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摘  要：本文主要介紹如何使用SPMC65P2404A單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)微波爐產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：微波爐、凌陽單片機(jī)、http://www.sunplusmcu.com/
 
1 引言
    隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏逐漸加快，微波爐方便快捷的烹飪特點(diǎn)為現(xiàn)代人類的生活提供了便利，同時(shí)體現(xiàn)了其巨大的市場潛力。在現(xiàn)代家庭中，微波爐已成為必備的烹飪工具之一，而且有越來越多的家庭開始使用這種便捷的烹飪工具。
    微波是一種頻率非常高的電磁波，通常指300-30000兆赫茲的電磁波。微波爐是一種利用電磁波來烹飪食品的廚房器具。微波爐最早被稱為"雷達(dá)爐"，原因是微波爐的發(fā)明來自雷達(dá)裝置的啟迪，后來正名為微波爐。
    微波爐從操作上可以分為：機(jī)械式、電子式兩大類。傳統(tǒng)的微波爐多以機(jī)械式為主，它需要使用者自行選擇微波爐的工作時(shí)間、火力強(qiáng)度等。電子式微波爐是目前市場上主流的產(chǎn)品，內(nèi)置微控器，能夠?qū)崿F(xiàn)食物的含水量和溫度的檢測，它可以根據(jù)食物的特性自動(dòng)選擇加熱時(shí)間、加熱火力強(qiáng)度等。
根據(jù)加熱方式，目前市場上的微波爐又可分為以下幾種：
1、光波微波爐：光波瞬時(shí)高溫、效率高，與普通微波爐相比，在蒸、煮、燒、烤、煎、炸等方面功能都明顯突出，既不破壞食物的營養(yǎng)，也不破壞食物的鮮味。尤其在消毒功能上更是出類拔萃。
2、燒烤微波爐：燒烤型微波爐一般采用熱風(fēng)循環(huán)對流，保證爐腔內(nèi)溫度一致，食物四面受熱均勻烤出自然風(fēng)味，完成理想火候的燒烤。如：烤肉、做餅干、蛋糕等。
3、蒸汽微波爐：蒸汽微波爐是使用經(jīng)過特殊工藝處理的蒸汽烹調(diào)器皿，其上部的不銹鋼專用蓋子可以隔斷微波和食物的直接接觸，鎖住食物中的水分和維生素。下部的水槽中加水之后，通過微波的加熱產(chǎn)生水蒸汽，利用水蒸汽的熱度及對流來加熱烹調(diào)食物。
    本文主要介紹利用SPMC65P2404A芯片來實(shí)現(xiàn)微波爐的設(shè)計(jì)。SPMC65P2404A是凌陽推出的一款工業(yè)級通用8位單片機(jī)，具有很高的性價(jià)比，抗干擾能力強(qiáng)，非常適合應(yīng)用于工業(yè)控制類、家電類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。使用SPMC65P2404A設(shè)計(jì)的微波爐具有如下性能：
多種加熱模式：微波烹飪、光波脆烤、光波和微波組合烹飪；
自動(dòng)烹飪功能：根據(jù)食物類型及份量自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間和火力；
自動(dòng)解凍食物；
加熱時(shí)間設(shè)定、食物重量設(shè)定、加熱食物類型選擇；
多種加熱功率設(shè)定；
多種安全保護(hù)措施。

2 芯片特性簡介
SPMC65P2404A是凌陽推出的8位工業(yè)控制單片機(jī)，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3V~5.5V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，有23個(gè)可編程IO口，內(nèi)置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器（100KHz），SPMC65P2404A其他特性包括：
 ◆ 凌陽科技8位單片機(jī)
  ☉ 182條指令
  ☉ 11種尋址模式
  ☉ 支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）
 ◆ 2個(gè)8位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)
  ☉ 普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)器
  ☉ 具有8位捕獲功能
  ☉ 具有8位比較功能
 ◆ 2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)
  ☉ 普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)器
  ☉ 具有8或16位捕獲功能
  ☉ 具有16位比較功能
  ☉ 12位PWM輸出
 ◆ 中斷方式
  ☉ 支持IRQ和NMI中斷
  ☉ 4種外部中斷
  ☉ 11種內(nèi)部中斷
 ◆ 5種復(fù)位功能：上電復(fù)位、低電壓復(fù)位、看門狗復(fù)位、外部復(fù)位及錯(cuò)誤地址復(fù)位
 ◆ 支持3種時(shí)鐘電路：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號
 ◆ 2種低功耗模式：Halt模式和Stop模式 
 ◆ 低電壓監(jiān)測(LVD)功能
 ◆ 一個(gè)蜂鳴器驅(qū)動(dòng)輸出口
 ◆ 具有SPI總線
    利用SPMC65P2404A的這些資源，能夠方便的實(shí)現(xiàn)微波爐的功能。

3 微波爐加熱原理
    微波爐是基于微波加熱原理來實(shí)現(xiàn)，而微波加熱的實(shí)質(zhì)是微波對食物的進(jìn)行介質(zhì)加熱。
    微波是一種波長極短的電磁波，波長在1mm到1m之間，其相應(yīng)頻率在300GHz至300MHz之間。為了防止微波對無線電通信、廣播和雷達(dá)的干擾，國際上規(guī)定用于微波加熱和微波干燥的頻率有四段，分別為：L段，頻率為890～940MHz，中心波長0.330m；S段，頻率為2400～2500MHz，中心波長為0.122m；C段，頻率為5725～5875MHz，中心波長為0.052m；K段，頻率為22000～22250MHz，中心波長為0.008m。家用微波爐的頻率一般為2450MHz。
    微波利用電子在磁場中作特殊運(yùn)動(dòng)來獲得的。這種運(yùn)動(dòng)可以簡單的這樣來解釋一下：介質(zhì)從電結(jié)構(gòu)看，一類分子叫無極分子電介質(zhì)，另一類叫有極分子電介質(zhì)。在一般情況下，它們都呈無規(guī)則排列，如果把它們置于交變的電場之中，這些介質(zhì)的極性分子取向也隨著電場的極性變化而變化，這就叫做極化。外加電場越強(qiáng)，極化作用也就越強(qiáng)，外加電場極性變化得越快，極化得也越快，分子的熱運(yùn)動(dòng)和相鄰分子之間的摩擦作用也就越劇烈。在此過程中即完成了電磁能向熱能的轉(zhuǎn)換，當(dāng)被加熱物質(zhì)放在微波場中時(shí)，其極性分子隨微波頻率以每秒幾十億次的高頻來回?cái)[動(dòng)、摩擦，產(chǎn)生的熱量足以使食物在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱熟的目的。
    家用微波爐使用磁控管產(chǎn)生微波，磁控管陰極發(fā)射的電子向陽極運(yùn)動(dòng)過程中，受磁控管內(nèi)永磁鐵產(chǎn)生軸向磁場的作用，這樣電子在電場力和磁場力雙重作用下作擺線運(yùn)動(dòng)，在諧振腔中振蕩而產(chǎn)生2450MHz的微波，此微波經(jīng)波導(dǎo)輸入爐腔，加熱食物。如下圖3-1所示：

圖 3-1 微波爐加熱原理

    微波的傳播速度接近光速，它在傳播過程中能夠發(fā)生反射和折射它有三個(gè)與加熱相關(guān)的重要特性。微波遇到金屬物體，如銀、銅、鋁等會(huì)像鏡子反射可見光一樣被反射。因此，常用金屬隔離微波。微波爐中常用金屬制作箱體和波導(dǎo)，用金屬網(wǎng)外加鋼化玻璃制作爐門觀察窗。微波遇到絕緣材料，例如玻璃、塑料、陶瓷、云母等，會(huì)像光透過玻璃一樣順利通過。因此，常用絕緣材料制作盤碟，而不影響加熱效果。微波遇到含水或含脂肪的食品，能夠被大量吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能。
    現(xiàn)在許多微波爐都具有光波加熱功能，該功能的原理比較簡單，就是直接用一個(gè)具有一定強(qiáng)度的光源直接照射食物表面，達(dá)到加熱食物表面的目的。

4 微波爐設(shè)計(jì)要求
    除應(yīng)具有基本的微波加熱功能外，人性化的設(shè)計(jì)是微波爐產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如根據(jù)不同的食物及份量，采用不同的加熱方式及加熱功率，以確保不破壞營養(yǎng)成分。再如，微波爐應(yīng)該能夠很方便的設(shè)定加熱時(shí)間及選擇不同的加熱功率。以人性化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，我們設(shè)計(jì)的微波爐具有以下功能特點(diǎn)：
1、能夠選擇多種加熱模式：微波烹飪、光波脆烤、光波和微波組合烹飪。微波方式能夠快速的加熱食物內(nèi)外部，而光波則側(cè)重于加熱食物表面，達(dá)到脆烤的效果。
2、人性化的自動(dòng)烹飪功能：根據(jù)食物類型及份量自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間和火力。這種功能能夠確保食物中的營養(yǎng)成分不被破壞。
3、能夠選擇5種加熱功率，能夠靈活的設(shè)定加熱時(shí)間。
4、良好的人機(jī)界面，方便用戶實(shí)際操作。
5、開門保護(hù)，確保微波不外泄。
6、兒童安全鎖，使系統(tǒng)更安全。

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)采用SPMC65P2404A 作為主控MCU，主要模式有：鍵盤掃描，數(shù)碼顯示控制，微波控制，光波控制，風(fēng)扇控制，照明控制，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)等。系統(tǒng)框圖如圖5-1所示。

圖 5-1 系統(tǒng)框圖

5.1 控制板電路分析
    控制板電路如圖5-2所示。

圖 5-2  控制板電路圖

5.1.1 電源電路
    電源電路如圖5-3所示。
（1）變壓器（T1）的V6～7 ＝ 7V ，180mA ；V9～10 ＝ 11V ，140mA ；第七腳提供時(shí)基信號。
（2）VCC1 為＋5V 提供能源；VCC2 為繼電器提供能源。
（3）R14 為壓敏電阻，C9 耐壓為630V 。

圖5-3  電源電路

5.1.2 LED顯示電路
    LED顯示電路如圖5-4所示。該LED 為4 位8 段，共陽極驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)態(tài)掃描顯示，X0～3 為LED 的位控制；A～H為LED 的數(shù)據(jù)段。

圖5-4  LED顯示電路

5.1.3 鍵盤矩陣電路
    鍵盤為4×3（4 行3 列）的矩陣，電路如圖5-4所示。鍵掃時(shí)先把其中的一列輸出“0”，其他列則設(shè)為輸入口且上拉電阻（注意：PA0～7 上拉100k），然后再逐行掃描該列，依此類推進(jìn)行列循環(huán)和行循環(huán)得到鍵值。
    鍵盤還與LED 復(fù)用。鍵盤進(jìn)行鍵掃時(shí)，程序關(guān)閉LED 顯示；LED 顯示時(shí)，為了讓鍵盤不影響LED 顯示，在復(fù)用的數(shù)據(jù)線上串聯(lián)2k 電阻，在這一點(diǎn)上，電阻值越大越好，但是PA0～7上拉100k，如果串聯(lián)電阻太大，PA0～3 則得不到“0”而鍵掃失敗。

圖5-4  鍵盤矩陣電路

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
6.1 程序流程分析
    主流程采用分時(shí)結(jié)構(gòu)，在每個(gè)不同的時(shí)間片進(jìn)行不同的工作，時(shí)間片可以對動(dòng)態(tài)掃描的LED進(jìn)行定時(shí)刷新和掃描，方便程序控制。工作時(shí)采用時(shí)間輪循的方式，能有效的利用時(shí)間資源。過程中主要通過標(biāo)志的方式將信息傳遞到其他模塊。主程序流程如圖 6-1所示。  

圖 6-1  主程序流程圖

6.2 AC時(shí)基信號處理

圖6-2  AC時(shí)基信號處理

    AC 電壓波形經(jīng)過實(shí)際的過零電路處理得到時(shí)基信號電壓波形，如圖6-2所示；時(shí)基信號電壓波形又經(jīng)過軟件的處理（延時(shí)去抖），得到軟件意義上的波形（實(shí)際不存在），這種波形是給軟件參考的，由軟件產(chǎn)生，為軟件服務(wù)。如圖6-3所示：

圖6-3 軟件處理

    由于AC 對電路的干擾，采樣時(shí)基信號時(shí)必須做去抖的處理。去抖就必須多次采樣時(shí)基信號，但是AC 的頻率（50Hz）較快而軟件上采樣頻率（488.28125Hz）較慢，時(shí)基信號的高電平或低電平最多只能采樣4 次。所以，采樣的4 次（一定是連續(xù)的）當(dāng)中如果有3 次都相同（可以是不連續(xù)的），則不論另外的1 次是否相同，這一采樣結(jié)果就是那3 次的結(jié)果。基本的原理就是3：1 少數(shù)服從多數(shù)的準(zhǔn)則。

6.3 繼電器開關(guān)延時(shí)與AC 零點(diǎn)控制
    為了讓繼電器的使用壽命更長，繼電器開關(guān)的時(shí)刻應(yīng)該是AC 電壓波形的零點(diǎn)。根據(jù)使用的繼電器參數(shù)，計(jì)算好AC 電壓的波形和軟件處理過的時(shí)基信號的相位，適當(dāng)?shù)匮訒r(shí)調(diào)整到AC零點(diǎn)讓繼電器實(shí)際工作。如圖6-4所示：

圖6-4  繼電器控制

6.4 系統(tǒng)資源分配
LED 顯示： 占用4＋8＝12 個(gè)I/O口
鍵盤矩陣： 占用8 個(gè)I/O口，與LED 顯示復(fù)用I/O
門開關(guān)信號： 占用1 個(gè)I/O口
微波控制： 占用1 個(gè)I/O口
光波控制： 占用1 個(gè)I/O口
電機(jī)、風(fēng)扇、燈控制： 占用1 個(gè)I/O口
蜂鳴器： 占用1 個(gè)I/O口
時(shí)基信號： 占用1 個(gè)I/O口

7 結(jié)語
    微波爐具有加熱速度快、加熱均勻、節(jié)能高效、低溫殺菌以及方便快捷等眾多的優(yōu)點(diǎn)，正因?yàn)閾碛羞@些特點(diǎn)，微波爐越來越受大眾的歡迎，微波爐產(chǎn)品具有廣闊的市場前景。
    設(shè)計(jì)微波爐產(chǎn)品，除了要實(shí)現(xiàn)其基本的加熱功能外，還要使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品更具人性化，人性化的要求一方面體現(xiàn)在人機(jī)界面的操作上，要求簡潔、便利；另一方面體現(xiàn)在具有一定的智能化，如具有自動(dòng)功能等。
     SPMC65P2404A是一款非常適合設(shè)計(jì)微波爐產(chǎn)品的芯片，它具有的豐富資源能夠設(shè)計(jì)出一款功能豐富、使用簡易方便的微波爐產(chǎn)品。而且SPMC65P2404A具備很強(qiáng)的抗干擾能力，使得設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品具有很高的穩(wěn)定性和安全性。

8 參考文獻(xiàn)
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[2] 蘇振華. 真空電子器件(CRT)可靠性評價(jià)方法的應(yīng)用研究. 真空電子技術(shù),  1999.