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SPMC65P2404A在微波炉中的应用
文章来源:凌阳单片机推广中心  发布时间:2005-11-3 11:39:58

摘  要:本文主要介绍如何使用SPMC65P2404A单片机设计开发微波炉产品。
关键词:微波炉、凌阳单片机、www.sunplusmcu.com
 
1 引言
    随着社会的快速发展,人们的生活节奏逐渐加快,微波炉方便快捷的烹饪特点为现代人类的生活提供了便利,同时体现了其巨大的市场潜力。在现代家庭中,微波炉已成为必备的烹饪工具之一,而且有越来越多的家庭开始使用这种便捷的烹饪工具。
    微波是一种频率非常高的电磁波,通常指300-30000兆赫兹的电磁波。微波炉是一种利用电磁波来烹饪食品的厨房器具。微波炉最早被称为"雷达炉",原因是微波炉的发明来自雷达装置的启迪,后来正名为微波炉。
    微波炉从操作上可以分为:机械式、电子式两大类。传统的微波炉多以机械式为主,它需要使用者自行选择微波炉的工作时间、火力强度等。电子式微波炉是目前市场上主流的产品,内置微控器,能够实现食物的含水量和温度的检测,它可以根据食物的特性自动选择加热时间、加热火力强度等。
根据加热方式,目前市场上的微波炉又可分为以下几种:
1、光波微波炉:光波瞬时高温、效率高,与普通微波炉相比,在蒸、煮、烧、烤、煎、炸等方面功能都明显突出,既不破坏食物的营养,也不破坏食物的鲜味。尤其在消毒功能上更是出类拔萃。
2、烧烤微波炉:烧烤型微波炉一般采用热风循环对流,保证炉腔内温度一致,食物四面受热均匀烤出自然风味,完成理想火候的烧烤。如:烤肉、做饼干、蛋糕等。
3、蒸汽微波炉:蒸汽微波炉是使用经过特殊工艺处理的蒸汽烹调器皿,其上部的不锈钢专用盖子可以隔断微波和食物的直接接触,锁住食物中的水分和维生素。下部的水槽中加水之后,通过微波的加热产生水蒸汽,利用水蒸汽的热度及对流来加热烹调食物。
    本文主要介绍利用SPMC65P2404A芯片来实现微波炉的设计。SPMC65P2404A是凌阳推出的一款工业级通用8位单片机,具有很高的性价比,抗干扰能力强,非常适合应用于工业控制类、家电类产品的设计。使用SPMC65P2404A设计的微波炉具有如下性能:
多种加热模式:微波烹饪、光波脆烤、光波和微波组合烹饪;
自动烹饪功能:根据食物类型及份量自动调节加热时间和火力;
自动解冻食物;
加热时间设定、食物重量设定、加热食物类型选择;
多种加热功率设定;
多种安全保护措施。

2 芯片特性简介
SPMC65P2404A是凌阳推出的8位工业控制单片机,最高工作频率为8MHz,工作电压3V~5.5V,有192字节的RAM和4K字节的OTP ROM,有23个可编程IO口,内置上/下拉电阻,8通道10位A/D转换器(100KHz),SPMC65P2404A其他特性包括:
 ◆ 凌阳科技8位单片机
  ☉ 182条指令
  ☉ 11种寻址模式
  ☉ 支持位操作(Set,Clear,Inverse,Test)
 ◆ 2个8位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)
  ☉ 普通的定时/计数器
  ☉ 具有8位捕获功能
  ☉ 具有8位比较功能
 ◆ 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)
  ☉ 普通的定时/计数器
  ☉ 具有8或16位捕获功能
  ☉ 具有16位比较功能
  ☉ 12位PWM输出
 ◆ 中断方式
  ☉ 支持IRQ和NMI中断
  ☉ 4种外部中断
  ☉ 11种内部中断
 ◆ 5种复位功能:上电复位、低电压复位、看门狗复位、外部复位及错误地址复位
 ◆ 支持3种时钟电路:晶体振荡器、RC振荡、外部信号
 ◆ 2种低功耗模式:Halt模式和Stop模式 
 ◆ 低电压监测(LVD)功能
 ◆ 一个蜂鸣器驱动输出口
 ◆ 具有SPI总线
    利用SPMC65P2404A的这些资源,能够方便的实现微波炉的功能。

3 微波炉加热原理
    微波炉是基于微波加热原理来实现,而微波加热的实质是微波对食物的进行介质加热。
    微波是一种波长极短的电磁波,波长在1mm到1m之间,其相应频率在300GHz至300MHz之间。为了防止微波对无线电通信、广播和雷达的干扰,国际上规定用于微波加热和微波干燥的频率有四段,分别为:L段,频率为890~940MHz,中心波长0.330m;S段,频率为2400~2500MHz,中心波长为0.122m;C段,频率为5725~5875MHz,中心波长为0.052m;K段,频率为22000~22250MHz,中心波长为0.008m。家用微波炉的频率一般为2450MHz。
    微波利用电子在磁场中作特殊运动来获得的。这种运动可以简单的这样来解释一下:介质从电结构看,一类分子叫无极分子电介质,另一类叫有极分子电介质。在一般情况下,它们都呈无规则排列,如果把它们置于交变的电场之中,这些介质的极性分子取向也随着电场的极性变化而变化,这就叫做极化。外加电场越强,极化作用也就越强,外加电场极性变化得越快,极化得也越快,分子的热运动和相邻分子之间的摩擦作用也就越剧烈。在此过程中即完成了电磁能向热能的转换,当被加热物质放在微波场中时,其极性分子随微波频率以每秒几十亿次的高频来回摆动、摩擦,产生的热量足以使食物在很短的时间内达到热熟的目的。
    家用微波炉使用磁控管产生微波,磁控管阴极发射的电子向阳极运动过程中,受磁控管内永磁铁产生轴向磁场的作用,这样电子在电场力和磁场力双重作用下作摆线运动,在谐振腔中振荡而产生2450MHz的微波,此微波经波导输入炉腔,加热食物。如下图3-1所示:


图 3-1 微波炉加热原理

    微波的传播速度接近光速,它在传播过程中能够发生反射和折射它有三个与加热相关的重要特性。微波遇到金属物体,如银、铜、铝等会像镜子反射可见光一样被反射。因此,常用金属隔离微波。微波炉中常用金属制作箱体和波导,用金属网外加钢化玻璃制作炉门观察窗。微波遇到绝缘材料,例如玻璃、塑料、陶瓷、云母等,会像光透过玻璃一样顺利通过。因此,常用绝缘材料制作盘碟,而不影响加热效果。微波遇到含水或含脂肪的食品,能够被大量吸收,并转化为热能。
    现在许多微波炉都具有光波加热功能,该功能的原理比较简单,就是直接用一个具有一定强度的光源直接照射食物表面,达到加热食物表面的目的。

4 微波炉设计要求
    除应具有基本的微波加热功能外,人性化的设计是微波炉产品设计的关键。如根据不同的食物及份量,采用不同的加热方式及加热功率,以确保不破坏营养成分。再如,微波炉应该能够很方便的设定加热时间及选择不同的加热功率。以人性化设计为目标,我们设计的微波炉具有以下功能特点:
1、能够选择多种加热模式:微波烹饪、光波脆烤、光波和微波组合烹饪。微波方式能够快速的加热食物内外部,而光波则侧重于加热食物表面,达到脆烤的效果。
2、人性化的自动烹饪功能:根据食物类型及份量自动调节加热时间和火力。这种功能能够确保食物中的营养成分不被破坏。
3、能够选择5种加热功率,能够灵活的设定加热时间。
4、良好的人机界面,方便用户实际操作。
5、开门保护,确保微波不外泄。
6、儿童安全锁,使系统更安全。

5 系统硬件设计
    系统采用SPMC65P2404A 作为主控MCU,主要模式有:键盘扫描,数码显示控制,微波控制,光波控制,风扇控制,照明控制,蜂鸣器驱动等。系统框图如图5-1所示。


图 5-1 系统框图

5.1 控制板电路分析
    控制板电路如图5-2所示。


图 5-2  控制板电路图

5.1.1 电源电路
    电源电路如图5-3所示。
(1)变压器(T1)的V6~7 = 7V ,180mA ;V9~10 = 11V ,140mA ;第七脚提供时基信号。
(2)VCC1 为+5V 提供能源;VCC2 为继电器提供能源。
(3)R14 为压敏电阻,C9 耐压为630V 。


图5-3  电源电路

5.1.2 LED显示电路
    LED显示电路如图5-4所示。该LED 为4 位8 段,共阳极驱动方式,动态扫描显示,X0~3 为LED 的位控制;A~H为LED 的数据段。


图5-4  LED显示电路

5.1.3 键盘矩阵电路
    键盘为4×3(4 行3 列)的矩阵,电路如图5-4所示。键扫时先把其中的一列输出“0”,其他列则设为输入口且上拉电阻(注意:PA0~7 上拉100k),然后再逐行扫描该列,依此类推进行列循环和行循环得到键值。
    键盘还与LED 复用。键盘进行键扫时,程序关闭LED 显示;LED 显示时,为了让键盘不影响LED 显示,在复用的数据线上串联2k 电阻,在这一点上,电阻值越大越好,但是PA0~7上拉100k,如果串联电阻太大,PA0~3 则得不到“0”而键扫失败。


图5-4  键盘矩阵电路

6 系统软件设计
6.1 程序流程分析
    主流程采用分时结构,在每个不同的时间片进行不同的工作,时间片可以对动态扫描的LED进行定时刷新和扫描,方便程序控制。工作时采用时间轮循的方式,能有效的利用时间资源。过程中主要通过标志的方式将信息传递到其他模块。主程序流程如图 6-1所示。  


图 6-1  主程序流程图

6.2 AC时基信号处理


图6-2  AC时基信号处理

    AC 电压波形经过实际的过零电路处理得到时基信号电压波形,如图6-2所示;时基信号电压波形又经过软件的处理(延时去抖),得到软件意义上的波形(实际不存在),这种波形是给软件参考的,由软件产生,为软件服务。如图6-3所示:


图6-3 软件处理

    由于AC 对电路的干扰,采样时基信号时必须做去抖的处理。去抖就必须多次采样时基信号,但是AC 的频率(50Hz)较快而软件上采样频率(488.28125Hz)较慢,时基信号的高电平或低电平最多只能采样4 次。所以,采样的4 次(一定是连续的)当中如果有3 次都相同(可以是不连续的),则不论另外的1 次是否相同,这一采样结果就是那3 次的结果。基本的原理就是3:1 少数服从多数的准则。

6.3 继电器开关延时与AC 零点控制
    为了让继电器的使用寿命更长,继电器开关的时刻应该是AC 电压波形的零点。根据使用的继电器参数,计算好AC 电压的波形和软件处理过的时基信号的相位,适当地延时调整到AC零点让继电器实际工作。如图6-4所示:


图6-4  继电器控制

6.4 系统资源分配
LED 显示: 占用4+8=12 个I/O口
键盘矩阵: 占用8 个I/O口,与LED 显示复用I/O
门开关信号: 占用1 个I/O口
微波控制: 占用1 个I/O口
光波控制: 占用1 个I/O口
电机、风扇、灯控制: 占用1 个I/O口
蜂鸣器: 占用1 个I/O口
时基信号: 占用1 个I/O口

7 结语
    微波炉具有加热速度快、加热均匀、节能高效、低温杀菌以及方便快捷等众多的优点,正因为拥有这些特点,微波炉越来越受大众的欢迎,微波炉产品具有广阔的市场前景。
    设计微波炉产品,除了要实现其基本的加热功能外,还要使设计出来的产品更具人性化,人性化的要求一方面体现在人机界面的操作上,要求简洁、便利;另一方面体现在具有一定的智能化,如具有自动功能等。
     SPMC65P2404A是一款非常适合设计微波炉产品的芯片,它具有的丰富资源能够设计出一款功能丰富、使用简易方便的微波炉产品。而且SPMC65P2404A具备很强的抗干扰能力,使得设计出的产品具有很高的稳定性和安全性。

8 参考文献
[1] 肖健华, 经顺林. 模糊控制在家电产品中的应用与展望. 五邑大学学报(自然科学版),2001
[2] 苏振华. 真空电子器件(CRT)可靠性评价方法的应用研究. 真空电子技术,  1999.

                            
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