【導讀】正在不斷地走向深入，由于它具有功能強，體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠，的軟件結(jié)合，以作完善。合8位數(shù)碼管顯示以及必要的外圍電路，完成微波爐的可編程智能控制。統(tǒng)由計時控制、火力設(shè)定、用戶界面、音響發(fā)生幾大模塊組成。能夠根據(jù)鍵盤輸入。完成相應的功能，同時使用LED顯示系統(tǒng)狀態(tài),并進行響鈴提示。

　　

【正文】 件。 NMOS 型單片機也可以不適用內(nèi)部時鐘電路，直接總外部輸入時鐘脈沖。我們一般采用 12M 的晶振 ，因為一個 機器周期 為 1/12 時鐘周期，所以這樣用 12M 的話，一個時鐘周期為 12us 那么 定時器計一次數(shù)就是 1us 了， 時鐘電路 電路圖如 圖 。 圖 時鐘電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 接單片機 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 復位電路 : 復位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭 分 合過程中引起的抖動而影響復位。 如 圖 所示的RC 復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。左邊的電路為高電平復位有效 。 （ 右邊為低電平 ,RESET 為手動復位開關(guān) ， C 可避免高頻諧波對電路的干擾 ） 圖 RC 復位電路 時鐘電路設(shè)計 計時控制模塊是微波爐控制系統(tǒng)設(shè)計的核心，用來完成基本功能中的加熱倒計時，以及時間顯示和定時兩項擴展功能。時間顯示功能被用來在待機狀態(tài)顯示當前的時間和用戶預先設(shè)定的時間。允許手動調(diào)時，并且會自動與計算機進行時間同步。定時啟動則會根據(jù)用戶設(shè)定的火力 屬性，在預定的時間內(nèi)啟動任務。為了實現(xiàn)上述功能，在設(shè)計中，我們采用 AT89C51 的內(nèi)部定時器與軟件計數(shù)器相結(jié)合的方式獲得1Hz的時鐘。 定時器 0自動裝入模式以保證精度。這時定時器周期 T可由下式表示： T = (28?K) 12/ CLK ? ????????????????????? （ 1） 其中 K 為定時器初值、 CLK 為系統(tǒng)晶振。考慮到串口通信，我們選定 CLK為， K 為 27。從式 （ 1） 中不難看出，這時要獲取 1Hz 的時鐘， 計數(shù)器的預置數(shù) N 應對 T/1取整，即： N=[22118400/12 （ 25627） ]=8049 ? ??????????????? （ 2） 則系統(tǒng)獲取的時鐘頻率即為： f = 12/22118400 （ 2827） 8049 ≈ 完全可以滿足系統(tǒng)的計時要求。 鍵盤電路設(shè)計 在按鍵設(shè)計中，為了滿足設(shè)計的要求，需要使用的按鍵較多所以我們采用 4 4矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤比較節(jié)省單片機的 I/O 的資源。鍵盤的接口 分別連入單片機南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 I/O 接口的 ,,。通過單片機 內(nèi)部判斷這些 I/O 接口來確定按鍵是否被按下。 Key0 Key0 Key0 Key08 通過一個與門接到 接口，這樣可以通過 口來判斷有沒有按鍵被按下。通過特定的掃描程序?qū)︽I盤進行掃描。 接口為中斷 0 接口，也可用此端口進行中斷操作。為了防止電路出現(xiàn)異常而無法控制特設(shè)計了一個復位按鍵。 鍵盤設(shè)計電路如 圖 （復位電路中的獨立式按鍵） 和圖 所示 。 圖 復位電路 圖 矩陣式鍵盤電路 檔位顯示電路設(shè)計 檔 位 顯示模塊是由三個發(fā)光二極管顯示，分別代表“大火”、“中火”、 “ 小火 ”南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 三個火力檔位，直接將發(fā)光二極管通過三極管接至單片機 I/O 接口通過單片機發(fā)送低電平使發(fā)光二極管發(fā)光，用來模擬三個檔位輸出。具體電路設(shè)計如圖 。 圖 檔位顯示電路設(shè)計 注：以上火力輸出電路 LED LED LED3 分別代表大火、中火、小火，在研究中我們將采用不同顏色的發(fā)光二極管分別代表大火、中火、小火進行模擬仿真。 顯示電路設(shè)計 根據(jù)前面章節(jié)的分析與方案選擇，我們只需實現(xiàn)定時顯示，只要 能顯示時間即可，信息量少，只需顯示時、分、秒。所以我們采用 8 位數(shù)碼管進行顯示，完全能夠達到設(shè)計要求，我們選擇 MAX7221 作為 8 位 LED 驅(qū)動芯片。 驅(qū)動數(shù)碼管芯片 （ 1）芯片簡介 MAX7221 是 Maxim（美信）公司專為 LED 顯示驅(qū)動而設(shè)計生產(chǎn)的串行接口八位 LED 顯示驅(qū)動芯片 .該芯片包含有七段譯碼器、位和段驅(qū)動器、多路掃描器、段驅(qū)動電流調(diào)節(jié)器、亮度、脈寬調(diào)節(jié)器及多個特殊功能寄存器 。 該芯片采用串行接口方式，可以很方便地和單片機相連，未經(jīng)擴展最多可用于 8 位數(shù)碼顯示或 64 段碼顯示 。經(jīng)實際使 用發(fā)現(xiàn)，該芯片具有占用單片機 I/O 口少（僅三線）、顯示多樣、可靠性高、簡單實用、編程靈活方便的特點 。 （ 2）芯片引腳介紹 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 Din 腳，串行數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)存入內(nèi)部 16 位移位寄存器 。 DIG0~DIG7 腳， 8 位共陰極數(shù)碼管的控制輸入端，顯示關(guān)閉時輸出高電平 。 GND 腳，接地端， 4 和 9 腳都要接地 。 CS 腳，片選輸入端，當 CS=0 時，串行數(shù)據(jù)存入移位寄存器，當 CS 為上升沿時鎖存最后 16 位數(shù)據(jù) 。 CLK 腳，串行時鐘輸入端，最高頻率 10MHz，在時鐘上升沿數(shù)據(jù)移位存入內(nèi)部移位寄存器，當時鐘下降 沿時，數(shù)據(jù)由 Dout 輸出， CLK 輸入僅當 CS=0 時有效 。 SEGA~SEGG， SEGDP 腳，數(shù)碼管七段驅(qū)動和小數(shù)點驅(qū)動端，關(guān)閉顯示時各段驅(qū)動輸出為高電平 。 Iset 腳，連接到 Vdd 的電阻連接端，用來模擬設(shè)定各段驅(qū)動電流 。 Vdd 腳， 5V 正電壓輸入端 。 Dout 腳，串行數(shù)據(jù)輸出端，數(shù)據(jù)由 Din 輸入，經(jīng) 個時鐘延遲后由 Dout 引腳輸出，此引腳用來擴展 MAX7221。 MAX7221如圖 。 圖 MAX7221 芯片 （ 3） MAX7221 功能 串行數(shù)據(jù)輸入輸出時 CS 必須為低電平，串行數(shù)據(jù)由 Din 送入一個 16 位的數(shù)據(jù)包，并在每個時鐘上升沿時存入內(nèi)部 16 位移位寄存器 。 數(shù)據(jù)經(jīng) 個周期后，在時鐘的下降沿由 Dout 引腳輸出 。 16 位數(shù)據(jù) D0~D15 的排列見表 ~D7 包含數(shù)據(jù)，D8~D11 包含寄存器地址， D12~D15為未定義位，芯片最先接收 D15 位。 MAX7221允許工作在省電模式，在該模式下，供電電流可降低到 150uA。 器件南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 在這種模式下上電時， 250us 內(nèi)即可進入正常工作模式 .在測試狀態(tài)下，省電模式被屏蔽。 /非譯碼模式 譯碼模式寄存器可以設(shè)置對每一位數(shù)字的 BCD 譯碼模式或非譯碼模式，寄存器的每一位對應一個數(shù)字，高電平代表譯碼，低電平代表旁路譯碼器 。 當芯片處于譯碼模式時，數(shù)據(jù)位只有 D0~D3 有效， D4~D6 位為無效位， D7 為小數(shù)點位。當芯片處于非譯碼模式時，數(shù)據(jù) D0~D7 位對應 8 個筆劃段。 本芯片允許由外加在 Vdd 和 Iset 之間的電阻 Rset調(diào)節(jié) LED 亮度， Rset 阻值至少為 ，它也允許由亮度控制寄存器進行設(shè)置，通過設(shè) 置每一筆劃的掃描脈沖占空比達到調(diào)整亮度的目的。 掃描位數(shù)控制寄存器可以設(shè)置顯示 1~8 位，多路掃描器在顯示 8 位時典型的掃描頻率為 ，掃描頻率上升為 8f/N（ f 為掃描頻率， N 為顯示位數(shù)） 。 當顯示位數(shù)為 3 位、 2 位、 1 位時， Rset 應至少增大為 15K、 20K、 40K。 示測試寄存器操作有兩種模式：正常模式和顯示測試模式。顯示測試時屏蔽所有功能設(shè)置，全部 8 位的每一筆劃的掃描脈沖占空比均為 15/16。 空操作模式用于芯片擴展 ，后面的芯片要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過前面的芯片時，前面的芯片應處于空操作模式 。 數(shù)碼管 我們采用數(shù)碼管動態(tài)驅(qū)動。動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時 輪流控制各個數(shù)碼管的 COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能節(jié)省大量的I/O 端口，而且功耗更低。 AT89C51 單片機的 、 、 分別接 MAX7221 的南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 DIN、 CS、 CLK 引腳 。顯示電路如圖 。 圖 顯示電路 響鈴、提示電路設(shè)計 在微處理器的發(fā)聲裝置成為蜂鳴器（ buzzer）。一般來說，蜂鳴器就是小型喇叭（ speaker），也是一種電感性負載。單片機驅(qū)動蜂鳴器的信號為各頻率的脈沖。 蜂鳴器發(fā)聲原理 蜂鳴器的聲音是由蜂鳴器的振動產(chǎn)生的。蜂鳴器就像一個電磁鐵，電流經(jīng)過它即可產(chǎn)生磁性，這樣蜂鳴器里發(fā)生的膜片將被吸??；電流消失時，膜片將被放開。若要產(chǎn)生頻率為 f 的脈沖，則需要在 T 時間內(nèi)進行吸放各一次，換言之，產(chǎn)生磁性、消除此磁性的時間各位 T/2，稱為半周期。蜂鳴器電路如圖 所示 。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 響鈴、提示電路 火力大小輸出設(shè)計 前面章節(jié)我們已經(jīng)敘述過，微波爐的火力大小是由內(nèi)部功率調(diào)節(jié)器設(shè)定的。功率調(diào)節(jié)器也由定時器所用的同一電機驅(qū)動。 實際工作時，當設(shè)定好功率值后，功率調(diào)節(jié)器便控制磁控管工作一段時間再休止一段時間，并按一定周期不斷循環(huán)這個過程，直至微波爐工作結(jié)束。這里假設(shè)磁控管在 — 個循環(huán)周期內(nèi)的工作時間為 t1，休止時間為 t2，則一個循環(huán)周期 T=t1+t2，可清楚地看出功率調(diào)節(jié)器控制微波輸出功率的方式。循環(huán)周期 T 取值很有講究，從 加熱角度考慮取短些好，但太短將使功率調(diào)節(jié)開關(guān)頻繁動作，影響磁控管的工作穩(wěn)定和使用壽命。正如前文所提到的，在本文的研究中我們只顯示檔位輸出，對微波爐火力的大小比例不作設(shè)計模擬。 電源電路設(shè)計 單片機系統(tǒng)電源設(shè)計是單片機應用系統(tǒng)設(shè)計中的一項重要工作，電源的精度和 1可靠性等各項指標，直接影響系統(tǒng)的整體性能。本設(shè)計采用 7805 集成穩(wěn)壓器構(gòu)成輸出為 +5V 的電源電路。使用 7805 穩(wěn)壓器的優(yōu)點就是使用方便，不需作任何調(diào)整，外圍電路簡單，工作可靠簡單、安全，適合作通用型、標稱輸出的穩(wěn)壓電源，所以本文研究設(shè)計采用 7805 穩(wěn)壓器來設(shè)計單片機系統(tǒng)的電源，提供 +5V 電源。電源電路如圖 。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 電源電路 注： 上圖是 一個輸出正 5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。 IC 采用集成穩(wěn)壓器 7805， C1C17 分別為輸入端和輸出端濾波電容， RL為負載電阻。當輸出電流較大時， 7805 應配上散熱板。 穩(wěn)壓 二極管 VD1 串接在 7805 穩(wěn)壓器 2 腳與地之間，可使輸出電壓得到一定的提高，輸出電壓為 7805 穩(wěn)壓器輸出電 壓與穩(wěn)壓二極管 VD1 穩(wěn)壓值之和。VD2 是輸出保護二極管，一旦輸出電壓低于 VD1 穩(wěn)壓值時， VD2 導通，將輸出電流旁路 ， 保護 7805 穩(wěn)壓器輸出級不被損壞。 電路板設(shè)計 電路原理圖繪制 根據(jù)設(shè)計要求我們采用 Protel DXP 2020 繪制原理圖和 PCB 圖。軟件系統(tǒng)主界面如圖 。在 Protel DXP 中，雖然提供了大量的元件庫，但在實際應用中，還需要制作需要的元件。 Protel DXP支持多種格式的元件庫文件，如 *.SchLib(原理圖元件庫 )， *.PcbLib(封裝庫 )， *.IntLib(集成元件庫 )。建立元件庫與制作元件，我們可使用元件庫編輯器來完成，建立好元件庫后，我們進行原理圖的繪 制，必須滿足適當?shù)牟季€規(guī)則。繪制原理圖結(jié)束之后，要進行編譯，修改出錯，然后進行 PCB圖的繪制。具體步驟模塊主要分為以下模塊： （ 1）新建工程項目。新建一個 PCB 工程項目， PCB 設(shè)計中的文件都包含在該項目下。 （ 2）新建原理圖文件。在進人 SCH 設(shè)計系統(tǒng)之前，首先要構(gòu)思好原理圖，即必須知道所設(shè)計的項目需要哪些電路來完成，然后用 Protel DXP 來畫出電路原理圖。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 （ 3）設(shè)置工作環(huán)境。根據(jù)實際電路的復雜程度來設(shè)置圖紙的大小。在電路設(shè)計的整個過程中，圖紙的大小都可以不斷地調(diào)整，設(shè)置合適的圖紙大小是完成原理 圖設(shè)計的第一步。 （ 4）放置元件。從組件庫中選取