微波炉控制程序设计--单片机原理课程设计

河南科技大学课程设计说明书课程名称单片机原理课程设计题目微波炉控制程序设计学院农业装备工程学院班级农电131班学生姓名刘宁指导教师邓桂扬日期2015年6月3日1单片机原理课程设计任务书班级农电131姓名刘宁学号131430010119设计题目微波炉控制程序设计一、设计目的进一步巩固理论知识，培养所学理论知识在实际中的应用能力；掌握单片机设计的一般方法；熟悉一种单片机开发软件，掌握一般单片机系统的仿真调试方法；利用单片机软件设计一个电子技术综合问题，培养单片机编程、书写技术报告的能力。为以后解决工程实际问题的研究打下设计基础。2、设计任务二,设计要求利用实验系统的硬件资源设计一个“带LED显示的微波炉控制器“控制面板包括两位数码显示十个数字按键键盘电源按键电源指示灯大中小火力选择开关工作流程如下1按下电源键,指示灯亮,通过数字键设定需要加热的时间,并在LED上进行显示,单位为秒2时间设定完后,通过大,中,小三个按键,选择火力的大小,并启动微波炉进行工作3LED实时显示剩余的工作时间,定时时间到后自动停止,指示灯灭4微波炉运行过程中,若再按下电源键,则微波炉停止工作,指示灯灭三、设计要求（1）通过对相应文献的收集，给出相应课题的背景、意义及现状研究分析。（2）通过课题设计，掌握单片机系统总体方案设计方法并画出框图。（3）设计并绘制出系统电路原理图及PCB图，编写软件流程图，编写C语言程序，用一种单片机软件仿真调试并得到正确结果。（4）学生应抱着严谨认真的态度积极投入到课程设计过程中，认真查阅相应文献给出单片机系统设计和实现。学习按要求编写课程设计报告书，能正确阐述设计和实验结果。四、设计时间安排查找相关资料确定总体方案（1天）、设计并绘制系统原理图及PCB图（2天）、编写C语言程序（2天）、仿真调试（2天）、编写设计报告（2天）和答辩（1天）。五、主要参考文献1张毅刚彭喜元,彭宇单片机原理及应用北京高等教育出版社,201052郭天祥新概念51单片机C语言教程北京电子工业出版社,200913阎石主编数字电子技术基础北京高等教育出版社，200324张毅刚基于PROTEUS的单片机课程的基础实验与课程设计北京人民邮电出版社，20125ALANBMARCOVITZINTRODUCTIONTOLOGICDESIGN北京电子工业出版社，2003指导教师签字年月日3农业装备工程学院课程设计说明书4摘要近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。微波炉控制系统设计采以微控制器（MCU）为核心，基于KEIL编制软件系统和PROTEUS画图仿真软件，结合两位数码管显示以及必要的外围电路，完成微波炉的可编程智能控制。系统由计时控制、火力设定、用户界面几大模块组成。能够根据键盘输入完成相应的功能，同时使用数码管显示系统状态。关键词微控制器（MCU）、微波炉、控制器农业装备工程学院课程设计说明书5目录第一章绪论611课题背景612课题来源713文本的研究工作7第二章系统总体概述821工作原理822电路设计923本章小结9第三章各模块方案比较与论证931档位显示部分方案1032计时控制部分方案1033键盘和显示部分方案11331键盘11332显示1134本章小结11第四章系统硬件设计1241门电路的设计1242时钟电路设计1343键盘模块电路设计1344档位显示电路设计1445显示电路设计1546火力输出控制设计1647本章小结16第五章系统软件设计1651显示程序设计1752微波炉加热状态1753计时程序设计1754系统待机状态设计1955用户设定状态设计1956加热停止状态设计21农业装备工程学院课程设计说明书657本章小结21第六章系统测试2161测试及制作所用仪器2162测试结果22621基本要求22622误差分析2263本章小结22第七章结论23参考文献23附录一系统电路图24附录二软件设计程序24农业装备工程学院课程设计说明书7第一章绪论11课题背景单片机自1976年由INTEL公司推出MCS48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。单片机有两种基本结构形式一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序存储器和数据存储器合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。本文讨论的单片机多功能数字钟系统设计的核心是目前应用极为广泛的51系列单片机，多功能数字钟配置了外围设备，构成了一个可编程的计时定时系统，具有体积小，可靠性高，功能强等特点。不仅能满足所需要求而且还有很多功能可供开发，有着广泛的应用领域。20世纪80年代中期以后，INTEL公司以专利转让的形式把8051内核技术转让给许多半导体芯片生产厂家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG、DEVICES、DALLAS等。这些厂家生产的芯片是MCS51系列的兼容产品，准确地说是与MCS51指令系统兼容的单片机。这些兼容机与8051的系统结构（主要是指令系统）相同，采用CMOS工艺，因而，常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机，它们对8051单片机一般都作了一些扩充，更有特点。其功能和市场竞争力更强，不该把它们直接称呼为MCS51系列单片机，因为MCS只是INTEL公司专用的单片机系列型号。MCS51系列及80C51单片机有多种品种。它们的引脚及指令系统相互兼容，主要在内部结构上有些区别。目前使用的MCS51系列单片机及其兼容产品通常分成以农业装备工程学院课程设计说明书8下几类基本型、增强型、低功耗型、专用型、超8位型、片内闪烁存储器型。12课题来源在日常生活和工作中，我们常常用到定时控制，如扩印过程中的曝光定时等。早期常用的一些时间控制单元都使用模拟电路设计制作的，其定时准确性和重复精度都不是很理想，现在基本上都是基于数字技术的新一代产品，随着单片机性能价格比的不断提高，新一代产品的应用也越来越广泛，大可构成复杂的工业过程控制系统，完成复杂的控制功能。小则可以用于家电控制，甚至可以用于儿童电子玩具。它功能强大，体积小，质量轻，灵活好用，配以适当的接口芯片，可以构造各种各样、功能各异的微电子产品。随着电子技术的飞速发展，家用电器和办公电子设备逐渐增多，不同的设备都有自己的控制器，使用起来很不方便。根据这种实际情况，设计了一个单片机多功能定时系统，它可以避免多种控制器的混淆，利用一个控制器对多路电器进行控制，同时又可以进行时钟校准和定点打铃。它可以执行不同的时间表（考试时间和日常作息时间）的打铃，可以任意设置时间。这种具有人们所需要的智能化特性的产品减轻了人的劳动，扩大了数字化的范围，为家庭数字化提供了可能。13文本的研究工作利用实验系统的硬件资源设计一个“带LED显示的微波炉控制器“控制面板包括两位数码显示十个数字按键键盘电源按键电源指示灯大中小火力选择开关工作流程如下1按下电源键,指示灯亮,通过数字键设定需要加热的时间,并在LED上进行显示,单位为秒农业装备工程学院课程设计说明书92时间设定完后,通过大,中,小三个按键,选择火力的大小,并启动微波炉进行工作3LED实时显示剩余的工作时间,定时时间到后自动停止,指示灯灭4微波炉运行过程中,若再按下电源键,则微波炉停止工作,指示灯灭第二章系统总体概述21工作原理微波炉工作分四个步骤分别为系统待机用户设定微波炉加热加热完。具体流程如下图211。图211系统流程图系统上电自检后，数码管显示零分，档位通过三个发光二极管显示分别表示低档、中档、高档。键盘分按键K1,K2,K3,K4,REST五个按键。K4键为微波炉的计时开始键。K1键为档位选择选择键，选择后相应的发光二极管会发亮。K2,K3键为时间设定键。REST为复位键。微波炉启动数码管开始倒计时，当倒计时到零分，微波炉会自动关闭，此时发光二极管会闪烁发出提示。各功能实现如下图212。系统待机状态用户进行设置系统开始工作任务结束按REST键或打开微波炉炉门按任意键接通电源系统待机状态工作状态计时时间为00分用户设置状态档位选择按K1键调整时间按K2键按K3键系统复位按K4键按REST键农业装备工程学院课程设计说明书10图212系统功能图注高中低三个火力大小用三个发光二极管模拟。22电路设计系统以STC89C52单片机为核心，连接各外部电路完成人机交互等各功能的控制。系统的总体框图如下图221。图221系统的总体框图电路设计部分以单片机控制电路为核心由定时器电路，显示电路，键盘电路，电源电路，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。23本章小结经过对整个系统概述的分析，可以得到一个大致的系统设计框架，对整个系统设计有个一个大致方向，并根据系统的框架进行各模块的细分与方案论证。单片机内部定时器键盘电路电源电路数码管显示电路火力输出电路档位显示电路农业装备工程学院课程设计说明书11第三章各模块方案比较与论证统设计包含显示电路，键盘电路，计时控制电路，档位输出电路，等多个部分，每个部分都可以采用不同的方案来实现，但不同的方案有实现的难易的不同，所以通过思考分析，最终做出最好的选择，使之更加科学和合理。下面对各部分设计方案做分析和选择。31档位显示部分方案方案一通过单片机的一个I/O端口经A/D转换器，转换成三个输出端口进行档位控制。如图311这种方案可以节省单片机接口资源。图311图312方案二直接利用单片机的三个I/O端口进行档位控制。如图312这种方案电路简单。由于在本设计系统中单片机有充足的I/O端口资源，为了保证系统的稳定性和电路的简单化，采用方案二进行档位显示。32计时控制部分方案方案一使用专用时钟芯片。使用微控制器控制专用时钟芯片实现计时控制，这种方案有着计时精度高、控制简单的优点，而且更易于实现时间显示、定时烹调等计时扩展功能。方案二采用单片机内部定时器。I/O单片机A/D转换档位显示I/O单片机档位显示农业装备工程学院课程设计说明书1251单片机内部含有3个定时器，可以利用一个定时器与程序计数器相结合的方式，在系统晶振的驱动下，产生标准时钟频率。由于方案二具有较好的灵活性、较少的电路器件和较高的性价比，而且通过精确的软件补偿使精度完全可以满足控制需要，所以我们选择该方案完成设计。33键盘和显示部分方案331键盘方案一采用阵列式键盘。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I/O口数目，缺点是电路复杂且会加大编程难度。方案二采用独立式按键电路。每个键单独占有一根I/O接口线，每个I/O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I/O数目较多，优点是电路设计简单，且编程极其容易。由于该系统采用了常规钟表式的校对方式，用键较少，系统资源足够用，故采用了方案二。332显示方案一采用数码管显示。数码管通过设置可以完成制作任务，经济耐用，但其显示不够直观、提供信息量少、不易理解等缺点。方案二采用液晶显示。液晶特别是具有汉字显示功能的液晶显示器，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AM/PM，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，不产生电磁辐射污染等优点。农业装备工程学院课程设计说明书13由于此系统只用到2位数字显示，考虑实用问题，故采用方案一。34本章小结经过比较和分析，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，从而实现分的倒计时。（2）时间显示采用两位LED数码管显示分。档位显示采用3个发光二极管显示。（3）键盘采用单片机四个端口输入电平，通过单片机扫描相应四个端口电平来判断按键的抬起与按下。通过方案的比较和论证之后，明确了各个模块的实现方案。然后，对整个系统总体进行设计，形成一个清晰的设计方向，并构思出系统总体设计的工作原理和系统的框图，使整个设计方案具有总体性。第四章系统硬件设计41门电路的设计在电源开关打开之前，其所有的设置按键都不能用。图411电源门电路在微波炉工作过程中如果突然打开微波炉炉门，微波炉将根据当时的工作农业装备工程学院课程设计说明书14状态停止加热并报警。这样能有效避免非法操作带来的后果。电路图如下图412。开关RI/O端口VCC单片机图412门电路当微波炉炉门打开时开关断开，当炉门关闭时开关接通。42时钟电路设计计时控制模块是系统设计的核心，用来完成基本功能中的加热倒计时，以及时间显示和定时烹调两项扩展功能。定时烹调会根据用户设定的烹调属性，在预定的时间启动烹调任务。为了实现上述功能，在设计中，我们采用STC89C52的内部定时器2与软件计数器相结合的方式获得1HZ的时钟。定时器2自动装入模式以保证精度。这时定时器周期T可由下式表示T28K12/CLK（1）其中K为定时器初值、CLK为系统晶振。考虑到串口通信，我们选定CLK为110592MHZ，K为27。从式（1）中不难看出，这时要获取1HZ的时钟，计数器的预置数N应对T/1取整，即N22118400/12（25627）8049（2）则系统获取的时钟频率即为F12/22118400（2827）80491000011HZ完全可以满足系统的计时要求。农业装备工程学院课程设计说明书1543键盘模块电路设计K4键为微波炉的计时开始键。K1键为档位选择选择键，选择后相应的发光二极管会发亮。K2,K3键为时间设定键。REST为复位键。在按键设计中K1,K2,K3,K4分别连入单片机I/O接口的P30,P31,P32,P33。通过单片机内部判断这4个I/O接口来确定按键是否被按下。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。键盘电路设计如图431和如图432所示图431复位按键电路图432控制按键电路44档位显示电路设计档位显示模块由三个发光二极管显示，分别代表“低档”、“中档”、“高档”三个档位，直接将发光二极管接至单片机I/O接口通过单片机发送低电平使发光二极管发光。如下图441。农业装备工程学院课程设计说明书16图441档位显示模块45显示电路设计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I/O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12MS，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I/O端口，而且功耗更低。用单片机的P2口连接2位数码管的段端口，用P34/P35通过三极管后连接数码管的位端口。如下图451农业装备工程学院课程设计说明书17图451数码管显示电路46火力输出控制设计通过单片机的三个I/O端口输出信号控制火力大小，接收端用发光二极管模拟。电路图如图461。第一个发光二极管亮时火力为“小火”，第二个发光二极管亮时火力为“中火”，第三个发光二极管亮时火力为“大火”。农业装备工程学院课程设计说明书1847本章小结各模块电路分析完成之后对整个电路已经有了一个很清晰的电路设计思路，将各模块电路整合成整体电路图，并经行检查修改，检查无误后进行电路板的焊接。具体电路图见附件一系统电路图。第五章系统软件设计系统程序总体可以分成主程序，和其它模块程序。主程序跟据系统的工作流程，系统共分为四个状态，分别是系统待机状态，用户设置状态，微波炉加热状态。其他模块程序包括显示程序，计时程序等。下面分别对这这些程序进行详细设计。51显示程序设计显示程序通过分时轮流控制各个数码管的COM端，使各个数码管轮流受控显示VOIDDISPLAYPROUNSIGNEDCHARA1,UNSIGNEDCHARA2FORK0K0否否时间倒计时到00判断用户设定的档位进入相应的加热状态加热完成小灯熄灭按下REST键或打开微波炉炉门农业装备工程学院课程设计说明书20图531计时程序流程图54系统待机状态设计接通电源后系统进入待机状态，此时显示器显示待机画面，当打后，系统进入用户设置状态。如图如下541。图541系统待机状态图系统通过判断单片机P32接口的输入电压来判断设置时间是否要增加，通过判断单片机P33接口的输入电压来判断设置时间是否要减小，具体流程图如下图542。调用显示程序系统待机状态用户设置状态按下任何按键否是是显示程序P321P331否用户设定状态农业装备工程学院课程设计说明书21图542系统待机状态流程图55用户设定状态设计在用户设定状态用户通过按键进行档位和时间的设定，在波炉炉门关闭的状态按下K4键则进入加热状态，按K1键用户可以在三个档位上进行切换，按K2和K3键进行时间加减设定。如下图551图551用户设定状态图系统根据按键对应的单片机I/O接口的电平变化判断用户所进行的设置。具体流程图如下图552所示。按K1键工作状态用户设置状态档位选择调整时间按K2键按K3键按K4键是否是否否否否是是是炉门是打开或REST按下微波炉加热状态K3键按下设置显示初值显示时间为00K4键按下K1键按下K2键按下档位切换子程序时间加子程序时间减子程序农业装备工程学院课程设计说明书22图552用户设定程序流程图56加热停止状态设计加热停止后系统将关闭火力输出，完毕后系统自动进入待机状态，具体状态图如下图561所示。图561加热停止状态图进入加热停止状态后系统首先关闭火力输出，系统向火力输出系统发送关闭信号。发生结束后系统自动进入系统待机状态。57本章小结对各模块和各状态的软件分析之后，将源程序进行编译并通过KEIL将编译好的程序写入单片机中，在用PROTEUS进行仿真，进行整体调试。具体程序见附件二软件设计程序。第六章系统测试软件系统在本设计中尤其重要，基本功能大部分是由软件完成的，发挥功关闭火力输出小灯熄灭提示进入系统待机状态农业装备工程学院课程设计说明书23能的关键控制部分同样需要软件的密切配合才能顺利实现。鉴于软件设计的通用性和方便性，我们采用C语言编写程序。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，定时器程序等。软件系统的主要特点是整个过程完全在键盘的控制之下，实现了完全的友好的人机交互功能。主程序通过判断键盘的输入情况调用不同的子程序。子程序的功能实现也是在键盘的配合之下完成的。61测试及制作所用仪器数字万用表、直流稳压电源PROTEUS软件、微机、烙铁等62测试结果621基本要求上电复位后，显示器显示00分，档位显示为“大火”；、中火、小火按“K1”键，可进行档位的切换，用户可以在“大火”；、中火、小火这三个档位之间任意切换。按下“K2”键，显示器时间增加，按下“K2”键显示器时间减小。按“K4”键，微波炉变为运行状态，显示器开始倒计时，此时再按下“复位”键微波炉返回准备状态，显示器清0，若没有按“复位”显示器倒计时到0分或微波炉炉门被打开微波炉也会返回停止状态。622误差分析从功能分析，该系统的误差主要是加热倒计时器的计时误差与日期/时钟系统的走时误差。而由于加热倒计时器是由MCU定时器产生的1HZ时钟脉冲驱动，所以该时钟是误差的最主要来源。如式1,2所示，由于选用的晶振数值为110592MHZ，定时器周期和1HZ的标准时钟不成整数倍比关系，计数器预制数的近似选择，势必引入计算误差。根据所选择的参数不难算出系统产生时农业装备工程学院课程设计说明书24钟与标准1HZ时钟之间存在的误差为12/22118400（2827）804910000011HZ（式4）对于加热倒计时器，以99秒计算，累计误差为9900000110001089秒尽管上述误差的影响不可避免，但是通过适当选择计算参数，以