微波炉设计分析

一、背景

    微波炉已有50多年的发展历史。时至今日，微波炉已实现了高度工业化规模生产。主要生产为日本、韩国及欧洲的一些发达国家。我过自80年代开始小规模生产微波炉，发展至今，已具有相当的生产能力，成为该行业不可小视的生力军。微波炉在世界上发达国家的家庭普及率很高。美国是微波炉最大的消费市场。中国老百姓也已经开始认识和接受微波炉，可以预见，中国也将成为一个巨大的微波炉市场。

随着科技的发展，生活水平的提高，人们对微波炉的要求也越来越高。未来的发展趋势将一智能、信息为主流，使微波炉的发展更人性化。因此可编程微波炉控制器系统的开发有利于推动微波炉市场的发展，是老百姓能用上更优秀的微波炉。

二、 本设计任务和主要内容

   设计制作一个微波炉控制器电路，具有三档微波加热功能，分别表示微波加热为烹调、烘烤、解冻，试验中用LED模拟。示意图如下：

主要任务：

（1）制定一个在不同功能时火力的控制时序表。具有三档微波加热功能,分别表示微波炉工作状态为烹调、烘烤、解冻，试验使用LED模拟。

（2） 实现工作步骤：复位待机——〉检测显示电路——〉设置输出功能和定时器初值——〉启动定时和工作开始——〉结束烹调、音响提示。

（3） 在上电或手动按复位键时，控制器输出的微波功率控制信号为0，微波加热处于待机状态，时间显示电路显示为00.00。

（4）          具有4位时间预置电路，按键启动时间设置，最大预设数为99分99秒。

（5）    设定初值后，按开启键，一方面按选择的挡位启动相应的微波加热；另一方面使计时电路以秒为单位作倒计时。当计时到时间为0则断开微波加热器，并给出声音提示，即扬声器输出2~3s的双音频提示音。

（6）    若在待机状态时按测试键，则4位数码管交替显示全亮和全灭两种状态，以检测数码管各发光段的好坏。

（7）    微波炉火力档位的增加。

（8）    输出显示方面的扩展。

（9）    实现智能控制、信息控制。

三、功能模块

1.主控制器

方案1  ：采用数字逻辑芯片

本系统有功能设置、数据装入、定时、显示、音响控制多个功能模块。各个状态保持或转移的条件依赖于键盘控制信号。由于键盘控制信号繁多，系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编程逻辑电路。这样，系统的成本就会急剧上升〔相对于方案二〕。因此，本设计并未采用这种方案。

方案2 ：采用单片机作为整个控制系统的核心

鉴于市场上常见的51系列8位单片机的售价比较低廉，我们的设计采用了主从双AT89C52单片机系统。其中一片作为主控制器，主要负责系统的控制与协调工作。具体方案如下：首先，利用单片机多中断源的协调处理能力，通过中断接收键盘送来的信号，确认功能设置，实现数据装入，同时接收时钟芯片PCF8563的秒脉冲信号作为基准信号，完成计时任务。其次，从CPU根据主CPU发出的信号控制语音播报、远程操作等功能。这样的设计使安装和调试工作可以并行进行，发挥团队优势，极大地缩短了总体设计和制造的时间；同时可以降低单个CPU的工作量，为发挥部分的制作以及其他功能扩展提供了充足的内部空间和更多的外部接口。

综合考虑以上因素，我们采用了方案二。

   2.计时控制方案

方案 1 ： 使用专用时钟芯片。

使用微控制器控制专用时钟芯片实现计时控制，这种方案有着计时精度高、控制简单的优点，而且更易于实现日期 / 时间显示、定时烹调等计时扩展功能。

方案 2 ： 采用 MCU 内部定时器。

　　AT89C52 内部含有 3 个定时器，可以利用一个定时器与程序计数器相结合的方式，在系统晶振的驱动下，产生标准时钟频率。

由于方案 2 具有较好的灵活性、较少的电路器件和较高的性价比，而且通过精确的软件补偿使精度完全可以满足控制需要，所以我们选择该方案完成设计。

3. 显示方案

方案 1 ：使用数码管显示

　　该方案控制最简单，但是只能显示非常有限的符号和数字，对于设计中复杂的显示功能显然不能胜任。

方案 2 ：使用点阵液晶显示

　　点阵液晶可以显示多种字符及图形，拥有友好的人机界面及强大的显示功能。特别适用于智能控制的可编程人性化显示。

　　权衡之后，我们决定选用方案 2 ，并实现了中 / 英文双语言界面。

4. 音响发生模块

方案 1 ： 微控制器直接发生

　　MCU 直接输出两路不同频率的脉冲信号，叠加成为双音频信号，驱动后送扬声器。但是由于 MCU 产生的方波信号含有高频分量，经测试，音效并不能令人满意。

方案 2 ：微控制器控制外部硬件电路发生

令阳单片机是目前较常用的用来实现声音输出的单片机，可实现音乐的录制与播放等。ISD2500DX键控分段板（段选板）是配有专门的微控制器得音频输出板，适配ISD2500全系列语音芯片，可实现方便的手动分段录放控制，高清晰驻极体话筒等优质部件，而且可以并行放音，控制方式极其简单。同时由于本系统的核心是单片机，可方便地输出控制信号，因此本系统采用ISD2500DX键控分段板作为声音输出电路实现报警和功能提示。

5. 温度测量方案

方案1：利用热敏电阻或者热电偶等温度传感器进行测量

该方案对于测量精度要求高，测量温度范围宽的场合应用比较广泛。但硬件软件都比较复杂。

方案2：利用集成温度传感器DS18B20进行测量

DS18B20测温范围为-55--100℃。而且测量的温度直接转化为数字量，使用非常方便。但精度不如前者。

由于对环境温度进行测量，只是一种辅助功能，而且对温度的精度要求不高，所以我们采用了方案二。由于DS18B20的应用电路非常简单，在此从略。

6. 火力设定

　　综合考虑题目要求及微波炉的实际使用情况，我们将火力强度划分为十档，十档位最强。加热功能为解冻、回热、烹调、烘烤四种。并根据各自特点及用户的使用习惯，形象的为每种加热功能分配了微、弱、中、强四种加热强度。不同功能时的火力控制及与加热强度的对照表如下：

表 2-1：加热功能、火力控制、加热强度对照表

7. 信息控制方案

方案 1 ： 采用固定电话系统控制

　　控制器与电话机相连，在接到外来呼叫并接通后给出操作提示音或语音提示，并利用 DTMF 解码芯片获取对方的按键选择作为指令，对控制器进行操作。

方案 2 ： 通过 Internet 实现远程控制

控制器通过 RS232 连接到计算机，并利用计算机软件将控制界面在 Internet 上发布。这样，就可以方便的实现对控制器的远程操作。而且借助计算机与互联网的资源，还可以扩展实现烹调方案下载、 Internet 时间同步等信息控制功能。所以我们选择此方案为控制器的信息控制方案。

四、原理

硬件设计以微控制器 AT89C52 为控制核心，基于 RTX51 实时多任务操作系统，结合所需的外围模块，完成键盘数据处理、控制 LCD 、生成 LED 演示及音响信号、以及与计算机通信等功能 。

图3-1-1  微波炉控制系统原理图

 

五、流程图

 

六、测试报告

（1） 数据测试

表5 加热倒计时器误差测量

（2）误差分析

　　     从功能分析，该系统的误差主要是加热倒计时器的计时误差走时误差。而由于加热倒计时器系统都是由 MCU 定时器产生的 1Hz 时钟脉冲驱动，所以该时钟是误差的最主要来源。

七、实验总结

  

    根据要求，该微波炉控制器设计完全达到了多功能多档位火力控制、 4 位时间预置、显示测试、加热倒数计时及结束时双音频提示音等基本要求。在此基础上扩展了 10 级火力档位，采用了点阵 LCD 显示输出使界面更加美观，还实现了微波炉面板关闭的自动检测、远程信息控制、智能控制等功能扩展。

系统以AT89C52芯片为核心部件，根据综合电子技术、信号与系统以及单片机原理的知识，通过软件实现了微波炉的可编程控制系统，且各项功能达到了设计要求。在系统的设计过程中，我们力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，并最大限度挖掘单片机片内资源，来满足系统设计要求。融合电话、网络远程控制技术，实现微波炉的智能控制、信息控制。因时间有限，该系统还有许多值得改进的地方：例如硬件系统的集成度还可以进一步提高，控制系统的容错功能有待于进一步加强，以增强用户使用的安全性，软件中某些逻辑判断方面的算法还有待于进一步优化。

　　根据题目要求，该微波炉控制器设计完全达到了多功能多档位火力控制、 4 位时间预置、显示测试、加热倒数计时及结束时双音频提示音等基本要求。在此基础上扩展了 10 级火力档位，采用了点阵 LCD 显示输出使界面更加美观，还实现了微波炉面板关闭的自动检测、远程信息控制、智能控制等功能扩展。

第二篇：微波仿真实验报告

实验1 微带分支线匹配器

? 实验目的：

1) 熟悉枝节匹配器的匹配原理

2) 了解微带线的工作原理和实际应用

3) 掌握Smith图解法设计微带线匹配网络

? 实验原理：

随着工作频率的提高及响应波长的减小，分立元件的寄生参数效应就变得更加明显，当波长变得明显小于典型的电路元件长度时，分布参数元件替代分立元件而得到广泛应用。因此，在频率高达一定数值以上时，在负载和传输线之间并联或串联分支短截线，代替分立的电抗元件，实现族抗匹配网络。常用的匹配电路有：枝节匹配器，四分之一波长阻抗变换器，指数线匹配器等。

枝节匹配器分单枝节、双枝节和三支节匹配。这类匹配器是在主传输线上并联适当的电纳（或串联适当的电抗），用附加的反射来抵消主传输线上原来的反射波，以达到匹配的目的，此电纳（或）电抗元件常用一终端短路或开路段构成。

单枝节匹配的基本思想是选择枝节到阻抗的距离d，使其在距负载d处向主线看去的导纳Y是Y0+jB 形式。然后，此短截线的电纳选择为-jB，根据该电纳值确定分支短截线的长度，这样就达到匹配条件。

双枝节匹配器，通过增加一枝节，改进了单枝节匹配器需要调节枝节位置的不足，只需调节两个分支线的长度就能达到匹配。

? 实验内容：

已知： 输入阻抗 Zin=75Ohm

负载阻抗 Zl=（64+j35）Ohm

特性阻抗 Z0=75 Ohm

介质基片?r=2.55，H=1mm

假定负载在2GHz时实现匹配，利用图解法设计微带线单枝节和双枝节匹配网络，假设双枝节网络分支线与负载的距离d1= ?/4，两分支线之间的距离为d2= ?/8。画出几种可能的电路图并且比较输入端反射系数幅值从1.8GHz至2.2GHz的变化。 ? 实验步骤：

1) 根据已知计算出各参量。

单支节匹配器

PS：Zl为负载阻抗；Z0为特性阻抗；zl为归一化负载阻抗； Tl为负载处反射系数； Zin为输入阻抗； zin为归一化输入阻抗； Tin 为输入端反射系数；b为以0.01为步长从0扫描到2*PI； R为阻抗处等反射系数圆； Rj为纯电纳等反射系数圆 Rp为匹配圆

2) 将归一化阻抗和负载阻抗所在位置分别标在smith圆上 Smith圆图

图表 1以幅度和角度方式显示

图表 2以实部和虚部方式显示

绘制步骤：

? 将归一化输入阻抗和负载阻抗所在位置标在导纳圆图上

? 从负载阻抗处沿等反射系数圆向源旋转，交匹配圆一点，由此确定单支节传输线阻

抗为-0.530011*j，取此经历的电长度为分支线与负载的距离d=198.31°*半波长 ? 在导纳圆图上标出该点位置，从开路点出发向源方向旋转到标识位置，取此经历的

电长度为分支线的长度l=266.69°*半波长

3) 设计单枝节匹配网络，在图上确定分支线与负载的距离以及分支线的长度，根据给

定的介质基片、特性阻抗和频率用TXLINE计算微带线物理长度和宽度。

4) 画出原理图。注意微带分支线处的不均匀性所引起的影响，选择适当的模型。

5) 添加矩形图，添加测量，测量输入端的反射系数幅值。 调谐图：

双短接线调谐：