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用HT46X23設(shè)計(jì)微波爐控制器實(shí)例分析

作者:Holtek揚(yáng)生 時(shí)間:2008-03-25 來(lái)源: 收藏

  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,在做多次快速開關(guān)門試驗(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),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)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/80617.htm

  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)劃及編寫等幾部分介紹如何用單片機(jī)設(shè)計(jì)。

  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:

  ?微波加熱,功率有10檔。

  ?燒烤加熱,功率有2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)。

  ?編碼開關(guān):調(diào)節(jié)加熱時(shí)間。

  ?另有蜂鳴器、門檢測(cè)和門燈控制。

  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、門燈/轉(zhuǎn)盤、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

  門狀態(tài)檢測(cè):1個(gè)輸入port

  編碼開關(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)。

  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:
門檢測(cè)電路:給單片機(jī)檢測(cè)的門開關(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。
微波爐控制器電路原理圖如圖1。

  另外,PCB設(shè)計(jì)時(shí)注意強(qiáng)弱電分開,注意電源與地的分布,注意生產(chǎn)的工藝性問(wèn)題等??傊侠淼挠布O(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

    芯片配置選項(xiàng)設(shè)定

  根據(jù)硬件電路,將按鍵、編碼開關(guān)及門檢測(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)一定要開啟低電壓復(fù)位功能,不開啟容易上電復(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。另外編碼開關(guān)也是掃描檢測(cè)方式,當(dāng)編碼開關(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關(guān)則執(zhí)行2次,相當(dāng)于2ms的掃描周期。


圖1  微波爐原理圖

  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)編碼開關(guān)、按鍵及門狀態(tài)檢測(cè)

  因編碼開關(guān)、按鍵及門狀態(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、編碼開關(guān)的檢測(cè)、門狀態(tài)去抖動(dòng)檢測(cè),以有效按鍵變量、編碼開關(guān)左右旋轉(zhuǎn)標(biāo)志、門狀態(tài)等為輸出。其它子程序根據(jù)按鍵、編碼開關(guān)操作和門狀態(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)和單聲鳴叫長(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)置單聲鳴叫。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。

  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。

  程序編寫和程序調(diào)試

  軟件簡(jiǎn)單規(guī)劃后,就需要具體的編寫,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
  ;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(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)、編碼開關(guān)檢測(cè)、門狀態(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

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