【正文】 統(tǒng)設計是以 AT89C51 單片 機為核心的。下面對各模塊設計方案做分析和選擇。方案一如圖 。方案二如圖 。 計時控制方案 方案一：使用專門的時鐘芯片控制，我們可以采用專門的時鐘控制芯片能夠保證高精度、操作簡單等， 能夠?qū)崿F(xiàn)單片機的準點定時控制。 結(jié)論 :我們采用方案二，單片機靈活性高，方案二節(jié)省器件，使電路簡化，有很高的性價比，對于計時的精度我們可以通過軟件設計來彌補調(diào)整。缺點是當按鍵較多時占用單片機的 I/O 數(shù)目較多，優(yōu)點是電路設計簡單，且編程極其容 易。獨立式鍵盤如圖 。 結(jié)論：我們采用方案二，因為本次設計采用了多個按鈕，如果使用獨立式鍵盤，將占用大量的 I/O 口資源，所以我們采用 4 4 矩陣式鍵盤，這樣可以節(jié)省大量的 I/O口資源。 圖 獨立式鍵盤 圖 矩陣式鍵盤 顯示設計方 案 方案一：采用數(shù)碼管顯示，數(shù)碼經(jīng)濟適用，只需簡單的驅(qū)動芯片，即可驅(qū)動顯示，但是信息量少。而且液晶顯示有功耗低，體積小，重量輕，壽命長，綠色環(huán)保等優(yōu)點。所以我們采用 8 位數(shù)碼管進行顯示，完全能夠達到設計要求。 功率調(diào)節(jié)器也由定時器所用的同一電機驅(qū)動。這里假設磁控管在 — 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。通常機械式功率調(diào)節(jié)器的 T都取 30s 左右，實踐證明比較理想。對應 12s 的為解凍功 率 (40％ Po，又稱低功率或低火 )、對應 15s 的為中功率 (50％ Po， 又稱中火 )、對應 24s 的為中高功率 (80％ Po，又稱中高火 )、對應 30s 的為高功率 (100％ Po，又稱高火或全功率 )。少數(shù)微波爐有更多功率擋，可達 8～ 12 擋之多，以求更適應烹飪和解凍不同食品之需。只需輸出大火、中火、小火三檔火力。我們通過三種不同顏色的發(fā)光二極管即可達到設計要求。 本章小結(jié) 經(jīng)過比較和分析，得出了較理想的方案： （ 1）計時單元由軟件編程來實現(xiàn)。 （ 2）時間顯示采用 8 位 LED 數(shù)碼管顯示時、分和秒。 （ 3）鍵盤采用單片機 44 矩陣式鍵盤，端口輸入電平，通過單片機掃描相應端口電平來判斷按鍵的抬起與按下。 通過各種方案的比較和論證之后，明確了各個模塊的實現(xiàn)方案。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 14 第四章 硬件設計 系統(tǒng)核心 AT89C51介紹 AT89C51 主要性能 全靜態(tài)工作： 0Hz～ 24MHz 128 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 可編程串行通道 圖 AT89C51 的 管腳 (1) 電源引腳 VCC 電源端 GND 接地端 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 15 (2) 外接晶體引腳 XTAL XTAL2 XTAL1 接外部晶體的一個引腳。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，既把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。在單片機內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。 (3) 控制或與其它電源復用引腳 RST、 ALE//PROG、 /PSEN 和 /EA/VPP RST 復位輸入端。 ALE//PROG 當訪問外部存儲器時， ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。在對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ /PROG）。當AT89C51/LV52 由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）時，每個機器周期兩 次 /PSEN 有效（既輸出 2 個脈沖）。 /EA/VPP 外部訪問允許端。當 /EA 端保持高電平（接 VSS端）時， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 輸入，對端口寫 1 時，又可作高阻抗輸入端用。 P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。作輸入口時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 P2 作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能， 這些特殊功能見表 。 定時 /計數(shù)器： AT89C51 單片機內(nèi)含有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器。為了實現(xiàn)定時和計數(shù)功能，定時器中含有 3 種基本的寄存器：控制寄存器、方式寄存器和定時器 /計數(shù)器。 RAM：高于 7FH 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的地址是 8 位的，也就是說其地址空間只有 256字節(jié)，但內(nèi)部 RAM 的尋址方式實際上可提供 384 字節(jié)。這樣，雖然高 128 字節(jié)區(qū)分與專用寄器 ，即特殊功能寄存器區(qū)的地址是重合的，但實際上它們是分開的。 SFR： SFR 是具有特殊功能的所有寄存器的集合，共含有 22 個不同寄存器，它們的地址 分配在 80H～ FFH 中。如對這些單元進行讀操作，得到的是一些隨機數(shù)，而寫入則無效，所以在編程時不應該將數(shù)據(jù)寫入這些未確定的地址單元南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 17 中，特殊功能寄存器主要有累加器 ACC、 B 寄存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW、堆棧指針 SP、數(shù)據(jù)指針 DPTR、 I/O 端口、串行口數(shù)據(jù)緩沖器 SBUF、定時器寄存器、捕捉寄存器、控制寄存器。 IE 寄存器用于允許或禁止中斷； IP 寄存器用于確定中斷源的優(yōu)先級別；優(yōu)先級結(jié)構(gòu)用于執(zhí)行中斷源的優(yōu)先排序；有關(guān)邏輯門用于輸入中斷請求信號。 XTAL1反相器的輸入， XTAL2 為反相器的輸出。另一種方式由外部時鐘源提供一個時鐘信號到 XTAL1 端輸入，而 XTAL2 端浮空。 C1 和 C2 的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率 f 期微調(diào)作用。振蕩器在加電后 10ms 開始起振， XTAL2 輸出 3V左右的正弦波。 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。 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。 如 圖 所示的RC 復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。 （ 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 時鐘電路設計 計時控制模塊是微波爐控制系統(tǒng)設計的核心，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。允許手動調(diào)時，并且會自動與計算機進行時間同步。為了實現(xiàn)上述功能，在設計中，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。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。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)設計（論文） 19 I/O 接口的 ,。 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。 接口為中斷 0 接口，也可用此端口進行中斷操作。 鍵盤設計電路如 圖 （復位電路中的獨立式按鍵） 和圖 所示 。具體電路設計如圖 。 顯示電路設計 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。 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 。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 。 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 。 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) 。 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 。 Vdd 腳， 5V 正電壓輸入端 。 MAX7221如圖 。 數(shù)據(jù)經(jīng) 個周期后，在時鐘的下降沿由 Dout 引腳輸出 。 MAX7221允許工作在省電模式，在該模式下，供電電流可降低到 150uA。 /非譯碼模式 譯碼模式寄存器可以設置對每一位數(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 。當芯片處于非譯碼模式時，數(shù)據(jù) D0~D7 位對應 8 個筆劃段。 掃描位數(shù)控制寄存器可以設置顯示 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)） 。 示測試寄存器操作有兩種模式：正常模式和顯示測試模式。 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 。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。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。顯示電路如圖 。一般來說，蜂鳴器就是小型喇叭（ speaker），也是一種電感性負載。 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。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。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 24 圖 響鈴、提示電路 火力大小輸出設計 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)器設定的。 實際工作時，當設定好功率值后，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。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。 電源電路設計 單片機系統(tǒng)電源設計是單片機應用系統(tǒng)設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。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，所以本文研究設計采用 7805 穩(wěn)壓器來設計單片機系統(tǒng)的電源，提供 +5V 電源。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（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。當輸出電流較大時， 7805 應配上散熱板。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。軟件系統(tǒng)主界面如圖 。 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 )。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。新建一個 PCB 工程項目， PCB 設計中的文件都包含在該項目下。在進人 SCH 設計系統(tǒng)之前，首先要構(gòu)思好原理圖，即必須知道所設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。根據(jù)實際電路的復雜程度來設置圖紙的大小。 （ 4）放置元件