- 產(chǎn)品功能要求介紹
- 方案確定和芯片選型
- 硬件設計
- 軟件規(guī)劃及編寫
- 采用單片機進行設計
微波爐控制器的工作環(huán)境相對比較惡劣。首先是爐腔溫度比較高，控制器附近溫度也會比較高，達到60℃~70℃；另一方面，微波輻射對單片機抗干擾的要求也很高，在做多次快速開關門試驗中，當少量微波泄露時，對控制器有一定的輻射，以及反復開通和關斷大功率負載會產(chǎn)生較強的干擾。所以選擇合適的單片機十分重要，在多年的家電產(chǎn)品設計中，經(jīng)常用盛群半導體(Holtek)的48系列及46系列8bit單片機設計微波爐控制器，無論在適應工作環(huán)境還是抗干擾等方面都完全滿足要求，在成本及供貨等方面比國外芯片也有更明顯的優(yōu)勢。
本文通過實際產(chǎn)品為例，以產(chǎn)品功能要求、方案確定和芯片選型、硬件設計、軟件規(guī)劃及編寫等幾部分介紹如何用單片機設計微波爐控制器。
功能要求
設計產(chǎn)品首先了解產(chǎn)品的要求，了解越詳細設計反復修改就越少，特別是關于影響芯片選型及輸出控制等跟硬件直接相關的部分。本文介紹的微波爐控制器的主要功能如下：
- 燒烤加熱，功率有2檔
- 微波加熱，功率有10檔
- 熱風烘烤加熱，溫度多檔
- 混合加熱，有三種組合模式：燒烤加微波、烘烤加微波、烘烤加燒烤
- 自動解凍，重量選擇有20檔
- 自動菜單，6大類，各類分別有重量選擇
- 顯示：88:88數(shù)碼管，四周帶14個圖標
- 按鍵：有功能選擇鍵、啟動鍵、取消鍵、熱風烘烤鍵，時鐘及定時鍵，自動菜單各功能鍵，總共11個
- 編碼開關：調(diào)節(jié)加熱時間
- 另有蜂鳴器、門檢測和門燈控制
方案確定和芯片選型
了解產(chǎn)品的詳細要求后，需要確定具體的實現(xiàn)方案，首先是選擇合適的單片機。選擇合適的型號主要要看兩個方面：硬件資源和軟件資源。要選擇合理的單片機首先必須了解單片機的各系列及各款的資源，再了解需要什么樣的資源，下面分別從硬件和軟件來說明怎樣根據(jù)要求選擇單片機。在選擇單片機時，整個產(chǎn)品的方案也基本確定。
硬件相關資源
硬件相關的資源是指外圍硬件相關的如I/O數(shù)量、特殊驅(qū)動、工作電壓等。
首先，選擇合適的單片機系列?？垂╇婋妷杭肮ぷ鳒囟瓤垢蓴_能力等是否滿足要求。盛群的MCU在系統(tǒng)振蕩頻率小于4MHz時供電電壓供電范圍為2.2V~5.5V，當8MHz時則為3.3V~5.5V，要提高系統(tǒng)的抗干擾能力，最好用5V電壓供電，當供電電壓較高時，MCU內(nèi)部所有邏輯電平幅值較高，容差電壓大，干擾更強才能改變其邏輯狀態(tài)。工作溫度，選擇Holtek的48和46系列工業(yè)級單片機，工作溫度范圍為-40℃~85℃，完全能滿足微波爐控制器工作溫度的要求。在選擇合適的系列時，還要看特殊資源的要求，如中斷口、PWM、蜂鳴器驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換等；在此產(chǎn)品的具體要求中，需要檢測爐腔的溫度以及在產(chǎn)品中需要對交流風扇調(diào)速，溫度檢測需要A/D轉(zhuǎn)換，交流風扇調(diào)速控制需要有過零中斷，所以，在這個產(chǎn)品中選擇了46系列單片機。但此產(chǎn)品不需要LCD驅(qū)動、高精度A/D轉(zhuǎn)換及比較器等資源，則不選擇HT46R6X、HT46R5X、HT46R1X等系列，而選擇HT46R2X系列。
再就是選擇的具體I/O要求和什么樣封裝的單片機，在Holtek單片機中同型號的單片機有多種封裝，如HT46R23有DIP28或SOP28封裝，也有DIP24或SOP24封裝，其I/O分別為23個和19個。
根據(jù)前面提到的功能要求，其I/O的需求列舉如下：
- 繼電器驅(qū)動：微波、燒烤、熱風烘烤、門燈/轉(zhuǎn)盤、散熱風扇共5個輸出ports
- 蜂鳴器驅(qū)動：1個輸出ports
- 按鍵有11個：11個輸入port
- 門狀態(tài)檢測：1個輸入port
- 編碼開關檢測：2個輸入port
- 顯示數(shù)碼管：5個COM，9個段，需14輸出port
- 過零中斷檢測：1個中斷輸入port
- 溫度檢測：1個A/D輸入port
簡單加起來總共需要20個輸出port，16個輸入port?？紤]復用I/O，將9個數(shù)碼驅(qū)動段和5個公共端同時做輸入檢測；溫度檢測只能用A/D口PB.0，過零檢測只能用單獨的中斷PA.5來檢測，所以總共需要22個I/O，所以選擇28PIN的HT46R2x可以滿足要求。
軟件相關資源
軟件相關的資源主要包括程序空間即ROM的大小和數(shù)據(jù)空間RAM的多少，當功能較多且復雜時需要更多的ROM和RAM；當然還有定時器、中斷、以及其它某些特殊的資源；前面已經(jīng)選擇了28PIN封裝的46R2X系列單片機，此產(chǎn)品功能相對比較豐富，程序空間要求比較多，選擇4K的ROM和192byteRAM的HT46R23應該能夠滿足要求，同樣封裝可以選擇28PIN的HT46R24，它有8K ROM和384byteRAM，可以做后備選擇，這樣不必擔心資源不夠時換IC，反復修改硬件就很麻煩。
總之，在選擇資源時，要軟硬兼顧，如果程序簡單，硬件資源要求高，則可以選擇封裝小、I/O少的單片機，另外增加擴展IC來擴展I/O；當程序復雜，硬件資源要求少時，則選擇較小封裝、軟件資源多的單片機。[page]
硬件電路設計
在選擇主芯片時，已經(jīng)在考慮部分電路設計了，顯示、按鍵檢測、輸出驅(qū)動等都考慮好了，由于篇幅有限，只簡單介紹幾個關鍵問題：
門檢測電路：給單片機檢測的門開關信號的同時，還要控制微波、燒烤、熱風烘烤繼電器的電源。
供電部分：考慮數(shù)碼管顯示內(nèi)容較多，驅(qū)動電流大，變壓器盡量選擇繼電器和單片機獨立供電，一方面降低變壓器功率，同時可以讓單片機的電源不受繼電器的工作狀態(tài)影響。
過零檢測和觸發(fā)：選擇合適的光耦和可控硅驅(qū)動電路，實現(xiàn)過零驅(qū)動，過零檢測電路注意適當?shù)臑V波和隔離，減少通過電源耦合的干擾。
另外，PCB設計時注意強弱電分開，注意電源與地的分布，注意生產(chǎn)的工藝性問題等?？傊?，合理的硬件設計和PCB布板對保證產(chǎn)品功能和性能十分重要。
軟件規(guī)劃及編寫
芯片配置選項設定
根據(jù)硬件電路，將按鍵、編碼開關及門檢測部分的內(nèi)部設置上拉電阻；盛群單片機的LVD功能很可靠，所以復位電路直接接到VCC，那么在設置配置選項時一定要開啟低電壓復位功能，不開啟容易上電復位不良。下面將主要選項設定列舉如下：
PA3/PFD: Enable PFD
Pull-High PB: Enable
Pull-High PC: Disable
Pull-High PD: Enable
OSC: CRYSTAL
WDT clock source: WDTOSC
WDT: Enable
LVR: Enable
LVR voltage: 3.2V
CLRWDT: Two Instructions.
軟件整體規(guī)劃及模塊化分解
將復雜的功能分解，通過變量傳遞各模塊之間的關聯(lián)內(nèi)容，模塊內(nèi)部則盡量獨立完成，這樣讓程序的可移植性提高，調(diào)試更快。把復雜的問題簡單化是程序編寫的重要原則。
1)主程序
通過調(diào)用各子程序，整合各模塊的功能。數(shù)碼管掃描顯示對時間要求比較高，而且各個公共端要平均分配時間，所以主程序執(zhí)行周期選擇固定周期。另外編碼開關也是掃描檢測方式，當編碼開關旋轉(zhuǎn)很快時，脈沖頻率較高，掃描周期也不能太長，綜合整體，主程序選擇4ms為執(zhí)行周期，但顯示和按鍵及編碼開關則執(zhí)行2次，相當于2ms的掃描周期。
如果用4MHz的晶振，4ms時間可以執(zhí)行4000條指令，程序設計合理情況下完全可以運行完各子程序，不擔心出現(xiàn)當處理事件多時顯示閃爍等問題。
2)編碼開關、按鍵及門狀態(tài)檢測
因編碼開關、按鍵及門狀態(tài)檢測I/O都同顯示驅(qū)動I/O復用，所以需統(tǒng)一處理。
先關閉顯示COM，檢測SEG上的狀態(tài)，再關閉SEG，再檢測COM上的狀態(tài)。
此部分程序還要完成按鍵檢測及消抖動處理、編碼開關的檢測、門狀態(tài)去抖動檢測，以有效按鍵變量、編碼開關左右旋轉(zhuǎn)標志、門狀態(tài)等為輸出。其它子程序根據(jù)按鍵、編碼開關操作和門狀態(tài)執(zhí)行對應的操作和功能。
3)過零檢測及過零觸發(fā)
過零檢測在外部中斷程序中完成，中斷后根據(jù)當前運行狀態(tài)設置散熱風扇半功率、全功率和關三種狀態(tài)。開和關狀態(tài)直接設置控制光耦狀態(tài)，當需要半功率時，需要記錄中斷次數(shù)，調(diào)整導通和關閉周期，這里沒有用調(diào)整可控硅導通移相的方法調(diào)功，可減少電磁輻射。
4)按鍵設置
按鍵操作設置程序的輸入條件為有效的按鍵和編碼開關左右旋轉(zhuǎn)標志，再細分每個按鍵分別處理，在什么條件下設置對應的工作時間、輸出模式、顯示模式、蜂鳴器鳴叫等。
5)顯示狀態(tài)設置
設置4字節(jié)保存顯示數(shù)字部分內(nèi)容，另2字節(jié)保存四周圖標變量，由于四周的圖標有閃爍和不閃爍狀態(tài)，另2字節(jié)設置圖標的閃爍狀態(tài)。
6)顯示輸出掃描
根據(jù)顯示狀態(tài)變量的8字節(jié)變量內(nèi)容，設置數(shù)碼管對應COM和SEG，掃描顯示輸出。
7)加熱輸出及功率控制設置
加熱和功率控制程序通過統(tǒng)一的變量輸入，設置當前的微波、燒烤、熱風還是幾種混合加熱，以及設置內(nèi)燈及散熱風扇輸出等。
8)溫度檢測及計算
設置A/D轉(zhuǎn)換，檢測熱敏電阻的值，并濾波處理，以及開路短路保護檢測。其輸出為故障狀態(tài)標志和當前爐腔溫度。在熱風烘烤輸出程序中根據(jù)溫度設置對應的加熱狀態(tài)。
9)時鐘、定時及運行時間計算及對應輸出模式切換
程序中關于時間的設置很多，大多都在這個子程序中完成，如時鐘計算、預約比較、倒計時、自動功能的多段加熱模式切換等。
10)蜂鳴器設置
兩個變量buz_n，buz_long來設置蜂鳴器鳴叫次數(shù)和單聲鳴叫長度?？蓡为氃O置buz_long值為單聲的鳴叫，在上電和按鍵操作時設置單聲鳴叫。當定時結束或定時啟動或故障提示等情況時，需要設置鳴叫多時，設置buz_n值就可以了。[page]
11)定時中斷子程序
定時中斷子程序相對很簡單，只設置中斷次數(shù)記錄就可以了。由于蜂鳴器鳴叫頻率為2KHz，所以定時中斷時間為250us。
其中內(nèi)容比較多的部分是：按鍵操作、顯示狀態(tài)設置、時鐘、定時及運行時間計算及對應輸出模式切換、加熱輸出及功率設置等部分。
在軟件的編寫中，變量規(guī)劃很重要，下面還列出了幾個典型的變量規(guī)劃：
整個產(chǎn)品的主要工作模式用run_state來記錄：
run_state equ [40h]
s_hotfan equ run_state.0 ;熱風烘烤
s_micro equ run_state.1 ;微波
s_grill equ run_state.2 ;燒烤
s_mix equ run_state 3 ;混合模式
s_auto equ run_state.4 ;自動解凍
s_mu equ run_state.5 ;自動菜單工作模式
s_fast equ run_state.6 ;快速啟動模式
顯示模式用dsp_state來記錄：
dsp_state equ [41h]
s_time equ dsp_state.0 ;顯示時鐘狀態(tài)
s_timer equ dsp_state.1 ;顯示定時時間狀態(tài)
s_off_t equ dsp_state.2 ;顯示倒計時狀態(tài)
s_code equ dsp_state.3 ;顯示菜單或工作模式狀態(tài)
加熱模式heat_mode變量來控制當前的輸出，其具體數(shù)據(jù)說明如下：
- 0則關閉所有輸出。
- bit0_bit3(10_1)保存微波100% /90% /80% /70% /60% /50% /40% /30% /20% /10% /10檔，即最后4bit來記錄微波輸出功率，在自動解凍、自動菜單、混合等非簡單微波模式時，加熱功率輸出時只需要判斷此變量，就直接設置微波輸出。
- bit4_bit5保存燒烤功率100%和50%。
- bit7保存熱風烘烤輸出。
當有混合狀態(tài)時，則同時設置對應的位就可以了。
合理設計變量對整個程序的編寫很有用，同時也是對產(chǎn)品功能的規(guī)劃和理解的具體化，找出主要的和關鍵的控制關系，設計合適的、適當通用的算法。而且對于經(jīng)常編寫同類產(chǎn)品時，移植程序變得很簡單；比如將此產(chǎn)品數(shù)碼管換為LCD顯示時，基本上只需要將顯示輸出部分修改為驅(qū)動顯示IC或顯示RAM就可以了，其顯示得內(nèi)容還是顯示時間、定時、倒計時時間、菜單或模式，只需要修改對應得顯示表就可以了。
程序編寫和程序調(diào)試
軟件簡單規(guī)劃后，就需要具體的編寫，將任務分解后，每部分已經(jīng)比較簡單了，調(diào)試時可以考慮各子程序單獨調(diào)試，人為模擬輸入各種情況下的數(shù)據(jù)及狀態(tài)，檢查輸出是否正確。再將相關聯(lián)的一起調(diào)試。除非很有把握，不要將程序全編寫完了再調(diào)試，那樣就不知道到底哪里有問題。
程序簡單題綱如下：
定義常量，某些固定的值，多次用到或經(jīng)常修改的常量，單獨定義后調(diào)用。
buz_l0 equ 50d;50*4=200ms設置所有默認蜂鳴器鳴叫聲音長度。
sw_t0 equ 70d;有效按鍵響應時間，按鍵去抖動時間
。。。。。。
定義I/O，將各輸入/輸出單獨按功能或原理圖網(wǎng)絡標號定義，當原理圖修改時方便軟件修改
buz_p equ pa.3
grill_p equ pc.0
micro_p equ pc.1
......
定義變量，
run_state equ [40h];或則用自動變量定義
......
程序開始
org 0h
jmp start_l
org 04H ;外部中斷向量
jmp int_set ;跳轉(zhuǎn)過零中斷處理程序
org 08H ;定時中斷向量，中斷周期為250us
mov temp_a,a ;保存
mov a,status
mov temp_s,a
inc t_int0;每次中斷0.25us
mov a,temp_s
mov status,a
mov a,temp_a
reti
中斷處理程序，注意先保存用到的ACC和標志寄存器status，返回前恢復
int_set:
......;中斷處理程序，設置風扇輸出
reti[page]
主程序開始
start_l:
初始化RAM、I/O、timer、中斷等，一般先將通用RAM全清零
注意繼電器等關鍵變量的初始化，否則上電時繼電器可能會跳一下。
初始化某些特殊變量
主循環(huán)程序部分
main:
call sw_in_set ;注意按鍵設置會將顯示關閉，則顯示輸出程序在后
call dsp_out_set ;顯示掃描程序
call sw_out_set ;按鍵功能及狀態(tài)設置
call ad_tem_set ;A/D轉(zhuǎn)換及溫度計算
call dsp_state_set ;顯示狀態(tài)計算
main_delay_2ms:
mov a,t_int0 ;0.25*8=2 等待2ms時間到
sub a,8
snz c
jmp main_delay_2ms
call sw_in_set ;注意按鍵設置會將顯示關閉，則顯示輸出程序在后
call dsp_out_set ;調(diào)用顯示掃描程序
call heat_out _set ;調(diào)用加熱狀態(tài)及功率設置
call buz_set ;調(diào)用蜂鳴器設置子程序
call time_set
main_delay_4ms:
mov a,t_int0 ;0.25ms*16=4ms 等待4ms時間到
sub a,16
snz c
jmp main_delay_2ms
clr t_int0
jmp main
各子程序分列后面
sw_in_set: ;按鍵檢測、編碼開關檢測、門狀態(tài)檢測
......
ret
dsp_out_set: ;顯示掃描程序
......
ret
sw_out_set: ;按鍵功能及狀態(tài)設置
......
ret
ad_tem_set: ;A/D轉(zhuǎn)換及溫度計算
......
ret
dsp_state_set: ;顯示狀態(tài)計算
......
ret
heat_out _set: ;調(diào)用加熱狀態(tài)及功率設置
......
ret
buz_set: ;蜂鳴器設置子程序
......
ret
time_set: ;時間及定時處理程序
......
ret
程序中會用到很多表，為調(diào)用方便，則將其放到最后頁面
org 0f00h
dsp_code_l0:
dc 10011111b;0
......
end ;程序結束
