微波炉控制器的设计.docx

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微波炉控制器的设计

主要

研究

内容

目标

特色

本文主要给出基于单片机控制的可编程的微波炉定时系统。

除了可以实现常规的火力大小选择和定时控制基本功能之外，又用步进电机模拟微波炉的转盘。

该设计由数码管显示时间，发光二极管显示火力大小，时间结束时蜂鸣及步进电机模拟微波炉的转盘等模块构成。

成果

描述

通过调试后可以实现常规的火力大小选择和定时控制基本功能，并且可以用步进电机模拟微波炉的转盘。

成果

价值

在现代生活中，微波炉已经成为生活的一部分，因此有较大的研究价值。

开展本课题的意义及工作内容：

在现代人快节奏生活中，微波炉已经成为便捷生活的一部分。

随着控制技术和智能技术的发展，微波炉也向着智能化、信息化发展。

本文主要给出基于单片机控制的可编程的微波炉定时系统。

除了可以实现常规的火力大小选择和定时控制基本功能之外，又用步进电机模拟微波炉的转盘。

该设计由数码管显示时间，发光二极管显示火力大小，时间结束时蜂鸣及步进电机模拟微波炉的转盘等模块构成。

本设计的主要工作内容是通过学习定时和步进电机驱动，结合所学的课程设计出微波炉控制器。

通过设计掌握微波炉控制器的设计原理与方法。

一、课题工作的总体安排及进度：

第一周：

收集资料。

第二周：

选好研究课题，并写好开题报告。

第三周至第四周：

电路设计与仿真，通过分析仿真结果分析改进电路。

第五周至第七周：

领取元件进行电路制作与焊接以及调试。

第八周：

在指导老师的指导下撰写毕业论文。

第九周：

准备答辩。

二、课题预期达到的效果：

本论文同时还设计了手动按键来进行定时，有开关按键、加减键、火力大小选择键。

加减键用来控制微波炉烹调时间，即数码管显示时间。

当火力大小选择键按下时，系统就自动显示代表相应火力大小的发光二极管发光。

当烹调的时间到了，微波炉除了会蜂鸣提醒用户烹调时间到了之外，还会在完成烹调后自动断电停止工作。

并且控制步进电机的运转，来实现微波炉转盘的模拟运行。

二、文献综述

现有市售的微波炉其主要弊端为:

不能按既有程序进行烹调,在节能方面也未做过多考虑。

烹调经验告诉我们,家常菜大多可按固定程序烹调、炖肉、煮饭、烘烤。

若采取分时、分档火力加热,则可节能。

微波炉控制系统功能比较齐全,在火力档位设了解冻、烹调、烘烤、保温、自定义加热、自定义烹调以及按给定程序烹调等七种主要功能,其中程序烹调共设置了八种不同的烹调流程,供用户选择。

在控制方面,实现了智能化,信息化管理,并且具有密码开锁功能,即只有知道相应模式键继续运行的号码的人,才能对该机进行操作等等功能。

STC12C5404AD单片机是具有全新流水线和精简指令集结构的高速率、低功耗新一代单片机。

它带有8路10位精度ADC、4路PWM/PCA（可编程计数器阵列）、SPI同步通信口以及内部集成的MAX810专用复位电路。

这些特点不但增加了开发者的使用灵活性，同时还可以帮助用户减小PCB尺寸和系统成本。

此外，STC12C5404AD型处理器还可以通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，从而使其适合于在系统（ISP）及在应用（IAP）中编程，因而可为许多计算密集的嵌入式控制应用领域提供功能强大、使用灵活且性价比高的解决方案。

STC12C5404AD是STC系列单片机，采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令集，片内含有10KBFlash程序存储器，2KBFlash数据存储器，512BRAM数据存储器，同时内部还有看门狗（WDT）；片内集成MAX810专用复位电路、8通道10位ADC以及4通道PWM，具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP），片内资源丰富、集成度高、使用方便。

STC12C5404AD对系统的工作进行实施调度，实现外部输入参数的设置、蓄电池及负载的管理、工作状态的指示等。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。

只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来J21,J22的位置,使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

同时常开触点断开。

这样选用合适的继电器就可以用小电压和电流控制大功率的设备,由于控制部分和触点电气绝缘,就比较方便和安全。

继电器有2个常开接点。

当产生较短时间的红外信号时,Q2经延时导通,C点为高电平,此时Q5导通,继电器动作,其接点J21,J22同时吸合,J22接通被控制的电器电源,J21闭合使继电器不通过Q2就继续吸合,这种情况通常称为“自锁”。

所以这时即使RI不再收到信号,因电源经R11向Q5提供偏置,故Q5一直保持导通。

当接收到较长时间的红外信号时,Q3导通,使得Q4导通这时Q5强迫截止,继电器中的磁感应线圈没有电流通过,衔铁释放。

被控电器电源断开,其接点J21,J22断开。

步进电机作为控制执行元件，响应速度快、定位精度高、无积累误差、驱动电路及控制方法简单，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

但步进电机系统仍存在一些缺陷：

低频共振、低速运行平稳性较差；高速运行的快速响应能力较差、易失步、效率较低等。

目前普遍认为最有效的解决方法是细分法。

常用的细分法是用单片机实现或将细分参数存在EPROM类非易失性存储器中通过逻辑电路实现细分输出。

然而此类方法存在单片机易受电机干扰，电路复杂、调试及研发周期较长等缺点。

本文提出一种利用FPGA设计技术实现步进电机控制电路的方案，具有修改方便，使用灵活，可靠性高，可移植性强等优点。

步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，通过输入脉冲信号来进行控制，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由各类控制器来产生。

其基本工作原理如下：

①控制换相顺序，通电换相。

这一过程称为“脉冲分配”。

例如：

四相步进电机的单四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D。

通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相的通断，控制步进电机的转向。

如果给定工作方式正序换相通电，则步进电机正转；如果按反序换相通电，则电机就反转。

这样就可以通过控制脉冲“相位”来改变定子绕组的通电顺序，从而达到控制电机正反转的目的。

②控制步进电机的速度。

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。

调整控制器发出的脉冲频率，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机技术参数

步进电机有一个重要的技术参数：

空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下，启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频。

因此步进电机低速启动运转，若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

步进电机细分驱动原理

所谓细分驱动就是把机械步距角细分戍若干个电的步距角，当转子从一个位置转到下一个位置的时候，会出现一些“暂态停留点”，这样使得电机启动时的过调量或者停止时的过调量就会减小，电机轴的振动也会减小，使电机转子旋转过程变得更加平滑，更加细腻，从而减小了噪声。

步进电机的细分控制从本质上讲是对步进电机的励磁绕组中的电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。

相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。

要想实现对步进电机步距角均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流，使步进电机内部合成磁场的幅值恒定；每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化要均匀。

步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角，提高电机运行的平稳性增加控制的灵活性等。

步进电机驱动原理

步进电机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的精密执行元件,它不能直接与交直流电源相连,而只能使用专用的步进电机控制器。

L297/298混合驱动电路

L297单片步进电机控制器集成电路适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机控制。

L297输出信号可控制L298双H桥驱动集成电路,用来驱动电压为46V,每相电流为2.5A以下的步进电机。

L297的核心是脉冲分配器。

它产生三种相序信号,对应三种不同的工作方式,分别为半步（HALFTEP）方式,基本步距（FULLSTEP,整步）一相激励方式,基本步距两相激励方式。

脉冲分配器内部是一个3bit可逆计数器,加上一些组合逻辑,产生每周期八步格雷码时序信号,此时HALF/FULL设置为低电平,即半步工作方式的时序信号。

也可以选择基本步距工作方式,即双四拍全阶梯工作方式,此时HALF/ULL设置为低电平。

L297设有两个PWM斩波器,目的是控制相绕组电流,实现斩波控制,以获得良好的转矩2频率特性。

每个斩波器由一个比较器、一个RS触发器和外接采样电阻组成,并设有一个公用振荡器,向两个斩波器提供触发脉冲信号。

脉冲频率f是由外接RC网络决定的,当R>10KΩ欧时,f=1/0.69RC。

振荡脉冲使触发器置“1”,电机绕组相电流上升,采样电阻Rs的电压上升到基准电压Vref时,比较器翻转,使触发器复位,功率开关关断,电流下降。

等待下一个振荡器脉冲的到来。

这样,触发器的输出是恒频的PWM信号,调制L297的输出信号。

相绕组电流峰值由Vref来整定。

L298是双H桥高电压大电流功率集成电路,可驱动继电器、线圈、直流电机和步进电机等电感性负载。

输入为标准的TTL逻辑电平信号,用来控制H桥的开与关。

L298集成芯片为具有15个引脚的多瓦数直插式封装,由于发热量大,要加装散热器。

数码管的驱动分为动态驱动和静态驱动两种。

[9]所谓静态驱动，就是将数码管每个LED灯对应一个I/O口，通过单片机的端口来控制LED灯的亮和灭。

I/O口之间互相独立。

这样的优点是驱动很简单，只需要用I/O口直接控制LED.一般来说，静态驱动比动态驱动占用的I/O口多。

但静态驱动方式简单不容易出错。

步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，进行调速。

步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机,包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5°或15°；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为１.5°,但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8°，而五相步进角一般为0.72°。

与静态显示方法不同，动态显示驱动的设计方法是将数码管的驱动端一对一连接在一起接单片机的数据口，而将各个数码管的公共端单独送至单片机的I/O进行片选。

通过片选信号依次点亮各个数码管，由于人眼有视觉暂留的特性，因此如果第一个数码管灭和第二个数码管亮之间的时间足够短，人眼是感觉不出数码管的变化的。

微波炉控制器的设计

【摘要】在现代人快节奏生活中，微波炉已经成为便捷生活的一部分。

随着控制技术和智能技术的发展，微波炉也向着智能化、信息化发展。

本文主要给出基于单片机控制的可编程的微波炉定时系统。

除了可以实现常规的火力大小选择和定时控制基本功能之外，又用步进电机模拟微波炉的转盘。

该设计由数码管显示时间，发光二极管显示火力大小，时间结束时蜂鸣及步进电机模拟微波炉的转盘等模块构成。

引言………………………………………………………………………………………3

1、系统总体设计………………………………………………………………………3

1.1设计要求……………………………………………………………………………………3

1.2系统组成方框图……………………………………………………………………………3

2、芯片性能特点介绍…………………………………………………………………4

2.1单片机STC12C5404AD………………………………………………………………………4

2.2高耐压、大电流达林顿陈列－ULN2003……………………………………………………4

2.3四位数码管…………………………………………………………………………………6

2.4继电器JRC-21F（4100）……………………………………………………………………6

2.5步进电机M42SP-5…………………………………………………………………………7

3、系统硬件设计………………………………………………………………………8

3.1显示模块……………………………………………………………………………………8

3.2按键电路……………………………………………………………………………………8

3.3蜂鸣模块……………………………………………………………………………………8

3.4火力档位选择模块…………………………………………………………………………9

3.5步进电机驱动模块…………………………………………………………………………10

4、系统软件设计……………………………………………………………………11

4.1主程序流程图……………………………………………………………………………11

4.2按键扫描流程图…………………………………………………………………………12

4.3定时0中断流程图………………………………………………………………………14

4.4定时1中断流程图………………………………………………………………………15

5、系统测试及分析…………………………………………………………………15

6、结论………………………………………………………………………………16

致谢词…………………………………………………………………………………16

参考文献………………………………………………………………………………16

附录……………………………………………………………………………………17

1.protel原理图………………………………………………………………………………17

2.PCB图………………………………………………………………………………………17

3.元件清单……………………………………………………………………………………18

4.程序清单……………………………………………………………………………………18

引言

微波炉是一种用微波加热食品的现代化烹调灶具。

在现代生活中，微波炉已经成为生活的一部分。

烹调经验告诉我们,家常菜大多可按固定程序烹调、炖肉、煮饭、烘烤。

[1]人们可以利用微波炉进行加热，烹调等等。

用户只要按照固定的程序，如选择好分档火力，设定好时间，就可以开始进行烹调。

等时间到了，食物也就烹制完成。

本设计拥有微波炉简单的定时控制系统，并且控制步进电机的运转来实现微波炉的模拟运行。

1、系统总体设计

1.1设计要求

应用单片机STC12C5404AD的I/O端口P1.0～P1.7驱动数码管显示，而单片机INT0（外部中断0）和INT1（外部中断1）控制数码管显示前两位（我用的是四位是数码管）。

另外的I/O端口P2.5～P2.7控制发光二极管低电平点亮。

定时值可以通过手动按键调节且结果直接在两位数码管上显示出来。

单片机STC12C5404AD端口P2.4引脚连接到蜂鸣器驱动电路，控制蜂鸣器蜂鸣。

本论文同时还设计了手动按键来进行定时，有开关按键、加减键、火力大小选择键。

加减键用来控制微波炉烹调时间，即数码管显示时间。

当火力大小选择键按下时，系统就自动显示代表相应火力大小的发光二极管发光。

当烹调的时间到了，微波炉除了会蜂鸣提醒用户烹调时间到了之外，还会在完成烹调后自动断电停止工作。

并且控制步进电机的运转，来实现微波炉转盘的模拟运行。

1.2系统组成方框图

图1-1系统模块组成方框图

2、芯片性能特点介绍

2.1单片机STC12C5404AD

STC12C5404AD单片机是具有全新流水线和精简指令集结构的高速率、低功耗新一代单片机。

它带有8路10位精度ADC、4路PWM/PCA（可编程计数器阵列）、SPI同步通信口以及内部集成的MAX810专用复位电路。

[2]这些特点不但增加了开发者的使用灵活性，同时还可以帮助用户减小PCB尺寸和系统成本。

此外，STC12C5404AD型处理器还可以通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，从而使其适合于在系统（ISP）及在应用（IAP）中编程，因而可为许多计算密集的嵌入式控制应用领域提供功能强大、使用灵活且性价比高的解决方案。

STC12C5404AD是STC系列单片机，采用RISC型CPU内核，兼容普通8051指令集，片内含有10KBFlash程序存储器，2KBFlash数据存储器，512BRAM数据存储器，同时内部还有看门狗（WDT）；片内集成MAX810专用复位电路、8通道10位ADC以及4通道PWM，具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP），片内资源丰富、集成度高、使用方便。

[3]STC12C5404AD对系统的工作进行实施调度，实现外部输入参数的设置、蓄电池及负载的管理、工作状态的指示等。

图2-1单片机STC12C5404AD引脚排列

2.2高耐压、大电流达林顿陈列－ULN2003

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

该电路的特点如下：

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。

表2-1和表2-2分别是ULN2003的极限值和电特性（若无其它规定，Tamb=25℃）。

图2-2ULN2003方框图

表2-1极限值（若无其它规定，Tamb=25℃）

表2-2电特性（若无其它规定，Tamb=25℃）

2.3四位数码管

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字。

内部的四个数码管共用a～dp这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有四个数码管，所以它有四个公共端，加上a~dp，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。

引脚排列依然是从左下角的那个脚（1脚）开始，以逆时针方向依次为1～12脚，下图中的数字与之一一对应。

图2-3四位数码管的内部结构图

2.4继电器JRC-21F（4100）

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。

可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。

具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。

广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点弹簧等组成。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

同时常开触点断开。

[4]这样选用合适的继电器就可以用小电压和电流控制大功率的设备，由于控制部分和触点电气绝缘，就比较方便和安全。

2.5步进电机M42SP-5

步进电机作为控制执行元件，[5]响应速度快、定位精度高、无累积误差、驱动电路及控制方法简单，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械等领域。

步进电机在控制系统中具有广泛的应用。

[6]它可以把脉冲信号转换成角位移，并且可用作电磁制动轮、电磁差分器、或角位移发生器等。

步进电机是将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移的精密执行元件,它不能直接与交直流电源相连,而只能使用专用的步进电机控制器。

现在比较常用的步进电机,包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5°或15°；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为１.5°,但噪声和振动都很大。

反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。

[7]它又分为两相和五相：

两相步进角一般为1.8°，而五相步进角一般为0.72°。

步进电机M42SP-5为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。

只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。

图1是该四相反应式步进电机工作原理示意图。

图2-4 四相步进电机步进示意图

开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

　　当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

    四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。

八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高