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摘 要：本文主要介紹如何使用SPMC65P2404A單片機設計開發微波爐產品。
關鍵詞：微波爐、凌陽單片機、http://www.sunplusmcu.com/
1 引言
隨著社會的快速發展，人們的生活節奏逐漸加快，微波爐方便快捷的烹飪特點為現代人類的生活提供了便利，同時體現了其巨大的市場潛力。在現代家庭中，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"雷達爐"，原因是微波爐的發明來自雷達裝置的啟迪，后來正名為微波爐。
微波爐從操作上可以分為：機械式、電子式兩大類。傳統的微波爐多以機械式為主，它需要使用者自行選擇微波爐的工作時間、火力強度等。電子式微波爐是目前市場上主流的產品，內置微控器，能夠實現食物的含水量和溫度的檢測，它可以根據食物的特性自動選擇加熱時間、加熱火力強度等。
根據加熱方式，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，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循環對流，保證爐腔內溫度一致，食物四面受熱均勻烤出自然風味，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過特殊工藝處理的蒸汽烹調器皿，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，通過微波的加熱產生水蒸汽，利用水蒸汽的熱度及對流來加熱烹調食物。
本文主要介紹利用SPMC65P2404A芯片來實現微波爐的設計。SPMC65P2404A是凌陽推出的一款工業級通用8位單片機，具有很高的性價比，抗干擾能力強，非常適合應用于工業控制類、家電類產品的設計。使用SPMC65P2404A設計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；
自動烹飪功能：根據食物類型及份量自動調節加熱時間和火力；
自動解凍食物；
加熱時間設定、食物重量設定、加熱食物類型選擇；
多種加熱功率設定；
多種安全保護措施。 2 芯片特性簡介
SPMC65P2404A是凌陽推出的8位工業控制單片機，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3V~5.5V，有192字節的RAM和4K字節的OTP ROM，有23個可編程IO口，內置上/下拉電阻，8通道10位A/D轉換器（100KHz），SPMC65P2404A其他特性包括：
◆ 凌陽科技8位單片機
☉ 182條指令
☉ 11種尋址模式
☉ 支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）
◆ 2個8位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值)
☉ 普通的定時/計數器
☉ 具有8位捕獲功能
☉ 具有8位比較功能
◆ 2個16位可編程定時器/計數器(可自動預置初始計數值)
☉ 普通的定時/計數器
☉ 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種內部中斷
◆ 5種復位功能：上電復位、低電壓復位、看門狗復位、外部復位及錯誤地址復位
◆ 支持3種時鐘電路：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
◆ 低電壓監測(LVD)功能
◆ 一個蜂鳴器驅動輸出口
◆ 具有SPI總線
利用SPMC65P2404A的這些資源，能夠方便的實現微波爐的功能。 3 微波爐加熱原理
微波爐是基于微波加熱原理來實現，而微波加熱的實質是微波對食物的進行介質加熱。
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、廣播和雷達的干擾，國際上規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動來獲得的。這種運動可以簡單的這樣來解釋一下：介質從電結構看，一類分子叫無極分子電介質，另一類叫有極分子電介質。在一般情況下，它們都呈無規則排列，如果把它們置于交變的電場之中，這些介質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，極化作用也就越強，外加電場極性變化得越快，極化得也越快，分子的熱運動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換，當被加熱物質放在微波場中時，其極性分子隨微波頻率以每秒幾十億次的高頻來回擺動、摩擦，產生的熱量足以使食物在很短的時間內達到熱熟的目的。
家用微波爐使用磁控管產生微波，磁控管陰極發射的電子向陽極運動過程中，受磁控管內永磁鐵產生軸向磁場的作用，這樣電子在電場力和磁場力雙重作用下作擺線運動，在諧振腔中振蕩而產生2450MHz的微波，此微波經波導輸入爐腔，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生反射和折射它有三個與加熱相關的重要特性。微波遇到金屬物體，如銀、銅、鋁等會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，用金屬網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，并轉化為熱能。
現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，就是直接用一個具有一定強度的光源直接照射食物表面，達到加熱食物表面的目的。 4 微波爐設計要求
除應具有基本的微波加熱功能外，人性化的設計是微波爐產品設計的關鍵。如根據不同的食物及份量，采用不同的加熱方式及加熱功率，以確保不破壞營養成分。再如，微波爐應該能夠很方便的設定加熱時間及選擇不同的加熱功率。以人性化設計為目標，我們設計的微波爐具有以下功能特點：
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外部，而光波則側重于加熱食物表面，達到脆烤的效果。
2、人性化的自動烹飪功能：根據食物類型及份量自動調節加熱時間和火力。這種功能能夠確保食物中的營養成分不被破壞。
3、能夠選擇5種加熱功率，能夠靈活的設定加熱時間。
4、良好的人機界面，方便用戶實際操作。
5、開門保護，確保微波不外泄。
6、兒童安全鎖，使系統更安全。 5 系統硬件設計
系統采用SPMC65P2404A 作為主控MCU，主要模式有：鍵盤掃描，數碼顯示控制，微波控制，光波控制，風扇控制，照明控制，蜂鳴器驅動等。系統框圖如圖5-1所示。  圖 5-1 系統框圖
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，共陽極驅動方式，動態掃描顯示，X0～3 為LED 的位控制；A～H為LED 的數據段。  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。鍵掃時先把其中的一列輸出“0”，其他列則設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，依此類推進行列循環和行循環得到鍵值。
鍵盤還與LED 復用。鍵盤進行鍵掃時，程序關閉LED 顯示；LED 顯示時，為了讓鍵盤不影響LED 顯示，在復用的數據線上串聯2k 電阻，在這一點上，電阻值越大越好，但是PA0～7上拉100k，如果串聯電阻太大，PA0～3 則得不到“0”而鍵掃失敗。  圖5-4 鍵盤矩陣電路
6 系統軟件設計
6.1 程序流程分析
主流程采用分時結構，在每個不同的時間片進行不同的工作，時間片可以對動態掃描的LED進行定時刷新和掃描，方便程序控制。工作時采用時間輪循的方式，能有效的利用時間資源。過程中主要通過標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時基信號處理  圖6-2 AC時基信號處理
AC 電壓波形經過實際的過零電路處理得到時基信號電壓波形，如圖6-2所示；時基信號電壓波形又經過軟件的處理（延時去抖），得到軟件意義上的波形（實際不存在），這種波形是給軟件參考的，由軟件產生，為軟件服務。如圖6-3所示：  圖6-3 軟件處理
由于AC 對電路的干擾，采樣時基信號時必須做去抖的處理。去抖就必須多次采樣時基信號，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（一定是連續的）當中如果有3 次都相同（可以是不連續的），則不論另外的1 次是否相同，這一采樣結果就是那3 次的結果。基本的原理就是3：1 少數服從多數的準則。 6.3 繼電器開關延時與AC 零點控制
為了讓繼電器的使用壽命更長，繼電器開關的時刻應該是AC 電壓波形的零點。根據使用的繼電器參數，計算好AC 電壓的波形和軟件處理過的時基信號的相位，適當地延時調整到AC零點讓繼電器實際工作。如圖6-4所示：  圖6-4 繼電器控制
6.4 系統資源分配
LED 顯示： 占用4＋8＝12 個I/O口
鍵盤矩陣： 占用8 個I/O口，與LED 顯示復用I/O
門開關信號： 占用1 個I/O口
微波控制： 占用1 個I/O口
光波控制： 占用1 個I/O口
電機、風扇、燈控制： 占用1 個I/O口
蜂鳴器： 占用1 個I/O口
時基信號： 占用1 個I/O口 7 結語
微波爐具有加熱速度快、加熱均勻、節能高效、低溫殺菌以及方便快捷等眾多的優點，正因為擁有這些特點，微波爐越來越受大眾的歡迎，微波爐產品具有廣闊的市場前景。
設計微波爐產品，除了要實現其基本的加熱功能外，還要使設計出來的產品更具人性化，人性化的要求一方面體現在人機界面的操作上，要求簡潔、便利；另一方面體現在具有一定的智能化，如具有自動功能等。
SPMC65P2404A是一款非常適合設計微波爐產品的芯片，它具有的豐富資源能夠設計出一款功能豐富、使用簡易方便的微波爐產品。而且SPMC65P2404A具備很強的抗干擾能力，使得設計出的產品具有很高的穩定性和安全性。 8 參考文獻
[1] 肖健華, 經順林. 模糊控制在家電產品中的應用與展望. 五邑大學學報(自然科學版),2001
[2] 蘇振華. 真空電子器件(CRT)可靠性評價方法的應用研究. 真空電子技術, 1999. |
66821730(技術支持)
