可编程微波炉控制系统设计

2004年山东省大学生电子设计竞赛题目：可编程微波炉控制系统设计（E题）编号：E乙1204参赛学生：刘均强徐甜甜张显松指导教师：刘文江肖海荣赵永林所属学校：山东交通学院专业：电气工程及其自动化2004年9月13日可编程微波炉控制系统设计（E题）摘要：设计制作了一个可编程微波炉控制电路，具有三档微波加热功能，分别是烹调、烘烤、解冻。

系统的控制部分以8位单片机为核心，通过功能设置和数据输入，完成不同功能时自动以不同火力档位加热。

在发挥部分，该系统能够根据食物的不同自动按一定时序规律加热，在环境温度降低或食物重量较大时，能够自动延长加热时间，而当微波炉内没有任何食物时微波炉能自动识别，不进行加热，具有智能和信息控制功能。

加热完毕，有声音报警和语音提示。

关键词：可编程微波炉，单片机，智能控制和信息控制本系统要求设计制作一个微波炉控制电路，具有三档微波控制功能，分别表示微波加热为烹调、烘烤、解冻，实验中用LED模拟。

示意图如下：图1 系统功能模块图1 设计方案包括基本要求，发挥部分及其它创新部分图2 系统总体框图1．1 基本要求1、制定一个在不同功能时火力的控制时序表。

具有三档微波加热功能，分别表示微波炉工作状态位烹调，烘烤，解冻，试验使用模拟显示。

2、实现工作步骤：复位待机检测显示电路设置输出功能和定时器初值启动定时和工作开始结束烹调（烘烤、解冻），音响提示。

3、在上电或手动按复位键时，控制器输出的微波功率控制信号为0，微波加热处于待机状态，时间显示为00.004、具有4位时间预置电路，按键启动时间设置最大预设数为99分99秒。

5、设定初值后，按开启键，一方面按选择的档位启动相应的微波加热；另一方面使计时电路以秒为单位做倒计时。

当计时到时间为0，则断开微波加热器，并给出声音提示，扬声器输出2—3秒的双音频提示音。

6、在待机状态时按测试键，则四位数码管交替显示全亮和全灭两种状态，以监测数码管各发光管段的好坏。

1．2 发挥部分和创新部分1、微波火力档位的增加。

2、输出显示方面的扩展。

3、实现智能控制和信息控制。

1．3 根据基本要求和发挥部分我们作了如下设计及创新工作：1．3．1制定了一个在不同功能时火力的控制时序表，见表1。

设置了8个键盘，其中3个用来设置微波炉的三种工作状态，即：烹调，烘烤, 解冻，实验使用条柱形LED 模拟显示火力控制；另外5个实现时间输入等其他功能。

表1 不同功能时的加热时序表1.3.2在火力档位增加方面（1）增加了一个火力控制键，每按一次火力控制键，火力递减12.5%，按到最小火力时再按键，火力变为最大，即该键盘具有循环控制功能。

键盘火力控制表见表2。

表 2火力及相应的输出功率(2)在自动烹调、烧烤、解冻的火力时序表中增加火力功能。

由原来的三档（高火，中火，低火）增加到五档：高火，中高火，中火，中低火，低火。

1.3.3在输出显示方面(1)对显示内容也进行了扩展,原来只显示时间的分和秒。

显示格式：MM.SS,在扩展部分我们同时显示环境温度,分钟和秒。

显示格式为:TT.MM.SS.(2)预留扩展液晶显示的端口,可通过液晶显示有关文字和图形，使之更加人性化。

1.3.4在智能控制和信息控制方面所作的创新工作(1)增加了“热剩菜”,“烤面包”等自动加热功能.加热时间—加热功率的关系在离线下根据实际情况经过反复研究修改而成。

例如：当按下“热剩菜”键时，将按照离线设定的热剩菜规律对剩菜进行加热，不再需要人工干预，并节约电能。

当按下“烤面包”键时，将按照离线设定的烤面包的规律对面包进行烧烤。

(2)增加了对环境温度进行测量并显示的功能。

当环境温度很低时，将对上面（1）所述的自动加热功能的加热时间进行延长，修改了相应的时间—功率关系，系统将按照新的时间-功率关系自动加热。

(3)增加检测食品有无功能，保证微波炉不能空载运行。

即：微波炉内无食物时不能启动加热功能。

这样做非常有意义，保护了微波炉的使用安全。

2 硬件单元电路的方案论证与电路参数计算2．1 定时器选择方案一：采用传统的机械式定时，定时时间通过机械旋钮来控制。

该方法操作简单，对设定时间只要旋转到相应的位置即可。

但由于机械式定时容易磨损，定时精度低，也不能实现一些复杂的功能。

特别是一些人性化的界面设计无法实现。

方案二：采用小规模集成元件定时，比如用计数器/分频器，该方法价格便宜，但是接线复杂，设计也比较困难，对时序要求比较高。

该方案功能单一，也无法实现复杂功能，扩展麻烦。

也不能实现一些人性化的界面设计。

方案三：采用单片机的定时器定时。

由于当前市场上的单片机都内含定时器计数器，所以用单片机定时比较方便。

另外，单片机能够实现复杂功能，能够设计出友好的人机界面接口，价格也比较便宜，单片机定时比较准确，性价比很高。

综上所述，定时部分我们采用单片机的定时器来实现。

2．2 键盘显示部分由于该微波炉控制系统用到的键盘较多，所以对键盘的设计非常重要。

单片机键盘显示系统设计一般有如下几种方案：方案一：采用并行口扩展芯片扩展并行口的方法来设计键显系统。

用来做键显系统的传统的芯片有8155、8255、8279等。

这种方式的优点是速度快，显示数据简单，缺点是，占用单片机口线多。

由于本系统的“火力”加热由多个发光二极管来模拟，所以，占用口线较多。

显然，在本系统中不宜采用。

方案二：采用串行口方法。

利用串行口的移位寄存器功能可以实现串行显示。

这种方法的优点是具有接口少、连线少等优点，在传输速度满足需要的情况下不失为一种优选的方案。

由于本系统用到的口线较多，且传送数据量不大，为了实现更多的功能我们采用了串行口显示。

串行显示的电路图如图3所示。

2．3 音响控制部分本系统要求扬声器能够给出声音提示，输出2—3秒的双音频提示音。

我们采用555振荡器实现双音频输出。

电路如图4所示。

U?图3串行口显示电路图4 555组成双音频输出电路 该电路的元件选取及参数选择如下：（1） 由于使双音频控制，一个高音一个低音，一个频率约为另一个的50%，所以选取统一电容值即可，我们选用C 1=0.1UF,产生不同的频率依据选配不同的电阻来实现，其中高音频时，选取 R 1=2K,R 2=6.8K 则f H =1/(R 1+2R 2)C 1Ln2 KHZ = 925HZ低音频时，选取 R 1 = 3.3K,R 2 = 10K,故f l =1/(R 1+2R 2)C 1Ln2KHZ = 622HZ (2)占空比D:D = (R1+R2)/(R1+2R2) ，应当接近50%虽然可以用带有二极管的电路使D 可以很接近50%，但结构复杂，而且二极管的动态电阻影响频率计算，调节起来很麻烦，为此，选用R1较小，而R2较大的参数。

对FHD =(2+6.8)/(2+2x0.8)=55.7%对fLD =(3.3+10)/(3.3+2x10)=57.1% D也较接近50%，音质较好。

（2） C2的选取：只要C2对NE555 输出中的基频有足够小的阻抗即可，选取C2=47uf,喇叭的阻抗为8，对低音FLZ CL =1/ 2πfLC2=1/2π622x47=5.44Ω对高音FHZCH =1/2πfhC2=3.65Ω,由于喇叭是感性负载，而ZCL ,Z CH与感抗部分抵消，对电流起限制作用的主要阻抗是喇叭的电阻和两个5Ω电阻，喇叭中的电流能够满足要求。

（3）C3用来稳定555的比较基准，按有关书籍中的要求设置。

2．4 温度测量电路温度测量一般有以下方案方案一：利用热敏电阻或者热电偶等温度传感器进行测量。

该方案对于测量精度要求高，测量温度范围宽的场合应用比较广泛。

但硬件软件都比较复杂。

方案二：利用集成温度传感器DS18B20进行测量。

DS18B20测温范围为-55--100℃。

而且测量的温度直接转化为数字量，使用非常方便。

但精度不如前者。

由于对环境温度进行测量，只是一种辅助功能，而且对温度的精度要求不高，所以我们采用了方案二。

由于DS18B20的应用电路非常简单，在此从略。

2．5压力测量电路众所周知，微波炉严禁在没有食物时启动运行，这样会损坏微波炉。

可现在所有的微波炉都没有自动监测功能。

我们对此进行了仔细研究。

认为具有如下方案：（1）在微波炉转盘底下安装压力传感器测量食物重量。

压力传感器把压力信号转变为电压信号，经A/D转换或者v/f转换输入计算机。

V/f转换芯片采用LM331.我们对此电路进行了研究并且作了很多测试工作，实际测量结果如图8。

（2）在微波炉转盘底下安装四个微动开关，当有食物放上时，肯定至少有一个被压下，这时产生一个低电平信号，单片机采集到该信号时才能正常启动，如果没有信号，既没有食物放上时，不允许启动加热。

这样就很好的保护了微波炉免受损害。

电路如图5。

该电路简单可靠，而且能够适应微波炉内高温环境。

S1SW-PB S2SW-PB S3SW-PB S4SW-PBR110KVCCp3.6图5 压力测量微动开关电路2．6语音输出电路为了增加人性化设计，我们增加了语音输出电路。

该电路具有录放功能，可根据用户的需求录制相应的话音。

为以后的语音扩展留下端口。

语音芯片采用ISD1420，能够输出20秒话音。

语音电路如图6所示。

图6 语音录放电路 2．7 电源电路微波炉需要220V 交流电供电，而控制系统使用5V 的电源。

所以采用了整流电路进行了AC/DC 变换。

图略。

3 软件设计3．1 软件所实现的功能①待机检测数码管功能② 烹调、烘烤、解冻功能，自动热菜、烤面包功能③火力分档功能④加热时间显示和倒计时功能⑤实现智能控制和信息控制功能。

⑥温度显示功能。

上述功能均以模块的形式进行编程。

3．2 软件流程系统的主程序流程框图如图7所示。

图7 系统的主程序流程框图4测试方法与仪表4．1 测试仪表秒表1块，数字示波器1台，温度计1支，数字频率计、数字万用表各1块。

4．2 测试项目及方法◆测试倒计时是否准确方法：用键盘设置加热时间，按开启加热键的同时，秒表开始计时，等到数码管显示倒计时减到零后，秒表停止计时。

纪录秒表显示时间和键盘输入时间。

多次测量并纪录结果。

◆测试温度是否准确方法：把温度传感器和温度计放到不同温度的水中，测量温度并与精密温度计比较，多次测量并纪录结果。

◆测量压频转换电路线性度。

我们对微波炉控制系统扩展了称量食物重量功能，用压频转换电路替代A/D使用，需要测量压频转换电路的线性度。

方法：用示波器和频率计同时测量压频转换电路的输出频率，用数字万用表测量输入，多次测量并记录结果。

4．3 测试数据及测试结果分析◆测试条件场地：实验室对不同时段、不同市电状况、不同环境温度分别测试，并进行了一般抗干扰实验。

◆测试数据①时间和温度各进行10次测量，白天和晚上各5次。

10次中，多次变换输入时间值和不同温度的水中，时间和温度的测量数据见表3和表4。