微波炉控制器的设计
1 引言
随着人们生活水平的不断提高,现代化的厨房电器已成为人们日常不可缺少的家用电器。不断更新的现代化家用厨房电器，极大地方便和丰富了们的家庭生活。如微波炉已经成为现代城市生活中人们不可缺少的烹饪工具，现在的微波炉已经可以做到煎、煮、烤、烘、焖、炖、蒸、烩等多种烹饪方式，做出各种营养美味的食物。与其他烹饪工具相比，微波炉具有热效率高、耗电量少、烹调速度快等优点。合乎经济原则，也比传统烹饪节省时间。由于独特的加热原理，它可以有效保持食物原有的色、香、味与营养成份，还可以迅速解冻食物，保持食物的水分与鲜嫩。而且微波炉使用中绝少产生油烟与炽热空气，使厨房保持清洁。微波炉有如此强大的功能与新技术的不断应用是分不开的。例如，微波炉的智能化、多功能化、节能化、健康化、操作简便化的发展，使得微波炉的发展前景越来越好，越来越受到人们的欢迎。微波炉，顾名思义是用微波来加热，用的频率是24. 5亿赫左右的超短波，它由磁控管产生，经微波炉金属器壁反射再反射后，被炉中的食物吸收。食物能吸收微波是因为食物中含有水分[13]。水分子为极性分子，一端为正极，一端为负极，而微波是电磁波，有正半周与负半周。24. 5亿赫即表示该微波在一秒钟内变换正负极达24. 5亿次，每换一次，水分子即跟随反转一次；由于水分子一直振动反射，也就摩擦生热，热被食物分子吸收，食物就会变热、变熟[20]。微波炉控制器系统以P89V51RB2FN单片机为核心，由液晶显示模块、语音电路模块、键盘模块、掉电存储模块、电源模块等功能模块组成。本系统对基本的功能设置、数据装入和定时功能进行了重点设计。此外，还扩展了微波火力八级档位设定、烹调模式、语音提示、烹调预约时间设置、模拟无水及无物自停等功能，对微波炉的基本功能进行设计与创新。
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2 总体方案论证与比较
方案一：采用数字逻辑芯片[3]。
本系统有功能设置、数据装入、定时、显示、音响控制多个功能模块。各个状态保持或转移的条件依赖于键盘控制信号。由于键盘控制信号繁多，系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编程逻辑电路。这样，系统的成本就会急剧上升〔相对于方案二〕。因此，本设计并未采用这种方案。
方案二：采用单片机作为整个控制系统的核心。
鉴于市场上常见的51系列8位单片机的售价比较低廉，我们的设计采用了
P89V51RB2FN单片机作为主控制器，P89V51RB2FN 是一款80C51 微控制器，包含16kB Flash 和256 字节的数据RAM ，3 个16 位定时器/计数器，8 个中断源，4 个中断优先级，2 个DPTR 寄存器[19]；主要负责系统的控制与协调工作。具体方案如下：首先，利用单片机检测各种模拟信号，通过接收键盘送来的命令，确认功能设置，实现数据装入和实时监控，其次，根据CPU发出的信号控制语音播报、显示等功能，用软件实现系统定时功能，节省了硬件成本的开销。这样的设计使安装和调试工作可以并行进行，极大地缩短了总体设计和制造的时间，综合考虑以上因素。
我们采用了方案二，本方案的基本原理如图2.1所示，控制系统的原理图见附录。
交流输入 整流虑波 输出 调整 单元 键盘模块单片机及外围电路 语音模块 液晶显示模块 掉电存储模块 图2.1 系统原理框图
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3 模块电路设计与比较
本章主要是介绍系统各模块方案的选择与设计，比较各种方案，选择最可行最适合的模块电路，以使整个系统达到性价比最高。
3.1显示模块方案选择
单片机应用系统最常用的显示器是LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）[2]。这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态。它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此得到了广泛应用。现在就这两种显示模块进行分析，选择符合微波炉控制器的模块。
方案一：数码管LED显示模块
常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器。发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器用于字符显示。无论是单个LED（发光二极管）还是LED七段码显示器（数码管），都不能显示字符（含汉字）及更为复杂的图形信息，这主要是因为它们没有足够的信息显示单位。所以，在一些要求显示图文的系统中，不适宜用LED显示模块。
方案二：液晶显示器LCD模块
LCD是一种被动显示器，具有功耗低，显示信息大，寿命长和搞干扰能力强等优点，它不仅省电，而且能显示大量的信息如文字、曲线、图形等，其显示界面较之数码管有了质的提高，在低功耗的单片机系统中得到大量使用。[1]随着液晶显示技术的发展，LCD显示器的规格众多，其专用驱动芯片也相互配套，使LCD在控制和仪表系统中广泛应用提供了极大的方便。
本微波炉控制器系统要显示各种工作模式、微波炉火力档的设定、预约时间和工作时间等等图文复杂的信息，故选择液晶显示器作为显示模块。本系统采用的是FYD12864-0402B[17]型号的液晶显示器。
FYD12864-0402B液晶显示器是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8
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×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示；低电压低功耗是其又一显著特点。[17]由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
本系统中，液晶显示的工作方式是采用并行的工作方式。
3.2键盘模块方案选择
方案一：独立式按键结构
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键的典型应用如图3.1所示。图中按键输入均采用低电平有效，些外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。[1]
VCC P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 AT89C51 图3.1 独立式按键电路
方案二：矩阵式按键
单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，其结构如图3所示。
由图3.2可知，一个4*4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。
矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V
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上。当无按键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。[2]
矩阵式键盘大大节省了I/O口线，比较适合微波炉控制系统的要求，为其它的模块省了很多I/O口线，减小了整个系统的硬件开销。
+5V 0 1 2 3 0 4 8 12 0 5 9 13 6 10 14 7 11 15 1 2 3 1 2 3 图3.2 矩阵式键盘结构
3.3语音电路方案选择
方案一：蜂鸣器
蜂鸣器声音单一，无法实现一连串的语音播放，对一些要求比较高的系统来说，蜂鸣器不适合。本系统要求每次烹饪结束或者预约时间结束都要语音提示，所以本系统不采用蜂鸣器。
方案二：语音处理电路
在本设计中，提示音及语音播报功能都需要语音电路实现。本设计采用了ISD1730芯片实现语音处理功能，ISD1730属于华邦ISD公司2007 年新推出的单片优质语音录放电路，该芯片 提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（ vAlert ） , 双运作模式（独立 & 嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部 包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等
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