- 產(chǎn)品功能要求介紹
- 方案確定和芯片選型
- 硬件設(shè)計(jì)
- 軟件規(guī)劃及編寫(xiě)
- 采用單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)
微波爐控制器的工作環(huán)境相對(duì)比較惡劣。首先是爐腔溫度比較高，控制器附近溫度也會(huì)比較高，達(dá)到60℃~70℃；另一方面，微波輻射對(duì)單片機(jī)抗干擾的要求也很高，在做多次快速開(kāi)關(guān)門(mén)試驗(yàn)中，當(dāng)少量微波泄露時(shí)，對(duì)控制器有一定的輻射，以及反復(fù)開(kāi)通和關(guān)斷大功率負(fù)載會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。所以選擇合適的單片機(jī)十分重要，在多年的家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用盛群半導(dǎo)體(Holtek)的48系列及46系列8bit單片機(jī)設(shè)計(jì)微波爐控制器，無(wú)論在適應(yīng)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(guó)外芯片也有更明顯的優(yōu)勢(shì)。
本文通過(guò)實(shí)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(shè)計(jì)、軟件規(guī)劃及編寫(xiě)等幾部分介紹如何用單片機(jī)設(shè)計(jì)微波爐控制器。
功能要求
設(shè)計(jì)產(chǎn)品首先了解產(chǎn)品的要求，了解越詳細(xì)設(shè)計(jì)反復(fù)修改就越少，特別是關(guān)于影響芯片選型及輸出控制等跟硬件直接相關(guān)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(fēng)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(dòng)解凍，重量選擇有20檔
- 自動(dòng)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(gè)圖標(biāo)
- 按鍵：有功能選擇鍵、啟動(dòng)鍵、取消鍵、熱風(fēng)烘烤鍵，時(shí)鐘及定時(shí)鍵，自動(dòng)菜單各功能鍵，總共11個(gè)
- 編碼開(kāi)關(guān)：調(diào)節(jié)加熱時(shí)間
- 另有蜂鳴器、門(mén)檢測(cè)和門(mén)燈控制
方案確定和芯片選型
了解產(chǎn)品的詳細(xì)要求后，需要確定具體的實(shí)現(xiàn)方案，首先是選擇合適的單片機(jī)。選擇合適的型號(hào)主要要看兩個(gè)方面：硬件資源和軟件資源。要選擇合理的單片機(jī)首先必須了解單片機(jī)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(lái)說(shuō)明怎樣根據(jù)要求選擇單片機(jī)。在選擇單片機(jī)時(shí)，整個(gè)產(chǎn)品的方案也基本確定。
硬件相關(guān)資源
硬件相關(guān)的資源是指外圍硬件相關(guān)的如I/O數(shù)量、特殊驅(qū)動(dòng)、工作電壓等。
首先，選擇合適的單片機(jī)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(shí)供電電壓供電范圍為2.2V~5.5V，當(dāng)8MHz時(shí)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(dāng)供電電壓較高時(shí)，MCU內(nèi)部所有邏輯電平幅值較高，容差電壓大，干擾更強(qiáng)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(jí)單片機(jī)，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(shí)，還要看特殊資源的要求，如中斷口、PWM、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換等；在此產(chǎn)品的具體要求中，需要檢測(cè)爐腔的溫度以及在產(chǎn)品中需要對(duì)交流風(fēng)扇調(diào)速，溫度檢測(cè)需要A/D轉(zhuǎn)換，交流風(fēng)扇調(diào)速控制需要有過(guò)零中斷，所以，在這個(gè)產(chǎn)品中選擇了46系列單片機(jī)。但此產(chǎn)品不需要LCD驅(qū)動(dòng)、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(jī)，在Holtek單片機(jī)中同型號(hào)的單片機(jī)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(gè)和19個(gè)。
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(dòng)：微波、燒烤、熱風(fēng)烘烤、門(mén)燈/轉(zhuǎn)盤(pán)、散熱風(fēng)扇共5個(gè)輸出ports
- 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)：1個(gè)輸出ports
- 按鍵有11個(gè)：11個(gè)輸入port
- 門(mén)狀態(tài)檢測(cè)：1個(gè)輸入port
- 編碼開(kāi)關(guān)檢測(cè)：2個(gè)輸入port
- 顯示數(shù)碼管：5個(gè)COM，9個(gè)段，需14輸出port
- 過(guò)零中斷檢測(cè)：1個(gè)中斷輸入port
- 溫度檢測(cè)：1個(gè)A/D輸入port
簡(jiǎn)單加起來(lái)總共需要20個(gè)輸出port，16個(gè)輸入port?？紤]復(fù)用I/O，將9個(gè)數(shù)碼驅(qū)動(dòng)段和5個(gè)公共端同時(shí)做輸入檢測(cè)；溫度檢測(cè)只能用A/D口PB.0，過(guò)零檢測(cè)只能用單獨(dú)的中斷PA.5來(lái)檢測(cè)，所以總共需要22個(gè)I/O，所以選擇28PIN的HT46R2x可以滿足要求。
軟件相關(guān)資源
軟件相關(guān)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(dāng)功能較多且復(fù)雜時(shí)需要更多的ROM和RAM；當(dāng)然還有定時(shí)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(jī)，此產(chǎn)品功能相對(duì)比較豐富，程序空間要求比較多，選擇4K的ROM和192byteRAM的HT46R23應(yīng)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?fù)?dān)心資源不夠時(shí)換IC，反復(fù)修改硬件就很麻煩。
總之，在選擇資源時(shí)，要軟硬兼顧，如果程序簡(jiǎn)單，硬件資源要求高，則可以選擇封裝小、I/O少的單片機(jī)，另外增加擴(kuò)展IC來(lái)擴(kuò)展I/O；當(dāng)程序復(fù)雜，硬件資源要求少時(shí)，則選擇較小封裝、軟件資源多的單片機(jī)。[page]
硬件電路設(shè)計(jì)
在選擇主芯片時(shí)，已經(jīng)在考慮部分電路設(shè)計(jì)了，顯示、按鍵檢測(cè)、輸出驅(qū)動(dòng)等都考慮好了，由于篇幅有限，只簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：
門(mén)檢測(cè)電路：給單片機(jī)檢測(cè)的門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)的同時(shí)，還要控制微波、燒烤、熱風(fēng)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(dòng)電流大，變壓器盡量選擇繼電器和單片機(jī)獨(dú)立供電，一方面降低變壓器功率，同時(shí)可以讓單片機(jī)的電源不受繼電器的工作狀態(tài)影響。
過(guò)零檢測(cè)和觸發(fā)：選擇合適的光耦和可控硅驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)過(guò)零驅(qū)動(dòng)，過(guò)零檢測(cè)電路注意適當(dāng)?shù)臑V波和隔離，減少通過(guò)電源耦合的干擾。
另外，PCB設(shè)計(jì)時(shí)注意強(qiáng)弱電分開(kāi)，注意電源與地的分布，注意生產(chǎn)的工藝性問(wèn)題等?？傊?，合理的硬件設(shè)計(jì)和PCB布板對(duì)保證產(chǎn)品功能和性能十分重要。
軟件規(guī)劃及編寫(xiě)
芯片配置選項(xiàng)設(shè)定
根據(jù)硬件電路，將按鍵、編碼開(kāi)關(guān)及門(mén)檢測(cè)部分的內(nèi)部設(shè)置上拉電阻；盛群?jiǎn)纹瑱C(jī)的LVD功能很可靠，所以復(fù)位電路直接接到VCC，那么在設(shè)置配置選項(xiàng)時(shí)一定要開(kāi)啟低電壓復(fù)位功能，不開(kāi)啟容易上電復(fù)位不良。下面將主要選項(xiàng)設(shè)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(fù)雜的功能分解，通過(guò)變量傳遞各模塊之間的關(guān)聯(lián)內(nèi)容，模塊內(nèi)部則盡量獨(dú)立完成，這樣讓程序的可移植性提高，調(diào)試更快。把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化是程序編寫(xiě)的重要原則。
1)主程序
通過(guò)調(diào)用各子程序，整合各模塊的功能。數(shù)碼管掃描顯示對(duì)時(shí)間要求比較高，而且各個(gè)公共端要平均分配時(shí)間，所以主程序執(zhí)行周期選擇固定周期。另外編碼開(kāi)關(guān)也是掃描檢測(cè)方式，當(dāng)編碼開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)很快時(shí)，脈沖頻率較高，掃描周期也不能太長(zhǎng)，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(kāi)關(guān)則執(zhí)行2次，相當(dāng)于2ms的掃描周期。
如果用4MHz的晶振，4ms時(shí)間可以執(zhí)行4000條指令，程序設(shè)計(jì)合理情況下完全可以運(yùn)行完各子程序，不擔(dān)心出現(xiàn)當(dāng)處理事件多時(shí)顯示閃爍等問(wèn)題。
2)編碼開(kāi)關(guān)、按鍵及門(mén)狀態(tài)檢測(cè)
因編碼開(kāi)關(guān)、按鍵及門(mén)狀態(tài)檢測(cè)I/O都同顯示驅(qū)動(dòng)I/O復(fù)用，所以需統(tǒng)一處理。
先關(guān)閉顯示COM，檢測(cè)SEG上的狀態(tài)，再關(guān)閉SEG，再檢測(cè)COM上的狀態(tài)。
此部分程序還要完成按鍵檢測(cè)及消抖動(dòng)處理、編碼開(kāi)關(guān)的檢測(cè)、門(mén)狀態(tài)去抖動(dòng)檢測(cè)，以有效按鍵變量、編碼開(kāi)關(guān)左右旋轉(zhuǎn)標(biāo)志、門(mén)狀態(tài)等為輸出。其它子程序根據(jù)按鍵、編碼開(kāi)關(guān)操作和門(mén)狀態(tài)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作和功能。
3)過(guò)零檢測(cè)及過(guò)零觸發(fā)
過(guò)零檢測(cè)在外部中斷程序中完成，中斷后根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置散熱風(fēng)扇半功率、全功率和關(guān)三種狀態(tài)。開(kāi)和關(guān)狀態(tài)直接設(shè)置控制光耦狀態(tài)，當(dāng)需要半功率時(shí)，需要記錄中斷次數(shù)，調(diào)整導(dǎo)通和關(guān)閉周期，這里沒(méi)有用調(diào)整可控硅導(dǎo)通移相的方法調(diào)功，可減少電磁輻射。
4)按鍵設(shè)置
按鍵操作設(shè)置程序的輸入條件為有效的按鍵和編碼開(kāi)關(guān)左右旋轉(zhuǎn)標(biāo)志，再細(xì)分每個(gè)按鍵分別處理，在什么條件下設(shè)置對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間、輸出模式、顯示模式、蜂鳴器鳴叫等。
5)顯示狀態(tài)設(shè)置
設(shè)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(biāo)變量，由于四周的圖標(biāo)有閃爍和不閃爍狀態(tài)，另2字節(jié)設(shè)置圖標(biāo)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?jī)?nèi)容，設(shè)置數(shù)碼管對(duì)應(yīng)COM和SEG，掃描顯示輸出。
7)加熱輸出及功率控制設(shè)置
加熱和功率控制程序通過(guò)統(tǒng)一的變量輸入，設(shè)置當(dāng)前的微波、燒烤、熱風(fēng)還是幾種混合加熱，以及設(shè)置內(nèi)燈及散熱風(fēng)扇輸出等。
8)溫度檢測(cè)及計(jì)算
設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換，檢測(cè)熱敏電阻的值，并濾波處理，以及開(kāi)路短路保護(hù)檢測(cè)。其輸出為故障狀態(tài)標(biāo)志和當(dāng)前爐腔溫度。在熱風(fēng)烘烤輸出程序中根據(jù)溫度設(shè)置對(duì)應(yīng)的加熱狀態(tài)。
9)時(shí)鐘、定時(shí)及運(yùn)行時(shí)間計(jì)算及對(duì)應(yīng)輸出模式切換
程序中關(guān)于時(shí)間的設(shè)置很多，大多都在這個(gè)子程序中完成，如時(shí)鐘計(jì)算、預(yù)約比較、倒計(jì)時(shí)、自動(dòng)功能的多段加熱模式切換等。
10)蜂鳴器設(shè)置
兩個(gè)變量buz_n，buz_long來(lái)設(shè)置蜂鳴器鳴叫次數(shù)和單聲?shū)Q叫長(zhǎng)度?？蓡为?dú)設(shè)置buz_long值為單聲的鳴叫，在上電和按鍵操作時(shí)設(shè)置單聲?shū)Q叫。當(dāng)定時(shí)結(jié)束或定時(shí)啟動(dòng)或故障提示等情況時(shí)，需要設(shè)置鳴叫多時(shí)，設(shè)置buz_n值就可以了。[page]
11)定時(shí)中斷子程序
定時(shí)中斷子程序相對(duì)很簡(jiǎn)單，只設(shè)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(shí)中斷時(shí)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(shè)置、時(shí)鐘、定時(shí)及運(yùn)行時(shí)間計(jì)算及對(duì)應(yīng)輸出模式切換、加熱輸出及功率設(shè)置等部分。
在軟件的編寫(xiě)中，變量規(guī)劃很重要，下面還列出了幾個(gè)典型的變量規(guī)劃：
整個(gè)產(chǎn)品的主要工作模式用run_state來(lái)記錄：
run_state equ [40h]
s_hotfan equ run_state.0 ;熱風(fēng)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(dòng)解凍
s_mu equ run_state.5 ;自動(dòng)菜單工作模式
s_fast equ run_state.6 ;快速啟動(dòng)模式
顯示模式用dsp_state來(lái)記錄：
dsp_state equ [41h]
s_time equ dsp_state.0 ;顯示時(shí)鐘狀態(tài)
s_timer equ dsp_state.1 ;顯示定時(shí)時(shí)間狀態(tài)
s_off_t equ dsp_state.2 ;顯示倒計(jì)時(shí)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(lái)控制當(dāng)前的輸出，其具體數(shù)據(jù)說(shuō)明如下：
- 0則關(guān)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(lái)記錄微波輸出功率，在自動(dòng)解凍、自動(dòng)菜單、混合等非簡(jiǎn)單微波模式時(shí)，加熱功率輸出時(shí)只需要判斷此變量，就直接設(shè)置微波輸出。
- bit4_bit5保存燒烤功率100%和50%。
- bit7保存熱風(fēng)烘烤輸出。
當(dāng)有混合狀態(tài)時(shí)，則同時(shí)設(shè)置對(duì)應(yīng)的位就可以了。
合理設(shè)計(jì)變量對(duì)整個(gè)程序的編寫(xiě)很有用，同時(shí)也是對(duì)產(chǎn)品功能的規(guī)劃和理解的具體化，找出主要的和關(guān)鍵的控制關(guān)系，設(shè)計(jì)合適的、適當(dāng)通用的算法。而且對(duì)于經(jīng)常編寫(xiě)同類產(chǎn)品時(shí)，移植程序變得很簡(jiǎn)單；比如將此產(chǎn)品數(shù)碼管換為L(zhǎng)CD顯示時(shí)，基本上只需要將顯示輸出部分修改為驅(qū)動(dòng)顯示IC或顯示RAM就可以了，其顯示得內(nèi)容還是顯示時(shí)間、定時(shí)、倒計(jì)時(shí)時(shí)間、菜單或模式，只需要修改對(duì)應(yīng)得顯示表就可以了。
程序編寫(xiě)和程序調(diào)試
軟件簡(jiǎn)單規(guī)劃后，就需要具體的編寫(xiě)，將任務(wù)分解后，每部分已經(jīng)比較簡(jiǎn)單了，調(diào)試時(shí)可以考慮各子程序單獨(dú)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(guān)聯(lián)的一起調(diào)試。除非很有把握，不要將程序全編寫(xiě)完了再調(diào)試，那樣就不知道到底哪里有問(wèn)題。
程序簡(jiǎn)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(dú)定義后調(diào)用。
buz_l0 equ 50d;50*4=200ms設(shè)置所有默認(rèn)蜂鳴器鳴叫聲音長(zhǎng)度。
sw_t0 equ 70d;有效按鍵響應(yīng)時(shí)間，按鍵去抖動(dòng)時(shí)間
。。。。。。
定義I/O，將各輸入/輸出單獨(dú)按功能或原理圖網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)定義，當(dāng)原理圖修改時(shí)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(dòng)變量定義
......
程序開(kāi)始
org 0h
jmp start_l
org 04H ;外部中斷向量
jmp int_set ;跳轉(zhuǎn)過(guò)零中斷處理程序
org 08H ;定時(shí)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(biāo)志寄存器status，返回前恢復(fù)
int_set:
......;中斷處理程序，設(shè)置風(fēng)扇輸出
reti[page]
主程序開(kāi)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(guān)鍵變量的初始化，否則上電時(shí)繼電器可能會(huì)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(shè)置會(huì)將顯示關(guān)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(shè)置
call ad_tem_set ;A/D轉(zhuǎn)換及溫度計(jì)算
call dsp_state_set ;顯示狀態(tài)計(jì)算
main_delay_2ms:
mov a,t_int0 ;0.25*8=2 等待2ms時(shí)間到
sub a,8
snz c
jmp main_delay_2ms
call sw_in_set ;注意按鍵設(shè)置會(huì)將顯示關(guān)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(shè)置
call buz_set ;調(diào)用蜂鳴器設(shè)置子程序
call time_set
main_delay_4ms:
mov a,t_int0 ;0.25ms*16=4ms 等待4ms時(shí)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(cè)、編碼開(kāi)關(guān)檢測(cè)、門(mén)狀態(tài)檢測(cè)
......
ret
dsp_out_set: ;顯示掃描程序
......
ret
sw_out_set: ;按鍵功能及狀態(tài)設(shè)置
......
ret
ad_tem_set: ;A/D轉(zhuǎn)換及溫度計(jì)算
......
ret
dsp_state_set: ;顯示狀態(tài)計(jì)算
......
ret
heat_out _set: ;調(diào)用加熱狀態(tài)及功率設(shè)置
......
ret
buz_set: ;蜂鳴器設(shè)置子程序
......
ret
time_set: ;時(shí)間及定時(shí)處理程序
......
ret
程序中會(huì)用到很多表，為調(diào)用方便，則將其放到最后頁(yè)面
org 0f00h
dsp_code_l0:
dc 10011111b;0
......
end ;程序結(jié)束
