【正文】 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。 圖25 磁控管圖26 磁控管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖26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。運(yùn)動的電子在又會在磁場力作用下繞陰極軸線運(yùn)動。而能量的損耗，則由電子束的強(qiáng)度補(bǔ)償，以維持高頻振蕩。高電壓、高電流、高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(hù)措施。在溫度正常時，雙金屬片保持閉合狀態(tài)使電路接通。圖27 KSD301溫控開關(guān) 爐腔爐腔是烹調(diào)食物和烘烤食物的地方。腔的左邊和頂部一般開有通風(fēng)孔。 爐門爐門的作用主要是四點(diǎn)：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。爐門由門面、門體、門封、門鉤等組成。因此本設(shè)計(jì)采用89C52作為控制核心，主要由89C52單片機(jī)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)生部分以輸出PWM波模擬代替。圖28 總體設(shè)計(jì)框圖3 硬件電路設(shè)計(jì)本次微波爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，整個微波爐控制電路的設(shè)計(jì)主要是硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分。 主電路的設(shè)計(jì) 主電路方案分析本次設(shè)計(jì)實(shí)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(jìn)行控制，本設(shè)計(jì)預(yù)定有四中不同占空比的PWM波，實(shí)現(xiàn)對微波爐火力時間長短的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對火力大小的控制?；鹆﹂_關(guān)的接通時間是可調(diào)的，一般在5～30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。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?？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(jì)時工作，與定時器的設(shè)定位置同步。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(shí)現(xiàn)對微波爐功率控制。就是為了獲得所需要的波形，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制來等效。沖量即指窄脈沖的面積。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。圖31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。f給出了不同窄脈沖時i(t)的響應(yīng)波形。在下降段無論輸入的波形是什么，輸出卻幾乎完全相同。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。b圖31 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(jī)編程，利用單片機(jī)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(jìn)而控制微波電路的輸出功率。 主電路方案設(shè)計(jì)圖32 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32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。電子加速運(yùn)動的過程中還要受到陽極腔外殼上永久磁鐵所形成的強(qiáng)磁場作用，所以電子是邊加速邊旋轉(zhuǎn)向陽極方向運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)的速度在加速過程中也在不斷加快。本次設(shè)計(jì)中采用的磁控管型號為2M210，額定功率為600W～900W，容量為20～25L。220V交流電的最大值為380V左右，MOSFET管IRF830（圖33）的承受的最大電壓為500V，常溫下，完全滿足本次設(shè)計(jì)的要求，故V1～V4均選用IRF830。圖35 倍壓電路圖圖33 IRF830實(shí)物圖圖34 IN4004實(shí)物圖本次設(shè)計(jì)的主電路中采用的是二倍壓電路為磁控管供電，電路原理如圖35所示。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35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(diǎn)保持峰值電壓的2倍。，高壓整流二極管T4512可承受12000V高壓，均滿足本設(shè)計(jì)的要求。 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，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(jì)最終采用IRF2125作為驅(qū)動器，來驅(qū)動IRF830工作。IR2125由先進(jìn)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驅(qū)動電路完全滿足本設(shè)計(jì)的要求，因此驅(qū)動模塊采用IR2125驅(qū)動電路，如圖36。 IN：PWM信號輸入端。COM：接地端，和Vcc端之間接1uF電容。HO：高端浮動輸出電壓，需要串接100Ω電阻接Mos管G極。Vs：高端浮動失調(diào)電壓，與CS端串接電阻接Mos管S極。圖37 IR2125引腳圖 單片機(jī)選型及介紹 單片機(jī)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?？紤]到本設(shè)計(jì)所需實(shí)現(xiàn)的功能大小以及單片機(jī)的價格等因素，本設(shè)計(jì)采用51系列的STC89C52單片機(jī)作為此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心芯片。STC89C52主要特性如下：(1)增強(qiáng)型8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。 (2)通用I/O口（32個）：～。內(nèi)部具有上拉電阻。內(nèi)部具有上拉電阻。內(nèi)部具有上拉電阻，還具有第二功能見表31（3）共3個16位定時器/計(jì)數(shù)器。外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路。如圖39為本設(shè)計(jì)中最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。復(fù)位電路通常存在兩種形式：上電復(fù)位、開關(guān)復(fù)位。開關(guān)復(fù)位是人機(jī)交互的一個按鍵設(shè)置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)單片機(jī)程序跑飛或者想要在不斷電情況下重啟單片機(jī)，它一般是通過按鍵來完成復(fù)位的。上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。通常選擇C=10uf，R=10kΩ。選擇時鐘振蕩電路要根據(jù)實(shí)際情況和單片機(jī)的時鐘振蕩范圍來選擇。（3）電源電路的設(shè)計(jì)圖39 最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電源電路是將220V/AC轉(zhuǎn)5V/DC的供電模塊，分別為單片機(jī)、光耦和繼電器、冷卻風(fēng)扇供電。電源電路設(shè)計(jì)方案比較，如下表32.表32 電源電路方案的選擇方案特點(diǎn)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(jìn)行濾波處理，再通過PWM技術(shù)調(diào)整輸出電壓。方案二：LM7805三端穩(wěn)壓電源單片機(jī)控制系統(tǒng)供電采用LM7805三端穩(wěn)壓器件，通過橋式整流，然后進(jìn)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(jī)。如圖310所示電路為輸出電壓5V、。圖310 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。該整流電路能夠輸出穩(wěn)定的5V電源，在本設(shè)計(jì)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。圖311 光耦隔離電路連接圖 由于整個電路設(shè)計(jì)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。如圖311為本次設(shè)計(jì)的光耦隔離的電路圖。經(jīng)過一個電能光能電能的能量轉(zhuǎn)換，通過光實(shí)現(xiàn)高壓和低壓的實(shí)際電路連接。如圖312所示，在本次設(shè)計(jì)中使用的是PC817是日本夏普生產(chǎn)的一款光電耦合器。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(diǎn)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312 光耦實(shí)物圖與引腳圖流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)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β倍的信號電流。表33鍵盤輸入電路方案的選擇方案特點(diǎn)檢測原理方案一：獨(dú)立式按鍵如圖313獨(dú)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(dú)立按鍵使用的IO口較多。便于靈活配置硬件電路。在不被按下的情況下按鍵對應(yīng)的IO為高電平，按下時吧對應(yīng)IO電平拉低，從而檢測。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。如圖314所示,本次設(shè)計(jì)中采用89C52單片機(jī)的并行口P1接44矩陣鍵盤，～，～。鍵盤操作說明表31所示：表34按鍵功能鍵號名稱功能S1控制鍵按下進(jìn)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S6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315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。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(jī)資源。動態(tài)顯示利用了人的視覺暫留的現(xiàn)象。這樣能節(jié)省大量的I/O口，而且功耗特別低。圖315為數(shù)碼管。圖316為點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示。而且顯示清晰，與傳統(tǒng)的數(shù)碼管相比，在亮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。圖317為液晶顯示屏。本系統(tǒng)采用的是LCD1602的液晶顯示器。LCD1602接口信號說明如表35所示表35 LCD1602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(fù)極（1） 基本操作時序讀狀態(tài) 輸入：R/S=L，R/W=H，E=H 輸出：D0～D7=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，D0~D7＝指令碼，E=高脈沖 輸出：D0～D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù) 輸入：R/S=H，R/W=L，D0～D7=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36所示。 蜂鳴器電路除此之外，還設(shè)計(jì)了蜂鳴器驅(qū)動電路（圖319），當(dāng)微波電路啟動或停止時會有聲音提示，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。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(jìn)而影響微波發(fā)射。在本次設(shè)計(jì)中，風(fēng)扇冷卻原理圖如圖320，控制風(fēng)扇的工作狀態(tài)。本章我們將對微波爐控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。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。散熱風(fēng)扇只有在微波爐功能工作時才工作，在待機(jī)、設(shè)置、重置、暫停時都會停止工作。微波爐上電后，蜂鳴器會有聲音提示，各個模塊進(jìn)行初始化，液晶屏1602處于顯示待機(jī)狀態(tài)。這時的單片機(jī)就會等待啟動鍵的按下，如果啟動鍵按下，同時單片機(jī)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。如果啟動鍵沒有按下就會繼續(xù)等待。流程圖如圖41所示：圖41 主程序流程圖 PWM波控制子程序在本次設(shè)計(jì)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。void timer0() interrupt 1{ TH0=(6553645872)/256。 tt++。 count++。 } if(mode==1) { if (count=3) PWM=1。 } if(mode==2) { if (count=5) PWM= 1。 } if(mode==3) { if (count=7) PWM= 1。 } if(mode==4) { if (count=9) PWM= 1。 }} 火力調(diào)節(jié)子程序設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中的自定義模式中，火力調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)分為四檔：大火力檔（D檔）、中火力檔（C檔）、底火力檔（B檔）、小火力檔（A檔），通過按下四個不同的按鍵選擇不同的火力模式。由于在本次設(shè)計(jì)中對微波發(fā)生部分只進(jìn)行模擬而不制作實(shí)物，因此不能照搬實(shí)際微波爐的工作控制方法，而是代以周期較短的具有不同占空比的PWM波表示不同的烹飪模式，輸出結(jié)果可經(jīng)示波器測得。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部有3個定時T0、TT2，這三個定時器的工作方式、定時時間、量程和啟動方式等均可以