单片机毕业课程设计微波炉.docx
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单片机毕业课程设计微波炉
电气与电子信息工程学院
《单片机》课程设计报告
题目：
微波炉控制系统
专业班级：
学 号：
201
姓名：
指导教师：
胡蔷、汤立刚
设计时间：
2013年12月23日—2013年12月27日
设计地点：
K2-407单片机、微机原理实验室
2013年11月20日
单片机课程设计成绩评定表
答辩或质疑记录：
记录：
1、微波炉控制系统的火力档位在仿真过程中，是有三个不同的发光二极管来控制，并没有热传感器来连接，因为是仿真所以无法做出效果来。
2、开关键控制显示屏，使其启动至用户状态。
可以关闭显示屏以及工作灯，但是并不能控制加热中的微波炉停止。
问题：
1、为什么使用矩阵式键盘？
答：
本次设计采用了多个按钮，如果使用独立式键盘，将占用大量的IO口资源，所以我们采用4×4矩阵式键盘，这样可以节省大量的IO口资源。
2、为什么要使用MAX7221这个芯片？
答：
可以很方便地和单片机相连，未经扩展最多可用于8位数码显示或64段码显示。
经实际使用发现，该芯片具有占用单片机IO口少（仅三线）。
成绩评定依据：
课程设计考勤情况（5％）：
课程设计仿真测试情况（15％）
课程设计答辩情况（30％）：
完成设计任务及报告规范性（50％）：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
2013年12月日
课程设计任务书
2013～2014学年第1学期
专业班级：
指导教师：
胡蔷汤立刚
工作部门：
电气与电子信息工程学院电气自动化教研室
一、课程设计题目单片机课程设计
二、课程设计内容（含技术指标）
1．设计目的及要求
（1）根据具体设计课题的技术指标和给定条件，以单片机为核心器件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，完成仿真操作。
要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；
（2）熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原理和控制方法；
（3）熟练使用单片机汇编语言或C51进行软件设计；
（4）熟练使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试；
（5）熟练使用Protel软件设计印刷电路板；
（6）学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数；
（7）编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告。
2．设计内容（题目名称：
微波炉控制系统）
本课题主要是对家用微波炉控制系统的研究，确定系统的整体方案，编写程序来实现微波炉控制的基本功能。
微波炉控制系统设计是以AT89C51单片机为核心的。
系统具体包含显示电路，键盘电路，计时控制电路，火力输出电路，响铃提示电路等多个部分。
设计制作一个微波炉控制器电路，具有三档微波加热功能，分别表示微波加热为大火、中火、小火，模拟仿真中用不同颜色发光二极管模拟。
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——〉结束加热、音响提示。
按键启动时间设置，最大预设数为23小时59分59秒。
设定时间初值后，按档位选择键，启动相应的微波加热；另一方面使计时电路以秒为单位作倒计时。
当计时到时间小于20s，给出声音提示，即扬声器输出提示音。
三、课程设计考核办法与成绩评定
根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。
2013年月日
第一章控制系统总述
一.工作原理
1.系统框图
一般的家用微波炉操作流程都包括定时、档位选择、启动等。
所以微波炉工作大致可以四个步骤：
系统待机——用户时间、档位、火力设置——系统工作——完成、提示。
系统框图
2.系统功能实现
系统启动时，8位数码管显示零时、零分、零秒，即00-00-01。
火力输出档位通过三个不同颜色的发光二极管显示（分别表示大火、小火、中火）。
键盘分按键K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,RESET八个按键（RESET复位键采用独立式键盘）。
K0键为微波炉的启动与关闭。
K1、K2、K3键为档位选择键，分别代表大火、中火、小火，选择后相应的发光二极管会发亮。
K4键为时、分、秒设定选择键。
K5、K6键分别为时间的加减设定。
RESET为复位键。
每次按下按键后系统都会启动音响发生模块发出“嘀”的声音。
选择合适的档位，微波炉启动数码管开始倒计时，当倒计时到软件程序设定的固定时间（20s）会进行倒计时提醒，此时会发出提示声音。
3.控制电路设计
微波炉控制系统以AT89C51单片机为核心，通过外接设备进行微波炉的显示、火力输出、定时设计，来完成系统设计的要求。
系统的总体框图
控制电路设计部分以AT89C51单片机控制电路为核心，由定时器电路，显示电路，键盘电路，门电路，电源电路，音响发声电路，火力输出电路，档位显示电路共同组成微波炉控制系统电路,在本设计中，我们对火力输出电路原理只作解释，不作硬件电路的设计。
第二章方案论证
1.档位输出方案
方案一：
我们可以通过扩展芯片对单片机的IO口进行扩展，将单片机的一个IO端口扩展成三个输出端口以便节省单片机的IO口资源。
方案二：
直接利用单片机的三个IO口进行档位控制。
IOIOIO
方案一方案二
结论：
鉴于单片机含有丰富的IO口资源，所以我们采用方案二，无须扩展。
2.计时控制方案
方案一：
使用专门的时钟芯片控制，我们可以采用专门的时钟控制芯片能够保证高精度、操作简单等，能够实现单片机的准点定时控制。
方案二：
AT89C51单片机内部就含有定时器，我们可以使用一个定时器和计数器结合，加上12M晶振的驱动，实现定时、计数控制。
结论:
我们采用方案二，单片机灵活性高，方案二节省器件，使电路简化，有很高的性价比，对于计时的精度我们可以通过软件设计来弥补调整。
3．键盘设计方案
方案一：
独立式键盘，每个独立按键单独占有一根IO接口线，每个IO口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。
缺点是当按键较多时占用单片机的IO数目较多，优点是电路设计简单，且编程极其容易。
在按键不多的情况下我们可以采用独立式键盘。
独立式键盘如图3.3.1。
方案二：
4×4矩阵式键盘，此类键盘是采用行列扫描方式，优点是当按键较多时可以降低占用单片机的IO口数目，节省单片机的IO口资源。
结论：
我们采用方案二，因为本次设计采用了多个按钮，如果使用独立式键盘，将占用大量的IO口资源，所以我们采用4×4矩阵式键盘，这样可以节省大量的IO口资源。
矩阵式键盘。
独立式键盘矩阵式键盘
4．显示设计方案
方案一：
采用数码管显示，数码经济适用，只需简单的驱动芯片，即可驱动显示，但是信息量少。
方案二：
采用液晶显示，某些液晶显示器具有汉字显示功能，用液晶来实现显示功能，不仅可以实现基本的显示信息，而且可以显示丰富的符号指示信息以及文字指示信息，如AMPM，闹钟符号等，信息量丰富且直观易懂。
而且液晶显示有功耗低，体积小，重量轻，寿命长，绿色环保等优点。
结论：
根据设计要求，我们只需实现定时显示，只要能显示时间即可，信息量少，只需显示时、分、秒。
所以我们采用8位数码管进行显示，完全能够达到设计要求。
5．火力输出方案
根据设计要求，只需设计高、中、低三档功能，无需多档位控制。
只需输出大火、中火、小火三档火力。
因此，我们只需模拟出三档火力即可。
我们通过三种不同颜色的发光二极管即可达到设计要求。
6．响铃提示方案
我们可以使用单片机的一个IO端口，然后接上扬声器，通过软件方式，修改延时、周期，来达到响铃提示的效果。
7．方案确定
经过比较和分析，得出了较理想的方案：
（1）计时单元由软件编程来实现。
定时采用单片机内部定时器来实现，即通过单片机内部定时器产生中断，再通过软件编程实现进行计数，从而实现时、分、秒的倒计时。
（2）时间显示采用8位LED数码管显示时、分和秒。
档位显示采用3个不同颜色的发光二极管显示，分别表示大火、中火、小火三档火力。
（3）键盘采用单片机4×4矩阵式键盘，端口输入电平，通过单片机扫描相应端口电平来判断按键的抬起与按下。
（4）响铃提示直接由单片机控制输出，连接在扬声器在电阻上叠加推动扬声器发声。
第三章硬件设计
1.微波炉控制系统仿真硬件原理图
时钟电路：
AT89C51系列单片机的内部振荡器，由一个单极反相器组成。
我们一般采用12M的晶振，因为一个机器周期为112时钟周期，所以这样用12M的话，一个时钟周期为12us那么定时器计一次数就是1us。
时钟电路内部结构图
复位电路:
复位电路的基本功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
2．键盘电路设计
在按键设计中，为了满足设计的要求，需要使用的按键较多所以我们采用4×4矩阵式键盘，矩阵式键盘比较节省单片机的IO的资源。
键盘的接口分别连入单片机IO接口的P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P0.4,P0.5,P0.6,P0.7。
通过单片机内部判断这些IO接口来确定按键是否被按下。
Key05、Key06、Key07、Key08通过一个与门接到P3.2接口，这样可以通过P3.2口来判断有没有按键被按下。
通过特定的扫描程序对键盘进行扫描。
P3.2接口为中断0接口，也可用此端口进行中断操作。
为了防止电路出现异常而无法控制特设计了一个复位按键。
矩阵式键盘电路
3.档位显示电路设计
档位显示模块是由三个发光二极管显示，分别代表“大火”、“中火”、“小火”三个火力档位，直接将发光二极管通过三极管接至单片机IO接口通过单片机发送低电平使发光二极管发光，用来模拟三个档位输出。
具体电路设计如图。
档位显示电路设计
注：
以上火力输出电路LED1、LED2、LED3分别代表大火、中火、小火，在研究中我们将采用不同颜色的发光二极管分别代表大火、中火、小火进行模拟仿真。
4．显示电路设计
根据前面章节的分析与方案选择，我们只需实现定时显示，只要能显示时间即可，信息量少，只需显示时、分、秒。
所以我们采用8位数码管进行显示，完全能够达到设计要求，我们选择MAX7221作为8位LED驱动芯片。
5.数码管
我们采用数码管动态驱动。
动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的IO线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能节省大量的IO端口，而且功耗更低。
AT89C51单片机的P2.0、P2.1、P2.2分别接MAX7221的DIN、CS、CLK引脚。
显示电路
6.响铃、提示电路设计
在微处理器的发声装置成为蜂鸣器（buzzer）。
一般来说，蜂鸣器就是小型喇叭（speaker），也是一种电感性负载。
单片机驱动蜂鸣器的信号为各频率的脉冲。
7.蜂鸣器发声原理
蜂鸣器的声音是由蜂鸣器的振动产生的。
蜂鸣器就像一个电磁铁，电流经过它即可产生磁性，这样蜂鸣器里发生的膜片将被吸住；电流消失时，膜片将被放开。
若要产生频率为f的脉冲，则需要在T时间内进行吸放各一次，换言之，产生磁性、消除此磁性的时间各位T2，称为半周期。
响铃、提示电路
8.火力大小输出设计
微波炉的火力大小是由内部功率调节器设定的。
功率调节器也由定时器所用的同一电机驱动。
实际工作时，当设定好功率值后，功率调节器便控制磁控管工作一段时间再休止一段时间，并按一定周期不断循环这个过程，直至微波炉工作结束。
这里假设磁控管在—个循环周期内的工作时间为t1，休止时间为t2，则一个循环周期T=t1+t2，可清楚地看出功率调节器控制微波输出功率的方式。
循环周期T取值很有讲究，从加热角度考虑取短些好，但太短将使功率调节开关频繁动作，影响磁控管的工作稳定和使用寿命。
正如前文所提到的，在本文的研究中我们只显示档位输出，对微波炉火力的大小比例不作设计模拟。
第三章软件设计
系统软件设计主要是对微波炉系统程序进行设计。
系统程序总体可以分成主程序、键盘显示模块程序、计时模块程序等。
主程序跟据系统的工作流程，系统可分为四个状态，分别是：
系统待机状态，用户设置状态，微波炉加热状态和响铃、提示状态。
我们将使用C语言对系统程序进行编写，下面我们分别对这这些程序进行详细设计和研究。
1.显示程序设计
我们主要是使用数码管驱动芯片MAX7221，实现8位数码管显示的。
流程图（MAX7221流程图）和图（显示子程序流程图）。
MAX7221流程图
显示程序流图
2.键盘模块程序设计
本次设计主要采用的是4×4矩阵式键盘，其中包含4行、4列，构成一个4×4的数组。
键盘的扫描方式有低电平扫描、高电平扫描两种方式。
当我们进行扫描时，将扫描信号送入行，再由列信号读取键盘状态。
键盘模块程序流程图
3.计时模块程序设计
通过单片机内部定时器0进行时间控制，单片机外接11.0592M晶振，在主程序中设置定时器初值来获得1Hz的中断。
流程图如下。
计时程序流程图
4.系统待机程序设计
我们接通电源后系统进入待机状态，此时LED亮，当打开系统后将进入用户设置状态，如图所示。
系统待机框图
系统通过判断单片机P3.2接口的输入电压来判断按键是否按下，具体流程图如下。
系统待机流程图
5．用户设定程序设计
系统启动时，8位数码管显示零时、零分、零秒，即00-00-01。
火力输出档位通过不同颜色的发光二极管显示（分别表示大火、小火、中火）。
键盘分按键K0,K1,K2,K3,K4,K5,K6,REST八个按键。
用户可以通过按键进行档位和时间的设定，首先按下K0键启动微波炉，K1、K2、K3键为档位选择键，选择后相应的发光二极管会发亮。
K4键为时、分、秒设定选择键。
K5、K6键分别为时间的加减设定。
第四章仿真结果
整个软件系统采用模块化的程序设计方法，共分为初始化，显示程序，准备程序，运行程序，定时器程序，声音发声程序等。
微波炉初始化界面：
微波炉运行界面：
第五章总结
微波炉控制系统设计以单片机为核心。
目前，很多学校有单片机开发的课程，很多企业都致力于高性能单片机的开发，提高单片机的性能和利用，单片机正向智能化、低功耗、高精度方向发展。
小到家用电器，大到工业控制系统如自动化生产线，单片机在这些领域都有所建树。
以微波炉控制系统为研究对象，旨在阐述并实现单片机的基本功能。
相关工作总结如下。
经过一段时间以来的学习，不断地从设计中总结和修改，并按着预期的要求反复的论证和测试。
本着学习的态度，以完善设计的可靠性和稳定性，将整个设计分模块化的进行，并将每个模块加以分析和论证，成功后再联系在一起，最终达到总体效果。
1.存在的问题
1.目前，从功能上分析，系统存在误差，主要是系统倒计时的计时误差和时钟的走时误差，我们可以选择适当的参数，完全能够满足设计要求。
2.按键的控制较少，只实现了时间选择，火位档选择的按键，运用率较低。
可以添加更多的功能配置。
本设计微波炉控制系统只是实现了微波炉的基本功能，与市面上的微波炉相比，功能较少，但可以进一步开发这方面的功能。
2.系统的改进（扩展）
改进①：
在本次设计中，微波炉的控制在报警系统上有待改进，系统上电后，会出现短暂的报警。
但是由于仿真的报警频率较高，所以总会出现类似凤鸣的声音，需要改进。
该进②：
系统上，除了有时间定时以及火力控制外，可以给微波炉控制添加一个开关门系统。
微波炉只有在关门后才可以进行倒计时，并实施加热。
改进③：
可以添加温度控制，和实时温度显示屏。
可以更为直观的观测加热中食物的温度。
如若温度过高，可以立即停止微波炉的运行。
改进④：
复位电路的控制。
如果出现温度过高，或者因人为操作而产生的报警，复位电路应采取应急措施。
使微波炉自动断电，实施自行保护措施。
3.个人小结
本次课程设计是基于单片机的微波炉控制系统，我从多个方面去对熟悉理解单片机。
整个课程设计下来，我们不仅可以灵活运用单片机的理论知识，编程等方面的能力也有了很大的提高。
在本次设计中，我主要是在软件设计和软件仿真并没有做实物。
但是经过这么长时间的努力，还是很好的完成了自己的课程设计。
我也更加体会到了，我们在学习生活中要有足够的耐心，足够的细心，在分析、解决问题的同时，不断地进取，不断地创新，不断地充实自己。
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