刂齐娐窂淖畛醯臋C械式經(jīng)過不斷改進、創(chuàng)新到現(xiàn)在較為普遍的微電腦式，種類繁多，目前的微電腦控制型，其控制芯片內(nèi)燒寫有廠家自己設(shè)計的程序，并已設(shè)計好多種加熱工作模式。 高壓變壓器如圖2-3中的高壓變壓器，是一種將100V230V的低壓交流電變成一般在2000V左右的高壓交流電的變壓器，是一種升壓變壓器（又稱高壓穩(wěn)壓器、漏感變壓器），有三個繞組（一次繞組、二次繞組、燈絲繞組）及磁分路裝置、硅鋼片刀等。微波爐高壓變壓器的

18、作用就是將一次側(cè)的220V交流市電，分兩組變壓，一組是降壓提供3.3V燈絲電壓，另一組是將電壓升至2000V左右，再經(jīng)高壓整流器電路（高壓電容、高壓二極管）將此高壓整流為4100V左右的直流高壓，供磁控管工作。微波爐中的高壓變壓器主要作用是給磁控管提供工作電壓。圖2-3 高壓變壓器 磁控管圖2-4是俗稱微波發(fā)生器的磁控管，是微波爐工作的“心臟”，作用是將通過它的直流電轉(zhuǎn)化為微波發(fā)射出去。微波爐的磁控管管內(nèi)的電子運動方向、恒定磁場和恒定電場三者相互垂直，所以磁控管也是正交場器件。電子在恒定電場中運動將電能轉(zhuǎn)化成電子的動能，電子在恒定電場和恒定磁場的作用下與管內(nèi)高頻的電磁場相互作用，儲存在電子中的

19、動能轉(zhuǎn)變成微波能量釋放，微波能就產(chǎn)生了。圖2-4 磁控管磁控管（圖2-5）是真空器件。它主要由陰極(燈絲)、陽極、環(huán)形磁鋼、耦合環(huán)、天線(即微波能量輸出器)、散熱器和燈絲插頭等部件構(gòu)成。磁控管的陽極為圓筒狀，用銅材制成的，被多個翼片分割成多個扇形空間，這些扇形空間就是陽極諧振腔，諧振頻率就是磁控管的工作頻率。陽極的外殼上嵌有一對環(huán)形永久磁鋼，形成磁場的主要用于控制陽極腔內(nèi)的微波振蕩能量。微波能量通過耦合環(huán)傳送到天線，再經(jīng)波導(dǎo)向加熱腔體發(fā)送微波能，對食物進行微波加熱。 圖2-5 磁控管圖2-6 磁控管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，在磁控管工作時，陽極相對于陰極加有4100V的高壓形成壓差，這樣在陽極和

20、陰極之間就形成一個徑向直流高壓電場，磁場由環(huán)狀磁鐵產(chǎn)生。磁控管的陰極加上電壓時，陰極就會有電子發(fā)出，在電場力作用下向陽極運動，電子運動就會產(chǎn)生電流，所以陽極就會產(chǎn)生高壓電流。運動的電子在又會在磁場力作用下繞陰極軸線運動。同時，陽極諧振腔內(nèi)也有高頻電場，作繞動飛行的電子的旋轉(zhuǎn)速度與諧振腔中高頻的固有頻率同步時便發(fā)生共振，振蕩能量以微波形式產(chǎn)生。而能量的損耗，則由電子束的強度補償，以維持高頻振蕩。家用微波爐磁控管的發(fā)射功率一般為400W1000W，需要4000V左右的工作電壓，在高電壓的作用下電場力就會很大，電子束的強度與電場力是成正比的，同樣也很大，陽極電流隨之增大，功耗增加。高電壓、高電流、高

21、功耗使磁控管外表面溫度不斷升高，這時火力控制級別就會出現(xiàn)失調(diào)，使磁控管不能正常工作，所以必須有相應(yīng)的自動保護措施。磁控管外表面安裝固定有KSD301溫控開關(guān)（圖2-7），它是一種內(nèi)置雙金屬片的熱敏保護開關(guān)。在溫度正常時，雙金屬片保持閉合狀態(tài)使電路接通。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)的閥值時，雙金屬片就會反方向彎曲斷開，切斷電路從而起到電路保護作用。圖2-7 KSD301溫控開關(guān)2.2.3 爐腔爐腔是烹調(diào)食物和烘烤食物的地方。微波爐爐腔常用的有鋼板噴涂和不銹鋼兩種材料，一般被設(shè)計為矩形。腔的左邊和頂部一般開有通風(fēng)孔。微波由天線、波導(dǎo)管傳入爐腔，一部分直接射過食物，對食物加熱；而一部分經(jīng)過腔壁反射后穿透食物，對食

22、物進行加熱。 爐門爐門的作用主要是四點：便于取放食物；便于觀察烹調(diào)時的情況；是構(gòu)成爐腔的前臂；是微波爐防止微波泄漏的屏障。在爐門的卡勾上安裝門控開關(guān)，當(dāng)打開爐門時主電路斷開，從而保證使用的安全。爐門由門面、門體、門封、門鉤等組成。2.3 總體方案設(shè)計在總體方案設(shè)計過程中，通過對比各種軟件控制，在性能、成本和可實現(xiàn)性等方面綜合考慮，最終選擇單片機作為本設(shè)計的控制核心，單片機的信號控制完全可以實現(xiàn)這次設(shè)計信號的控制，而且單片機簡單易學(xué)、操作方便、價格低廉，增加了本設(shè)計的可實施性。因此本設(shè)計采用89C52作為控制核心，主要由89C52單片機最小系統(tǒng)與電源模塊、輸入顯示模塊等外設(shè)模塊構(gòu)成；微波發(fā)生部分

23、以輸出PWM波模擬代替。整個控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-8所示。圖2-8 總體設(shè)計框圖3 硬件電路設(shè)計本次微波爐系統(tǒng)設(shè)計中，整個微波爐控制電路的設(shè)計主要是硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。硬件設(shè)計分為強電和弱電兩個部分，弱電部分即是控制電路，強電部分即為微波發(fā)生電路，整個設(shè)計既要考慮軟硬件的兼容，又要保證弱電部分和強電部分之間操作的安全及可靠。3.1 主電路的設(shè)計 主電路方案分析本次設(shè)計實現(xiàn)的主要功能是用戶人為的按鍵操作對微波爐磁控管的工作時間和火力大小進行控制，本設(shè)計預(yù)定有四中不同占空比的PWM波，實現(xiàn)對微波爐火力時間長短的控制，進而實現(xiàn)對火力大小的控制。微波爐火力開關(guān)的接通時間主要是通過控制裝置調(diào)

24、整來實現(xiàn)的?；鹆﹂_關(guān)的接通時間是可調(diào)的，一般在530秒范圍內(nèi)，開關(guān)的最短接通時間應(yīng)大于等于5秒，最長接通時間小于或等于30秒。這就是說，微波爐的輸出功率是通過調(diào)節(jié)磁控管發(fā)射微波的時間長短來實現(xiàn)控制的。微波爐工作時發(fā)出的微波是斷續(xù)的，而不是連續(xù)的，火力開關(guān)接通的時間的長短和磁控管的工作時間的長短成正比，微波發(fā)射的時間長短和加熱火力的大小成正比。例如將火力開關(guān)選擇按鈕設(shè)置在解凍檔位時，火力開關(guān)的接通時間是11s，斷開時間就為19s，此時微波爐的輸出功率約為額定功率的11/30=0.366約為37%（約為296W）；而當(dāng)火力選擇按鈕高火檔位被按下時，火力選擇開關(guān)接通時間是最長的為30s，斷開時間就為

25、0s，這時微波爐的輸出功率最大，為額定功率的30/30=1為100%（即800W）?？偠灾?，對火力選擇的控制，就是對微波發(fā)射的開關(guān)控制，其接通與斷開時間的計時工作，與定時器的設(shè)定位置同步。通過上面的論述，我們自然而然就會想到，微波爐的功率控制就是通過把輸入的交流電“斬”成不同的寬度，即是改變電流的通和斷時間改變功率。這就是在電力電子技術(shù)課程中學(xué)到的PWM控制技術(shù)，通過對電力電子這塊知識稍加復(fù)習(xí)就能學(xué)以致用，通過PWM控制技術(shù)實現(xiàn)對微波爐功率控制。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。就是為了獲得所需要的波形，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制來等

26、效。采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：在具有慣性的環(huán)節(jié)的電路上輸入充量相等而形狀不同的脈沖時，輸出效果大致相同。沖量即指窄脈沖的面積。效果大致相同，就是慣性環(huán)節(jié)輸出的波形基本相同。把各個輸入波形用傅里葉變換分析，可以看出在低頻段輸出非常接近，僅僅在高頻段略有差異。這就是面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，是學(xué)習(xí)和應(yīng)用PWM的重要知識儲備。圖3-1的電路是一個具體的例子，圖中e(t)為電壓窄脈沖輸入，圖a為矩形脈沖，圖b為三角形脈沖，圖c為正弦波半脈沖，圖d為單位沖擊脈沖，它們的面積（即沖量）都等于1。這些輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上，設(shè)其電流i(t)為電路的輸出。f給出了不

27、同窄脈沖時i(t)的響應(yīng)波形。從圖中不同的曲線可以看出，在i(t)的上升段，輸入的脈沖不同時，i(t)的形狀也是稍微有些區(qū)別的。在下降段無論輸入的波形是什么，輸出卻幾乎完全相同。脈沖越窄，各i(t)波形差異也越小。如果按一定周期地輸入上述脈沖，則響應(yīng)輸出i(t)也是周期性的。上述原理即為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。b圖3-1 沖量相同的窄脈沖的響應(yīng)波形通過對上述PWM波控制理論的學(xué)習(xí)，我們可以通過單片機編程，利用單片機的定時器輸出不同占空比的PWM波的輸出，控制電路開關(guān)器件的通斷，進而控制微波電路的輸出功率。單片機用于輸出控制火力的方波脈沖輸出，當(dāng)方波脈沖輸出高電平時，火力

28、開關(guān)閉合，則高壓變壓器工作，變壓器次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，磁控管工作；當(dāng)方波脈沖輸出低電平時，火力開關(guān)斷開，變壓器中無電流流過，磁控管不工作，由于方波脈沖是在單片機控制下產(chǎn)生的，因此適當(dāng)?shù)母淖兎讲ǖ恼伎毡染涂梢愿淖僎的導(dǎo)通時間，從而改變磁控管的輸出功率。 主電路方案設(shè)計圖3-2 主電路原理圖基于上一節(jié)主電路方案的分析，主電路工作原理圖如3-2所示：接通電源后，220V的交流市電先經(jīng)過一個由MOEFET管組成的火力開關(guān)來控制電流的通斷，隨后經(jīng)過一個高壓變壓器將電壓分為兩路，一路將220V市電降為3.3V左右的交流電給磁控管燈絲供電。另一路將220V電壓升至2000V左右的交流高壓，最后經(jīng)過高壓

29、限流電容C1，整流二極管D5組成的整流電路后得到約為4100V的直流高壓加至磁控管陰極（陽極接地），由于陰陽兩極的電壓差而形成加速電場，磁控管陰極發(fā)射出的電子在強電場力作用下向陽極加速運動。電子加速運動的過程中還要受到陽極腔外殼上永久磁鐵所形成的強磁場作用，所以電子是邊加速邊旋轉(zhuǎn)向陽極方向運動，旋轉(zhuǎn)的速度在加速過程中也在不斷加快。電子通過扇形諧振腔時發(fā)生振蕩，且振蕩頻率不斷升高直至達到2450MHz時形成微波，由波導(dǎo)管口發(fā)射出去，再傳輸?shù)綘t腔內(nèi)對食品進行加熱。本次設(shè)計中采用的磁控管型號為2M210，額定功率為600W900W，容量為2025L。微波爐的火力開關(guān)則是通過單片機輸出的PWM波來控制

30、MOEFET的通斷，當(dāng)220V交流電為正半周時，D1和V1通道導(dǎo)通，D3和V3來提供續(xù)流通道；而220V交流電為負半周時，D2和V2通道導(dǎo)通，D4和V4提供續(xù)流通道。220V交流電的最大值為380V左右，MOSFET管IRF830（圖3-3）的承受的最大電壓為500V，常溫下，電流連續(xù)時漏極電流為4.5A，完全滿足本次設(shè)計的要求，故V1V4均選用IRF830。二極管1N4004（圖3-4）所能承受的最大電壓為400V，滿足本設(shè)計的要求，故D1D4均選用1N4004即可。圖3-5 倍壓電路圖圖3-3 IRF830實物圖圖3-4 IN4004實物圖本次設(shè)計的主電路中采用的是二倍壓電路為磁控管供電，

31、電路原理如圖3-5所示。電路由高壓繞組T、高壓電容C也稱倍壓提升電容、高壓二極管D也稱倍壓提升二極管組成的。倍壓電路的原理為：當(dāng)高壓繞組一次側(cè)為正半周期時，二次側(cè)為正半周，由二極管單向?qū)щ娦钥芍狣導(dǎo)通，電流通過如圖3-5方向通過二極管D對電容C充電，使C上的電壓接近的峰值且大致上穩(wěn)定不變。當(dāng)變壓器T高壓繞組二次側(cè)中感應(yīng)電動勢為負半周期時，高壓二極管D反向截止，無電流通過，高壓電容C上的充電電壓（等于）與e2串聯(lián)，方向相同疊加，即是圖中3-4中A、B兩點間的電壓為，電壓提升為原來一倍。當(dāng)變壓器T高級繞組二次側(cè)中的感應(yīng)電動勢又為正半周期時，高壓電容C又重復(fù)上述過程開始充電，從而使A點保持峰值電壓的

32、2倍。所以，高壓電容C在此電路設(shè)計中主要起到倍壓提升的作用，高壓二極管D利用其單向?qū)щ娦?，其主要起開關(guān)的作用。由于1.08uf高壓電容CH85可承受2300V左右電壓，高壓整流二極管T4512可承受12000V高壓，所通電流為0.45A，均滿足本設(shè)計的要求。故本設(shè)計高壓電容采用CH85，高壓二極管采用T4512。3.2 驅(qū)動電路的設(shè)計在3.1.2的主電路中采用了MOSFET管IRF830作為開關(guān)器件，通過查閱資料，了解學(xué)習(xí)了MOSFET管驅(qū)動的相關(guān)知識后，本設(shè)計最終采用IRF2125作為驅(qū)動器，來驅(qū)動IRF830工作。IR2125是高壓、高速MOSFET及IGBT驅(qū)動器，它的內(nèi)部自帶有限制過電

33、流和過流保護電路。IR2125由先進的高壓集成電路和門閂COMS技術(shù)制成，它的輸入電平與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS和TTL電平是兼容的。IR2125中具有大電流脈沖緩沖設(shè)計的輸出驅(qū)動特性，并限制柵極驅(qū)動電壓，并可編程檢測到過電流與封鎖脈沖之間的時間間隔，由于內(nèi)部采用的自舉技術(shù)，因此IR2125可用來驅(qū)動一個工作于電路中高端或低端的N溝道MOSFET或IGBT，并可用于工作母線電壓低于500V的任意場合。IR2125驅(qū)動電路完全滿足本設(shè)計的要求，因此驅(qū)動模塊采用IR2125驅(qū)動電路，如圖3-6。圖3-6 IR2125驅(qū)動電路IR2125管腳圖如圖3-7所示：Vcc：輸入電源電壓。 IN：PWM信號輸入端。E

34、RR：誤差信號電壓，ERR端口和COM端口需接10PF電容。COM：接地端，和Vcc端之間接1uF電容。VB：高端浮動電源電壓，與Vcc端接自舉二極管。HO：高端浮動輸出電壓，需要串接100電阻接Mos管G極。CS：電流信號檢測電壓，接Mos管S極，主要用于檢測電流。Vs：高端浮動失調(diào)電壓，與CS端串接電阻接Mos管S極。串接電阻大小為R=0.23/Imax，Imax為輸出最大電流，本設(shè)計是0.5A，故電阻可以選用0.5。圖3-7 IR2125引腳圖3.3 單片機選型及介紹 單片機的選型STC89C52是由STC公司生產(chǎn)的一種低功耗，性能高、CMOS 8位的微控制器。STC89C52使用了經(jīng)典

35、的MCS-51的內(nèi)核，自身具有8K字節(jié)的系統(tǒng)可編程Flash存儲器，但STC公司自己做了很多改進，使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機不具有的功能，再加上低廉的價格，使該型號的單片機在國內(nèi)占據(jù)了很大的市場。考慮到本設(shè)計所需實現(xiàn)的功能大小以及單片機的價格等因素，本設(shè)計采用51系列的STC89C52單片機作為此次設(shè)計系統(tǒng)的核心芯片。 單片機STC89C52的特點本設(shè)計采用STC89C52單片機（圖3-8為單片機引腳圖），下面針對STC89C52做個簡單的介紹。STC89C52主要特性如下：(1)增強型8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。相對來說，程序編寫較簡單，能夠輕松掌握。 (2)通用I/O口

36、（32個）：P0.0P0.7為P0口的8位雙向口線。P1.0P1.7為P1口的8位雙向口線;內(nèi)部具有上拉電阻。P2.0P2.7為P2口的8位雙向口線;內(nèi)部具有上拉電阻。P3.0P3.7為P3口的8位雙向口線;內(nèi)部具有上拉電阻，還具有第二功能見表3-1（3）共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2。外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路。表3-1 P3口的第二功能口線第二功能信號名稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2INT0外部中斷0的申請P3.3INT1外部中斷1的申請P3.4T0定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入P3.5T1定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入P3.6WR外

37、部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通圖3-8-單片機引腳圖3.3.3 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計STC89C52的最小系統(tǒng)是指能夠讓單片機正常運行所具備的最小系統(tǒng)。如圖3-9為本設(shè)計中最小系統(tǒng)的設(shè)計。單片機最小系統(tǒng)是單片所組成的最小的組成單元，包括：MCU、復(fù)位電路、時鐘振蕩電路以及電源耦合電路；（1）復(fù)位電路：簡單的理解就是單片機程序的重新啟動按鍵，即程序重新從函數(shù)的第一塊執(zhí)行。復(fù)位電路通常存在兩種形式：上電復(fù)位、開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，給單片機的RESET引腳高電平，當(dāng)檢測到高電平時單片機復(fù)位。開關(guān)復(fù)位是人機交互的一個按鍵設(shè)置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)單片機程序跑飛或者想要在不斷電情況下重啟單片機，

38、它一般是通過按鍵來完成復(fù)位的。本設(shè)計采用上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位相結(jié)合。上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當(dāng)單片機已在運行中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。通常選擇C=10uf，R=10k。圖3-9 單片機最小系統(tǒng)(2)時鐘振蕩電路：單片機晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。選擇時鐘振蕩電路要根據(jù)實際情況和單片機的時鐘振蕩范圍來選擇。振蕩電路提供的是機器周期，是單片機運行的基本條件。（3）電源電路的設(shè)計圖3-9 最小系統(tǒng)的設(shè)計電源電路是將220V/AC轉(zhuǎn)5V/DC的供電模塊，分別為單片機、光耦和繼電器、冷卻風(fēng)扇供電。通過查閱相關(guān)

39、資料，電源電路設(shè)計首先確定兩種設(shè)計方案，一種是開關(guān)電源，一種是LM7805三端穩(wěn)壓電源，最終通過各自的特點與自己設(shè)計的要求相比較，確定最終方案為方案二LM7805三端穩(wěn)壓電源。電源電路設(shè)計方案比較，如下表3-2.表3-2 電源電路方案的選擇方案特點方案一：開關(guān)電源開關(guān)電源是通過開關(guān)電路內(nèi)部的功率器件并由功率變換技術(shù)來維持穩(wěn)定輸出的直流穩(wěn)壓電源。它重量輕，效率高，當(dāng)今電子產(chǎn)品的主流供電方式就是開關(guān)電源。它的工作原理相對來說比較復(fù)雜，先對電網(wǎng)輸入的電流進行濾波處理，再通過PWM技術(shù)調(diào)整輸出電壓。因而此方案難以實現(xiàn)，故不采用此方案。方案二：LM7805三端穩(wěn)壓電源單片機控制系統(tǒng)供電采用LM7805三

40、端穩(wěn)壓器件，通過橋式整流，然后進行濾波穩(wěn)壓，可提供精度高、穩(wěn)定性好的5V直流給單片機。電路和元器件也比較簡單，容易實現(xiàn)。如圖3-10所示電路為輸出電壓5V、輸出電流1.5A的直流穩(wěn)壓電源。該電路是由220V市電電源、變壓器圖T2、整流橋D1、濾波電容C1、C3，防止自激電容C2、C4和固定式三端穩(wěn)壓器LM7805構(gòu)成。圖3-10 220V交流轉(zhuǎn)5V直流電路 該整流電路的工作原理：220V的交流市電先是經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)變成12V的交流低壓電，12V的交流電源再經(jīng)過橋式整流電路D1和濾波電容C1的整流和濾波，輸出一個不穩(wěn)定的直流電壓。此不穩(wěn)定的直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓塊和C3的再次濾波，就會在輸

41、出端輸出精度高、穩(wěn)定度好的5V直流電壓。該整流電路能夠輸出穩(wěn)定的5V電源，在本設(shè)計中作為低壓控制模塊的電源，包括單片的電源，繼電器，小型冷卻用風(fēng)扇和顯示模塊電源等。3.4 光耦隔離控制模塊的設(shè)計光耦隔離的作用是（1）將高壓電源電路與低壓控制電路通過光電隔離，防止高壓高頻對控制電路的信號干擾；（2）通過光電隔離將高壓電路由低壓電路控制，防止人為直接接觸高壓能夠降低觸電的風(fēng)險。圖3-11 光耦隔離電路連接圖 由于整個電路設(shè)計包括工作在5V電壓下的控制電路和工作在4100V電壓下的產(chǎn)生微波的電路兩個電路，兩者工作電壓懸殊且微波發(fā)生部分工作電流接近10A。為保證控制電路和操作者的安全，因此需要有光耦合

42、隔離控制模塊作為高低壓部分的隔離。如圖3-11為本次設(shè)計的光耦隔離的電路圖。光耦隔離電路的原理就是向光耦合器輸入一定的電信號，驅(qū)動集成的發(fā)光二極管發(fā)出能被光探測器接收識別的，一定波長的光，并將此光轉(zhuǎn)化為光電流，最后經(jīng)過放大后輸出。經(jīng)過一個電能-光能-電能的能量轉(zhuǎn)換，通過光實現(xiàn)高壓和低壓的實際電路連接。光耦合器之所以具有良好的絕緣能力和抗干擾能力，一是因為它的輸入輸出互相隔離；再者就是因為電信號的傳輸具有單向性；另外光耦合器的輸入端屬于電流型工作的、低阻元件具有很強的共模抑制能力。如圖3-12所示，在本次設(shè)計中使用的是PC817是日本夏普生產(chǎn)的一款光電耦合器。PC817是一款單通道光耦合晶體管芯

43、片，其DIP封裝型有4個針腳，隔離電壓5000V，輸出電壓小于55V，要求輸入電流小于50mA，因此完全可滿足本次設(shè)計的要求。PC817光耦隔離芯片內(nèi)部電路圖及外形如圖所示，管腳1為發(fā)光二極管陽極，管腳2為二極管陰極，管腳4分別為光敏三極管發(fā)射極，管腳3為集電極，當(dāng)電流流過二極管時，二極管被點亮，光敏三極管收到光輻射后，具有光敏特性的PN結(jié)受到光輻射時，形成光電圖3-12 光耦實物圖與引腳圖流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個放大了相當(dāng)于倍的信號電流。PC817的極限參數(shù)：正向電流（ICEO）：50mA 峰值正向電流（ICE max）：1A反向電壓：6V 功耗：7

44、0mW集電極發(fā)射極電壓：35V 發(fā)射極集電極電壓：6V集電極電流：50mA 集電極功耗：150mW總功耗：200mW 集電極發(fā)射極飽和電壓：0.1V（典型值）截止頻率：80kHz 電流傳輸比：50%600% 3.5 鍵盤輸入和液晶顯示電路 鍵盤輸入電路方案的選擇鍵盤電路的方案的選擇，如下表3-3。表3-3鍵盤輸入電路方案的選擇方案特點檢測原理方案一：獨立式按鍵如圖3-13獨立式按鍵在按鍵較少時占用較少的IO口，當(dāng)按鍵較多時，獨立按鍵使用的IO口較多。優(yōu)點是獨立按鍵設(shè)置靈活，可以使IO分散配置，方便操作。便于靈活配置硬件電路。獨立按鍵的檢測比較簡單，獨立式分別檢測，分別配置按鍵功能。在不被按下的

45、情況下按鍵對應(yīng)的IO為高電平，按下時吧對應(yīng)IO電平拉低，從而檢測。方案二：矩陣式按鍵如圖3-14在按鍵數(shù)目較多時通過矩陣批量定義，會占用較少的IO口，但是編程的復(fù)雜程度要增高。矩陣鍵盤的檢測，簡單的說就是分行分列和分高/低電平來檢測：（1）給四行中三行為高電平，剩下一行為低電平，檢測列對應(yīng)的IO口的電瓶，當(dāng)檢測到某一列對應(yīng)的IO為低時，有鍵按下，所按下的鍵位低電平所對應(yīng)的行和檢測到高電平所對應(yīng)的列，十字相交的按鍵。圖3-13 獨立式按鍵圖3-14 矩陣按鍵本設(shè)計中，所需按鍵數(shù)量較多，包括微波爐的輸入端，火力選擇、模式選擇和時間設(shè)定等操作要求，故選用矩陣鍵盤。如圖3-14所示,本次設(shè)計中采用89

46、C52單片機的并行口P1接4×4矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作行輸入線，以P1.4P1.7作列輸入線。本次設(shè)計中共設(shè)定了四個自定義檔位，分為A檔（大火）、B檔（中火）、C檔（底火）、D檔（小火），分別對應(yīng)S5S8，另外設(shè)定了四個智能選擇菜譜按鍵S9S12，S13和S14分別設(shè)置為暫停鍵和啟動鍵，設(shè)置時間按鍵為S2S3，當(dāng)S2按一下時，S3為分鐘加，S4為分鐘減；當(dāng)S2按第二下時，S3為秒鐘加，S4為秒鐘減；S1為開始鍵。鍵盤操作說明表3-1所示：表3-4按鍵功能鍵號名稱功能S1控制鍵按下進入控制頁面S2自定義鍵自定義設(shè)置時間S3加鍵按下分或秒加1S4減鍵按下分或秒減1S5檔位鍵A檔S

47、6檔位鍵B檔S7檔位鍵C檔S8檔位鍵D檔S9烹飪設(shè)置為A檔，時間為8分鐘S10蒸魚設(shè)置為C檔，時間為20分鐘S11燒烤設(shè)置為D檔，時間為15分鐘S12牛奶或咖啡設(shè)置為B檔，時間為2分鐘S13暫停鍵按下暫停工作S14啟動鍵按下啟動工作S15重置鍵按下重新設(shè)置工作模式 顯示電路方案的選擇方案一：采用LED數(shù)碼管圖3-15數(shù)碼管LED數(shù)碼管各種各樣，但顯示方式主要分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)顯示也稱之為直流驅(qū)動，這時單片機的每個I/O口都直接驅(qū)動一個數(shù)碼管的一個段選。這種顯示方式編程簡單，數(shù)碼管顯示亮度高，但太占用單片機資源。動態(tài)顯示應(yīng)用最為廣泛。動態(tài)顯示利用了人的視覺暫留的現(xiàn)象?？焖俚膾呙钄?shù)碼管公

48、共驅(qū)動端來達到顯示的目的。這樣能節(jié)省大量的I/O口，而且功耗特別低。但無論采用何種顯示方式，當(dāng)顯示數(shù)字特別多的時候使用的數(shù)碼管數(shù)量也必然會大幅度增加，這就容易造成連線復(fù)雜，編程也會隨之變得復(fù)雜。圖3-15為數(shù)碼管。方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯示點陣式數(shù)碼管是由八行八列特定的發(fā)光二極管組成的，這種顯示方式很是常見，比如廣告牌，大型電子屏等，但用在該計步器中體積太大非常不合適，不符合便于攜帶的設(shè)計方案。圖3-16為點陣式數(shù)碼管顯示。圖 3-16點陣式數(shù)碼管方案三：采用LCD液晶顯示屏圖3-17液晶顯示屏液晶顯示屏的顯示功能十分強大，可以顯示文字、數(shù)字、甚至圖形。而且顯示清晰，與傳統(tǒng)的數(shù)碼管相比，在亮

49、度和清晰度都有了很大的提高，并且如今液晶顯示已經(jīng)成為主流顯示方式，被人們普遍歡迎接受。而且液晶連接方式簡單，容易控制，很適合本設(shè)計。圖3-17為液晶顯示屏。本次設(shè)計的微波爐控制器系統(tǒng)要顯示各種工作模式、微波爐火力檔的設(shè)定、預(yù)約時間和工作時間等圖文復(fù)雜的信息，故選擇液晶顯示器作為顯示模塊較為方便。本系統(tǒng)采用的是LCD1602的液晶顯示器。下面對LCD1602做簡單的介紹說明：圖3-18 LCD1602液晶顯示 LCD1602液晶（圖3-18）以5V電壓驅(qū)動，帶背光，每行16個字符，不能顯示漢字，內(nèi)置128個字符的ASCII字符集字庫。LCD1602接口信號說明如表3-5所示表3-5 LCD160

50、2液晶接口信號說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)口2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)口3VO液晶顯示對比度調(diào)節(jié)11D4數(shù)據(jù)口4R/S數(shù)據(jù)/命令選擇(H/L)12D5數(shù)據(jù)口5R/W讀/寫選擇（H/L）13D6數(shù)據(jù)口6E使能信號14D7數(shù)據(jù)口7D0數(shù)據(jù)口15BLA背光電源正極8D1數(shù)據(jù)口16BLK背光電源負極（1） 基本操作時序讀狀態(tài) 輸入：R/S=L，R/W=H，E=H 輸出：D0D7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù) 輸入：R/S=H，R/W=H，E=H 輸出：無寫指令 輸入：R/S=L，R/W=L，D0D7指令碼，E=高脈沖 輸出：D0D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 輸入：R/S=H，R/W=L，D0D7

51、=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 輸出：無（2） 顯示地址LCD1602字符液晶顯示課分為上下兩部分各16位顯示，處于不同行時的字符顯示如表3-6所示。表3-6LCD1602液晶顯示器的地址顯示123456789101112.第一行00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH.第二行40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH4BH.本次設(shè)計中LCD1602的D0D7端口分別于單片機的P2.0P2.7端口相連，RS、RW以及E端口分別由單片機的P0.5P0.7端口控制。3.6 蜂鳴器電路除此之外，還設(shè)計了蜂鳴器驅(qū)動電路（圖3-19），當(dāng)微波電路啟動或停止時

52、會有聲音提示，來提示微波爐當(dāng)前的工作狀態(tài)，從而使得整個系統(tǒng)顯得更加人性化。此電路由單片機的P3.7端口控制，通過P3.7口控制三極管的通斷來導(dǎo)通蜂鳴器回路。圖3-20 風(fēng)扇冷卻電路原理圖圖3-19 蜂鳴器電路3.7 風(fēng)扇冷卻電路圖3-20 風(fēng)扇冷卻原理圖微波爐磁控管的風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)是保證微波爐正常工作的重要措施之一，其風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、安裝位置都有嚴格的要求。在微波爐正常工作時，由于磁控管的陽極功耗極大，要產(chǎn)生大量的熱量，進而影響微波發(fā)射。為使磁控管能夠安全工作，常采用設(shè)置風(fēng)扇的方法進行強制冷卻。在本次設(shè)計中，風(fēng)扇冷卻原理圖如圖3-20，是通過單片機P3.6端口控制繼電器吸合從而導(dǎo)通風(fēng)扇的5V電源回路，

53、控制風(fēng)扇的工作狀態(tài)。4 軟件設(shè)計本微波爐控制系統(tǒng)設(shè)計是基于STC89C52微控制器來實現(xiàn)，所以程序設(shè)計必然是系統(tǒng)的靈魂所在，決定了這個系統(tǒng)的功能和性能。本章我們將對微波爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分進行詳細介紹。4.1 主程序流程圖主程序負責(zé)與各個子程序模塊的通信，這其中主要包括掃描矩陣鍵盤的操作、液晶顯示屏的界面顯示以及散熱風(fēng)扇和蜂鳴器的啟停工作。用戶通過矩陣鍵盤來選擇烹飪方式和時間或者直接選擇預(yù)設(shè)的烹飪模式。液晶顯示模塊主要顯示微波爐待機狀態(tài)、工作方式、烹飪時間。散熱風(fēng)扇只有在微波爐功能工作時才工作，在待機、設(shè)置、重置、暫停時都會停止工作。蜂鳴器單片機在上電、設(shè)置、暫停、烹飪結(jié)束時會有聲音提示，

54、在微波爐正常工作期間不會有聲音提示。微波爐上電后，蜂鳴器會有聲音提示，各個模塊進行初始化，液晶屏1602處于顯示待機狀態(tài)。此時單片機內(nèi)部在不停調(diào)用鍵盤掃描子程序，首先確認設(shè)置鍵是否按下，這時也會有蜂鳴器聲音提示，然后根據(jù)用戶按鍵信息讀取用戶程序，同時調(diào)用液晶顯示子程序顯示用戶按鍵信息（包括工作模式、工作方式、工作時間）。這時的單片機就會等待啟動鍵的按下，如果啟動鍵按下，同時單片機會不斷檢測重置鍵是否按下，如果按下則會回到等待用戶重新選擇工作方式和時間或模式，如果重置鍵沒有按下，則按照用戶的選擇執(zhí)行相應(yīng)的程序。這時，單片機還在不停調(diào)用鍵盤子程序檢測暫停鍵的狀態(tài)，沒有按下，繼續(xù)執(zhí)行程序，按下則等待

55、重新啟動鍵的按下。如果啟動鍵沒有按下就會繼續(xù)等待。直到烹飪結(jié)束，蜂鳴器聲音提示，散熱風(fēng)扇停止工作，微波爐完成此次烹飪工作，等待用戶再次使用。流程圖如圖4-1所示：圖4-1 主程序流程圖4.2 PWM波控制子程序在本次設(shè)計的微波爐控制系統(tǒng)中，定時T0初值設(shè)置為50ms，而PWM波的周期設(shè)置為2000ms，因此需要循環(huán)四次即可。此微波中預(yù)設(shè)有A、B、C、D四個檔位，對應(yīng)PWM波的占空比分別為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 (